MARC

 008260126s2024        us                              c    eng  d
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■035    ▼a(MiAaPQ)GeorgiaTech77724
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a591
■1001  ▼aLiu,  Wenhao.
■24510▼aFourier  Light-Field  Microscopy:  Design,  Optimization,  and  Applications
■260    ▼a[Sl]▼bGeorgia  Institute  of  Technology▼c2024
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2024
■300    ▼a183  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  87-05,  Section:  A.
■500    ▼aAdvisor:  Jia,  Shu.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--Georgia  Institute  of  Technology,  2024.
■520    ▼aVisualizing  diverse  anatomical  and  functional  traits  that  span  many  spatial  scales  with  high  spatio-temporal  resolution  provides  insights  into  the  fundamentals  of  biological  systems.  Light-field  microscopy  (LFM)  has  recently  emerged  as  a  scanning-free,  scalable  method  allowing  for  high-speed,  volumetric  imaging  ranging  from  single-cell  specimens  to  the  mammalian  brain.  However,  the  prohibitive  reconstruction  artifacts  and  severe  computational  cost  have  thus  far  limited  broader  applications  of  LFM.  To  address  the  challenge,  in  this  thesis,  we  report  Fourier  LFM  (FLFM),  a  system  that  processes  the  light-field  information  through  the  Fourier  domain,  substantially  overcomes  the  drawbacks  of  LFM  and  realizes  fast  3D  imaging  with  enhanced  spatial  resolution  and  extended  imaging  depth.In  detail,  we  first  established  a  complete  theoretical  and  algorithmic  framework  that  describes  light  propagation,  image  formation,  and  system  characterization  of  FLFM,  which  was  fully  validated  on  a  prototype  system  by  high-resolution,  artifact-free  imaging  of  various  caliber  and  biological  samples.  Based  on  the  frame,  we  proposed  a  generic  design  principle  for  FLFM  and  developed  two  FLFM  systems  following  this  protocol  for  fast,  volumetric,  high-resolution  live  imaging,  respectively,  on  whole  cells  and  entire  organoids  (CHAPTER  1).Next,  in  CHAPTER  2,  we  introduce  wFLFM,  an  approach  that  enhances  the  resolution  of  Fourier  light-field  microscopy  (FLFM)  through  a  hybrid  wide-field  image.  The  system  exploits  the  intrinsic  compatibility  of  image  formation  between  the  on-axis  FLFM  elemental  and  wide-field  images,  allowing  for  minimal  instrumental  and  computational  complexity.  The  numerical  and  experimental  results  of  wFLFM  present  a  two-  to  three-fold  improvement  in  the  lateral  resolution  without  compromising  the  3D  imaging  capability  compared  to  conventional  FLFM.In  CHAPTER  3,  we  report  FLFM  using  a  hybrid  point-spread  function  (hPSF-FLFM)  for  fast,  volumetric,  and  high-resolution  imaging  of  entire  organoids.  hPSF-FLFM  transforms  conventional  3D  microscopy  and  enables  the  exploration  of  less  accessible  spatiotemporally  challenging  regimes  for  organoid  research.  Via  3D  observation  of  the  rapid  responses  of  human  induced  pluripotent  stem  cells-derived  colon  organoids  (hCOs)  to  extracellular  cues  such  as  osmotic  shock  and  mechanical  stresses,  we  demonstrate  the  3D  imaging  capacity  of  hPSF-FLFM  to  offer  cellular  (x-y:  2-3  μm  and  z:  5-6  μm)  and  millisecond-scale  spatiotemporal  characterization  of  whole-organoid  dynamics  that  span  large  imaging  volumes  (900  μm  x  900  μm  x  400  μm  in  x,  y,  z,  respectively),  which  enables  further  biomedical  applications  with  similar  spatial-temporal  traits,  such  as  calcium  imaging  of  3D  human  induced  pluripotent  stem  cells-derived  cardiomyocytes  (3D  hiPSC-CMs)  and  on  monitoring  heart  beating  of  tadpole  for  evaluation  on  cardiac  development.In  the  end,  in  CHAPTER  4,  we  proposed  FLFM  for  instant  dual-color  light-field  imaging.  By  equipping  a  filter  array  behind  the  MLA  and  allocating  elemental  images  of  imaged  samples  into  different  channels,  we  redistribute  fluorescent  emission  among  spatial,  angular,  and  chromatic  dimensions  and  enable  simultaneously  sensing  ultrafast  biological  signals  on  two  channels,  which  is  enabled  for  FLFM  using  switchable  illumination  scheme.  We  demonstrated  its  imaging  capacity  on  diverse  biological  specimens  for  high-throughput  screening  and  time-lapsed  3D  recording  of  rapid  morphological  change  and  functional  traits.In  summary,  we  systemically  proposed  a  Fourier  light-field  scheme  for  fast  volumetric  multicolor  imaging,  including  theoretical  and  numerical  models  for  system  description,  general  instrument  design  protocol,  and  optimized  data  processing  algorithm.  Equipped  with  an  axially  uniformed  sampling  and  a  spatially  invariant  PSF,  FLFM  fundamentally  improves  the  imaging  quality  of  LFM  by  mitigating  its  artifacts  near  MLA  and  reducing  the  reconstruction  speed  via  parallel  imaging  processing  to  roughly  two  orders  of  magnitude  and  its  highly  scalable  design  enables  diverse  systems  been  readily  constructed  to  meet  broader  imaging  needs  across  various  spatial  scales.  We  anticipate  FLFM  to  be  a  potent  tool  for  imaging  diverse  phenotypic  and  functional  information  spanning  broad  molecular,  cellular,  and  tissue  systems.
■590    ▼aSchool  code:  0078.
■650  4▼aEmbryos
■650  4▼aFourier  transforms
■650  4▼aSignal  to  noise  ratio
■650  4▼aLasers
■650  4▼aCardiomyocytes
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■650  4▼aThree  dimensional  imaging
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■650  4▼aOptics
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■650  4▼aMathematics
■690    ▼a0389
■690    ▼a0752
■690    ▼a0379
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■71020▼aGeorgia  Institute  of  Technology.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g87-05A.
■790    ▼a0078
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2024
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17360422▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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