This work was supported through an Innovative Engineering for Health award by the Wellcome Trust [WT101957], the Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) [NS/A000027/1], and a National Institute for Health Research Biomedical Research Centre UCLH/UCL High Impact Initiative. Jan Deprest is being funded by the Fonds voor Wetenschappelijk Onderzoek Vlaanderen (FWO; JD as clinical researcher 1.8.012.07). Danail Stoyanov receives funding from the EPSRC (EP/N013220/1, EP/N022750/1), the EU-FP7 project CASCADE (FP7-ICT-2913-601021), and the EU-Horizon2020 project EndoVESPA (H2020-ICT- 2015-688592). Sebastien Ourselin receives funding from the EPSRC (EP/H046410/1, EP/J020990/1, EP/K005278) and the MRC (MR/J01107X/1). Marcel Tella is supported by the EPSRC-funded UCL Centre for Doctoral Training in Medical Imaging (EP/L016478/1).

1. ייצור יעד <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התזת חול <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכן גיליון נירוסטה 316 בעובי 1.2 מ&quot;מ. באמצעות עיפרון או מסמר, לצייר ריבוע מ&quot;מ 40 מ&quot;מ x 40 על הסדין בעזרת סרגל. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חותך את הכיכר נמשכת באמצעות חותך מתכת ידני. זְהִירוּת! צפה האצבעות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להשתמש בקובץ כדי לעגל את הפינות ואת הצדדים של המדגם. זְהִירוּת! הם מאוד חדים; הזהר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכן בלוק עץ או מתכת ישר מעט יותר גדול בגודל מאשר פחים מפלדת אל-חלד. מניח את הגיליון החתוך עליו; לעשות זאת על מנת למנוע כיפוף המדגם במהלך התזת חול. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הנח את המכלול בתא הפיצוץ הפנימי. זכור להשתמש אספן אבק לאטום את תא הפיצוץ הפנימי בחוזקה; אחרת, בחול יתפשט בכל רחבי תוך כדי התהליך. תלבש משקפי בטיחות כדי להגן על העיניים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מקם אקדח הפיצוץ בניצב ו במרחק של לפחות 4-5 ס&quot;מ מפני השטח מתכת. החל את contr רגלol עבור התזת חול. שים את המדגם על חתיכת עץ (1-2 ס&quot;מ עובי) באמצעות סגן, כמו זרימת החול בלחץ גבוה יכול לעוות את המדגם. במהלך זרמי חול, להחזיק המדגם בחוזקה על ידי קצה חתיכת עץ או באמצעות סגן אחר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חזור על התזת חול בצד השני אם זה רצוי שיהיה דפוס כיול חקוק על שני הצדדים. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> דפוסי ליזר <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עיצוב דפוס של חוגים סימטריים, כפי שמוצג באיור 1. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כן החלפת פורמט ציור (DXF) קובץ של העיצוב או באמצעות תוכנות CAD או אחר שפת תכנות מתאימה. הערה: להנוחיות, יישום פייתון שיכול ליצור קבצי DXF לעיצוב מוזכר במאמר זה מסופק כחלק יישום GUI הקומפקטי 16. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ייבא את קבצי DXF לתוך תוכנת חיתוך ליזר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדר את הפרמטרים הבאים עבור תחריט ברקע. כוח לייזר: 40%, מהירות סריקה:80 ס&quot;מ / s, תדירות: 4,000 הרץ, מספר עובר: 1. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדר את הפרמטרים הבאים לתחריט התבנית. כוח לייזר: 40%, מהירות סריקה: 2.1 ס&quot;מ / ים, תדירות: 4,000 הרץ, מספר עובר: 1. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שים את המדגם על פלטפורמת העבודה ליישר את דפוס החיתוך באמצעות התוכנה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר הלייזר מבצע את החתך, לנקות את המדגם על ידי טבילה זה באלכוהול. אין להשתמש בכל מגבונים, כפי שהוא בדרך כלל להשאיר שאריות לא רצויות. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> סְטֶרִילִיזַציָה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עוטף את המדגם מעוקר בחבילת עיקור ולהכניס אותו ביחידת העיקור (אוטוקלב). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מוסיפים מים (מים מזוקקים לא) אל החיטוי ובצע את המדריך למשתמש / המלצות היצרן כדי לעקר את היעד. </li></ol></li></ol> כיול 2. פרי-אופרטיבי <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תוכנת כיול <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התקן את חבילת תוכנת כיול אנדוסקופ &quot;endocal&quot; הניתנת על GitHub 16(פעל בהתאם להוראות בקובץ README בו). הערה: תוכנה זו עוטפת את מודול כיול מצלמת OpenCV 17 ביישום נוחות קלה לשימוש. היישום מסופק פועל בשני מצבים: מקוון או לא מקוון. במצב המקוון רוכש את זרם וידאו ישירות חומרת מסגרת חוטף תואמת. במצב לא מקוון מאפשר תמונות אנדוסקופ טעינה או מקובץ וידאו או תיקייה עם מספר מסגרות וידאו ונשמר כמו קבצי תמונה. ראה README עבור חומרה נתמכת והוראות מפורטות על אופן השימוש שני מצבים אלה. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> רכישת וידאו אנדוסקופי הערה: ההוראות הבאות מיועדות כיול מקוון (כמתואר לעיל), אבל הם חלים גם על כיול מחובר. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את היעד כיול במיכל נוזל סטרילי, כגון gallipot. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מלאו את מיכל עם נוזל היעד או חומר סטרילי דומה. הערה: לדוגמה, proce fetoscopicלדינים ונהלים הנוגעים לעניין, נוזל היעד הוא מי שפיר. מאז התכונות האופטיות של מי שפיר הם דומים למים מלוחים 18, 19, מים מלוחים סטרילי ניתן להשתמש לכיול fetoscope. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התאימו את הזום וחד של האנדוסקופ כרצונכם. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לטבול את אנדוסקופ בנוזל והחזק אותו ממרחק מיעד הכיול דומה המרחק בין האנטומיה כי אנדוסקופ ישמש מאוחר יותר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעל את יישום הכיול ולהתחיל רכישת המצלמה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הזז את קצה האנדוסקופ מעט תצוגות שונות תוך שמירה על דפוס כיול כולו לנוכח המצלמה. לקבלת ביצועים מיטביים, לשמור על האגדה אליפטי סביב תבנית הכיול בתוך הנוף העגול של האנדוסקופ. הערה: וידאו מסגרות כי שמישים לכיול מסומנים על ידי שכבת דפוס וירטואלית, כפי שניתן לראות באיור 3. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> Acquiמחדש לפחות את המספר המזערי של מצלמת תצוגות אנדוסקופית נדרשו לכיול (כמצוין חלון endocal). הערה: הגרסה הנוכחית של endocal דורשת לפחות 10 צפיות מצלמה אנדוסקופית לכיול, מספר נבחר heuristically צפיות שבן שגיאת הכיול נראה מינימאלי אחרי דפוס יציב 20. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחץ על מקש הכיול, כפי שמצוין על חלון endocal, כדי להתחיל את תהליך הכיול באמצעות התמונות שנרכשו עד כה. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שמירה באמצעות פרמטרי הכיול <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחץ על מקש כיול המצוין להציל את פרמטרי כיול וכתוצאה מכך YAML ( &quot;YAML האין Markup Language&quot;) להגיש 21. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> קבוצת פרמטרי הכיול לתוך מקדמי מטריצה ועיוות מצלמה, כפי שמוסבר מודול כיול מצלמת OpenCV 17. הערה: לאחר ביצוע כיול, כיוליישום אוטומטי ומציג את התמונה תקנה עיוות בצד הימין של תמונת אנדוסקופ המקורית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש בעדכון וידאו-תיקן עיוות במהלך הליך fetoscopic להדמיה טהור או השליה בזמן אמת mosaicing 11. </li></ol></li></ol>

<ol>
	<li>Zhang, Z., Matsushita, Y., Ma, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Camera+calibration+with+lens+distortion+from+low-rank+textures.">Camera calibration with lens distortion from low-rank textures.</a> , 2321-2328 (2011).</li><li>Devernay, F., Faugeras, O. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automatic+calibration+and+removal+of+distortion+from+scenes+of+structured+environments.">Automatic calibration and removal of distortion from scenes of structured environments.</a> , 62-72 (1995).</li><li>Duane, C. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Close-range+camera+calibration.">Close-range camera calibration.</a> Photogramm. Eng. 37 (8), 855-866 (1971).</li><li>Mallon, J., Whelan, P. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Which+pattern?+biasing+aspects+of+planar+calibration+patterns+and+detection+methods.">Which pattern? biasing aspects of planar calibration patterns and detection methods.</a> Pattern recognition letters. 28 (8), 921-930 (2007).</li><li>Balletti, C., Guerra, F., Tsioukas, V., Vernier, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Calibration+of+Action+Cameras+for+Photogrammetric+Purposes.">Calibration of Action Cameras for Photogrammetric Purposes.</a> Sensors. 14 (9), 17471-17490 (2014).</li><li>Heikkila, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Geometric+camera+calibration+using+circular+control+points.">Geometric camera calibration using circular control points.</a> IEEE Transactions on pattern analysis and machine intelligence. 22 (10), 1066-1077 (2000).</li><li>Deprest, J. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fetal+surgery+is+a+clinical+reality.">Fetal surgery is a clinical reality.</a> Seminars in fetal and neonatal medicine. 15 (1), 58-67 (2009).</li><li>Watanabe, M., Flake, A. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fetal+surgery:+Progress+and+perspectives.">Fetal surgery: Progress and perspectives.</a> Advances in pediatrics. 57 (1), 353-372 (2010).</li><li>Lewi, L., Deprest, J., Hecher, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+vascular+anastomoses+in+monochorionic+twin+pregnancies+and+their+clinical+consequences.">The vascular anastomoses in monochorionic twin pregnancies and their clinical consequences.</a> American journal of obstetrics and gynecology. 208 (1), 19-30 (2013).</li><li>Yamashita, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Miniature+bending+manipulator+for+fetoscopic+intrauterine+laser+therapy+to+treat+twin-to-twin+transfusion+syndrome.">Miniature bending manipulator for fetoscopic intrauterine laser therapy to treat twin-to-twin transfusion syndrome.</a> Surgical Endoscopy. 22 (2), 430-435 (2008).</li><li>Daga, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+mosaicing+of+fetoscopic+videos+using+SIFT.">Real-time mosaicing of fetoscopic videos using SIFT.</a> Proc. SPIE 9786, Medical Imaging 2016: Image-Guided Procedures, Robotic Interventions, and Modeling. 97861R. , (2016).</li><li>Yang, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Image+mapping+of+untracked+free-hand+endoscopic+views+to+an+ultrasound+image-constructed+3D+placenta+model.">Image mapping of untracked free-hand endoscopic views to an ultrasound image-constructed 3D placenta model.</a> The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery. 11 (2), 223-234 (2015).</li><li>Liao, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fast+image+mapping+of+endoscopic+image+mosaics+with+three-dimensional+ultrasound+image+for+intrauterine+fetal+surgery.">Fast image mapping of endoscopic image mosaics with three-dimensional ultrasound image for intrauterine fetal surgery.</a> Minimally invasive therapy &amp; allied technologies. 18 (6), 332-340 (2009).</li><li>Chadebecq, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Practical+Dry+Calibration+With+Medium+Adaptation+For+Fluid-Immersed+Endoscopy.">Practical Dry Calibration With Medium Adaptation For Fluid-Immersed Endoscopy.</a> , (2015).</li><li>Wengert, C., Reeff, M., Cattin, P. C., Sz&#233;kely, G., Handels, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Bildverarbeitung f&#252;r die Medizin 2006: Algorithmen Systeme Anwendungen. Proceedings des Workshops vom 19. - 21. M&#228;rz 2006 in Hamburg. , 419-423 (2006).</li><li>. Compact GUI application for optical distortion calibration of endoscopes Available from: <a target="_blank" href="https://github.com/gift-surg/endocal">https://github.com/gift-surg/endocal</a> (2016)</li><li>Reeff, M., Gerhard, F., Cattin, P. C., Sz&#233;kely, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Mosaicing of endoscopic placenta images. , (2011).</li><li>Steigman, S. A., Kunisaki, S. M., Wilkins-Haug, L., Takoudes, T. C., Fauza, D. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+properties+of+human+amniotic+fluid:+implications+for+videofetoscopic+surgery.">Optical properties of human amniotic fluid: implications for videofetoscopic surgery.</a> Fetal diagnosis and therapy. 27 (2), 87-90 (2009).</li><li>Zhang, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+flexible+new+technique+for+camera+calibration.">A flexible new technique for camera calibration.</a> IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 22 (11), 1330-1334 (2000).</li><li>. Open Source Computer Vision Library Available from: <a target="_blank" href="https://github.com/opencv/opencv">https://github.com/opencv/opencv</a> (2016)</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

התזת חול הוא צעד חשוב בתהליך הייצור בגלל משטח מתכת הגלם בולט משקף את אור אנדוסקופ, מה שהופך אותו בלתי אפשרי עבור כדי להתגלות החוגים. קשה להבחין החוגים אפילו בעין בלתי מזוינת (ראה איור 5). ראוי לציין, כי השטח של היעד הראו כבר נחרט עם לייזר. עם זאת, הדבר אינו מפחית השתקפות אור. <img alt="איור 5" src="/files/ftp_upload/55298/55298fig5.jpg" /> איור 5: כיול יעד ללא התזת חול מיושם. כפי שניתן לראות מן הנוף אנדוסקופ משמאל, בוהק מן האור אנדוסקופ על פני החומר מקשה אפילו בעין בלתי מזוינת להבחין החוגים (קיים מעגל פשוט לכוון דרום מזרח של השתקפות גדול). ראוי לציין, כי השטח של יעד זה (כלומר, &quot;הרקע&quot;) נחקק כבר, אבל זה לא<html> מועיל בהעדר התזת חול. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55298/55298fig5large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> לפני תחריט דפוס, חשוב גם כדי לחרוט את פני השטח של המדגם כולו. דבר זה הכרחי מכיוון שטח התזת החול יש החזר ראי רב (ראה איור 6), אשר מפריע זיהוי בועה. <img alt="איור 6" src="/files/ftp_upload/55298/55298fig6.jpg" /> איור 6: Sandblasted לקרקע ללא תחריט. אמנם לא בולט כמו משטח מתכת הגלם, החזר הראי הקטן יחסית (שחלקם מודגשים עם חצים צהובים) הם עדיין מספיק כדי למנוע זיהוי בועה להצליח, ולכן אין כיול ניתן לבצע עם יעד זה.arget = &quot;_ blank&quot;&gt; לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. החלת לייזר במהירויות שונות נותן צבעי רקע שונים. צבע הרקע ממלא תפקיד משמעותי את הניגוד בין העיגולים ברקע. לפיכך, הוא חיוני, כדי לקבוע את צבע רקע האופטימלי. לשם כך, צלחת עם עיגולים חרוטים נגד קבוצה של מרקעים שונים נוצרו (ראה איור 7). הרקע נבדקו באמצעות מודול זיהוי תכונה של OpenCV 23, אשר משמש מודול כיול המצלמה OpenCV 17. בעבודה זו, עשויה המטרה של פלדת אל-חלד, כפי שהוא הוא החומר הנפוץ ביותר והאמין ביותר בשימוש במרפאות עבור מכשירים רפואיים. חומר זה הוא זמין בחינם, לא יקר, חזק, קל לעקר. חומרים אחרים יכולים לשמש באופן פוטנציאלי עבור יעד הכיול, כגון מתכות אלומיניום או המכיל יוד, אך זהו scopדואר של עבודה בעתיד. <img alt="איור 7" src="/files/ftp_upload/55298/55298fig7.jpg" /> איור 7: צלחת נירוסטה שמציעה פלטה של צבעי רקע שונים חרוטים עם הליזר. ניסויים מעשיים נערכו בשיתוף עם מודול זיהוי תכונת OpenCV כדי לקבוע איזה צבע רקע נותן את התוצאה האופטימלית מבחינת בועה-אל-רקע ניגוד 23. ההשקפה אנדוסקופ משמאל מראה את הצלחת. צבעים ברקע המתונים (כלומר, אלה אחרים אלה האפלים קלים) ב לוח זה להניב זיהוי בועה טוב יותר. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55298/55298fig7large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> אחד היתרונות של עבודה זו היא כי ביצוע כיול באמצעות היעד המפוברק לוקח 2-3 דקות. רוב המאמץ ללכתes לייצוב אנדוסקופ ידני כדי להשיג צפיות הגונות של דפוס הכיול. באמצעות בעל אנדוסקופ שהותקן יכול לבטל את הצורך ייצוב ידני, אשר בתורו יכול לקצר את זמן הכיול באופן משמעותי. <img alt="וידאו 1" src="/files/ftp_upload/55298/55298video1.jpg" /> וידאו 1: וידאו המציג כיצד כיול עיוות אופטית יכול להתבצע באמצעות יעד הכיול שפותח יחד עם תוכנת endocal. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55298/fetoscope-calibration-480.mov" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בסרטון זה. (לחץ לחיצה ימנית כדי להוריד.)</a> היתרון של העבודה שלנו בהשוואה לעבודה ואח ונגרט. 15 הוא שמודול כיול המצלמה OpenCV 17 יכול לשמש הוא לכיול, ללא צורך parame שינוי או מותאם אישיתterization. בגלל OpenCV היא מבוססת היטב ומתוחזקים היטב חבילת תוכנה, והוא פופולרי מאוד בקרב קהילת הראייה הממוחשבת, באמצעות שהיא מבטלת את הצורך לכתיבה ושמירת תוכנה מותאמת אישית. לנוחיות הקוראת, יישום GUI קומפקטי מסופק 16, אשר קורא יכול בקלות להתקין ולהשתמש לבחון מטרות כיול חדשות. אחד החסרונות של השיטה שלנו לעומת ונגרט et al. 15 הם כי השיטה שלהם היא איתנה יותר כדי חסימות של התבנית, כפי שהיא אינה דורשת זיהוי של כל הכתמים. בתחילה, מטרת כיול עם דפוס שחמט הייתה מפוברקת עבור עבודה זו. עם זאת, סוג זה של יעד כיול התברר מתאים בניסויים בשל הקושי לחשוף את הפינות של ריבועי השחמט. זיהוי פינה מסתמך על binarization מבוסס תמונה היסטוגרמה (לראות את קוד מקור OpenCV 24). איזה שדטמון בצורך ניגוד צבע ברור בין הריבועים הכהים ובהירים, אשר לא יכול להיות מובטח עם דפוס השחמט שלנו, באופן חלקי בשל החזר ראי, כמו אלה שמוצגים באיור 6. החזר ראי כאלה נמצאים גם לאחר תחריט רקע; עם זאת, זיהוי של החוגים נראה פחות רגיש זה חיסרון. בשנת ההגדרה הנוכחית, רק תצוגות בניצב של יעד הכיול ולאפשר זיהוי בועה מוצלח. זהו בשל החזר הראי מפני שטח היעד פוגע זיהוי בועה בזוויות אלכסוניות. אנחנו עובדים כדי לשפר עוד יותר את היעד כדי לאפשר לרכישת צפיות מגוונת רחבה יותר של זוויות, אשר עלול לשפר את איכות כיולים שבוצעו 20. ב בזמן אמת השליה mosaicing צינור שהוצע בעבר 11, החישוב של טראנסהיווצרות ממפת זוגות תמונה נשענת על איתור הקיבוץ המוצלח של תכונות. עיוותים אופטיות, ומצד שני, לגרום לקבוצה של תכונות עם גיאומטריה נוקשה להופיע שונה ברחבי תמונות. כתוצאה מכך, הבדל זה מוביל הדיוקים טרנספורמציות הממוחשבים, אשר גורמים מרחפות בפסיפסי התמונה המתקבלים. בגלל העיוותים האופטיות הבולטות נמצאות לקראת השולים, תמונות אנדוסקופית נחתכות כעת לאזורים הפנימיים שלהם. אז יש לי תיקון טוב עיוותים אופטיות פוטנציאל יאפשר שילוב של חלק גדול יותר של כל תמונה לתוך תהליך mosaicing. היתרון של שיטה זו הוא כפול. ראשית, זה יגדיל את מספר התכונות זוהו כל תמונה, פוטנציאל שיפור החישוב של טרנספורמציות תמונה. שנית, היא תאפשר פני היעד אנטומיים כולו להיות משוחזרת בתוך זמן קצר יותר.

<html> כיול מצלמה הוא בעיה ידועה בתחום הראייה הממוחשב כי נחקר באינטנסיביות במשך שנתי 1, 2, 3. צעד מרכז כיול מצלמה הוא לאמוד את הפרמטרים של מודל עיוות, כמו גם פרמטרי מצלמה הפנימיים, על ידי מיצוי רשת של נקודות עם גיאומטריה ידועה מתמונות מצלמה עם דיוק תת-פיקסל. מטרות כיול עם דפוס שחמט שמציע ריבועים שחורים ולבנים משמשות למטרה זו. כתמים חוזרים להציע דפוס חלופת 4, 5, 6. בשנים האחרונות, חלה התעניינות גוברת התפתחות טכנולוגית ניווט כירורגית עבור ניתוחים עוברים, כגון היחס של התסמונת מעבר הדם בין העוברים (TTTS) על עובר&gt; 7, 8, 9, 10. כמו שדה הראייה של fetoscope (כלומר, אנדוסקופ המשמש ניתוחים עובריים) מוגבל מאוד, שיטות למיפוי כלי הדם בשליה ללא שימוש עוקבים חיצוניים הוצעו על מנת לסייע TTTS ניתוח 11, 12, 13. עיוותים אופטיים בתוך תמונות fetoscopic להיות השפעות שליליות על שיטות mosaicing חישובית אלה המסתמכים על מיצוי חזותי מידע 11. לפיכך, קיים צורך בטיפולים בעלות-יעילה ומהירה כלי פרי הניתוח כיול fetoscopes כך פיצוי עיוות אופטי יכול להיעשות בזמן אמת במהלך ההתערבות. בשל העובדה כי fetoscope הוא שקוע בתוך מי שפיר במהלך ההתערבות, הבדל מדד שבירה ביןנוזל ir ואת מי השפיר הופך שיטות כיול מצלמה-האוויר קלסיות מתאימות ניתוחים עובריים. אמידת פרמטרי מצלמה שקועת נוזל מתוך פרמטרי מצלמה-האוויר היא משימה קשה ודורשת לפחות תמונה אחת של יעד הכיול שקוע בנוזל 14. יתר על כן, פרי ניתוח, כיול מצלמת fetoscopic השקוע נוזל כיום מעשי בשל דרישות עיקור ומגבלות על החומרים מותרים בחדר הניתוח. בשל סיבות אלה, כיול אנדוסקופים עיוותים אופטיים הוא בדרך כלל לא חלק של זרימת העבודה הקלינית הנוכחית. העבודה בכתב היד הזה היא ניסיון לצמצם את פער כיול מצלמה זאת על ידי תכנון והפקת מטרת כיול עיוות אופטית sterilizable והמעשי שמציעה דפוס של חוגים סימטריים. בעבר, ונגרט et al. מפוברק מכשיר כיול מותאם אישית שמציע צלחת אלומיניום מחומצן כיעד הכיול. ספיד שלהםod, לעומת זאת, עובד רק בשילוב עם אלגוריתם כיול מותאם אישית הם פיתחו 15.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>1.2mm Metal sheet 316 Grade, 40 mm by 40 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Water container at least 50mm by 50mm by 30mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>A sterilisation package</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Seline water</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Manual metal cutter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>A file to round up the corners</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>A wooden or metal block 50 mm by 50 mm at least 10 mm thick</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>A vise (desirable but not required)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sand Blasting machine</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>GUI application to create .dxf file with the pattern (https://github.com/gift-surg/endocal)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PC</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laser Cutter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Autoclave</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>An endoscope calibration software from GitHub (http://docs.opencv.org/2.4/doc/tutorials/calib3d/camera_calibration/camera_calibration.html)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Endoscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>OpenCV camera calibration module (https://github.com/opencv/opencv)</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

medical-grade sterilizable target for fluid-immersed fetoscope optical distortion calibration

We have developed a calibration target for use with fluid-immersed endoscopes within the context of the GIFT-Surg (Guided Instrumentation for Fetal Therapy and Surgery) project. One of the aims of this project is to engineer novel, real-time image processing methods for intra-operative use in the treatment of congenital birth defects, such as spina bifida and the twin-to-twin transfusion syndrome. The developed target allows for the sterility-preserving optical distortion calibration of endoscopes within a few minutes. Good optical distortion calibration and compensation are important for mitigating undesirable effects like radial distortions, which not only hamper accurate imaging using existing endoscopic technology during fetal surgery, but also make acquired images less suitable for potentially very useful image computing applications, like real-time mosaicing. In this paper proposes a novel fabrication method to create an affordable, sterilizable calibration target suitable for use in a clinical setup. This method involves etching a calibration pattern by laser cutting a sandblasted stainless steel sheet. This target was validated using the camera calibration module provided by OpenCV, a state-of-the-art software library popular in the computer vision community.

יצרנו יעד כיול sterilizable ידי חריטה של דפוס של המעגל הסימטרי על גיליון מתכת נירוסטה מלוטשת, שעיצובו מוצג באיור 1. התקנת מופת הראה יעד כיול זה בפעולה יחד עם fetoscope מוצגת באיור 2. כדי להאכיל עיצוב זה לתוך תוכנת תחריט ליזר, יישום מותאם אישית יושם בשפת תכנות Python 16. יצירת תבנית עיצוב כרוך תחריט קווים מקבילים איטרטיבי על גיליון מתכת. עבור לקבל את דפוס צבע עקבי בסופו של דבר, המרחק בין שורות אלה צריך להיות פחות מרוחב של קרן לייזר (ראה הבלעה של איור 1) דאגות זו ערך הוא 45 מיקרומטר עבור ויולינו (Laservall) חותך לייזר. <img alt="איור 1" src="/files/ftp_upload/55298/55298fig1.jpg" /> <st<html> רונג&gt; איור 1: עיצוב של התבנית החקוקה שמציעה רשת 3-by-11 של חוגים סימטריים. הבלעה: תצוגה מוגדלת של הרשת של מעגלים סימטריים. המרחק בין השורות הוא 45 מיקרומטר (שווה לרוחב קרן לייזר), ואת כל עיגול בעל קוטר של 1 מ&quot;מ. בגדלים אחרים יוכל לשמש עבור הרשת, כמו גם, אבל זה נמצא להיות אופטימלי ביחס לשדה fetoscope מבט. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55298/55298fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 2" src="/files/ftp_upload/55298/55298fig2.jpg" /> איור 2: הגדרת Exemplar עם יעד כיול בשימוש. הטיפ של fetoscope שקוע במים מכוון אל יעד הכיול מהימין. משמאל אגורה בריטית לספק מידע בקנה מידה.&quot;Target =&quot; _ blank &quot;&gt; לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. יעד הכיול המפוברק מאפשר זיהוי של הדפוס המעגלי בזרם וידאו אנדוסקופית עם OpenCV 17, במקומות שאת אז מסודרות לתוך הרשת המעגלית מוגדר מראש אסימטרי (ראה איור 3). בעזרת מידע זה בשילוב עם גיאומטרית הרשת כבר הידועה, פרמטרי מצלמה פנימיים ניתנים לאמידה. אלה כוללים את מטריקס המצלמה ואת מקדמי עיוות. מטריצת המצלמה כוללת של אורכי מוקד ואת המרכזים האופטיים לאורך x ו- y הציר של מטוס תמונת 2D. מקדמי העיוות מבוססים על מודל בראון-Conrady 3. שים לב עבור עבודה זו, פרמטרי עיוות רדיאלי רק נאמדו. לדיון קצר של התיאוריה, עם דוגמאות מעשיות, ראה את דף האינטרנט של מודול כיול המצלמה OpenCV &lt;sup class = &quot;Xref&quot;&gt; 17 ואת ארגז כלי כיול מצלמת MATLAB 22. עוד פרטים על הליך כיול מצלמה זמינים העבודה של ג&#39;אנג 20. מאגר תוכנות endocal כולל נתונים לדוגמא של 10 צפיות אנדוסקופית של יעד הכיול המפוברק 16. שימוש במערך זה, כיול עם שגיאה מחדש הקרנת ממוצע של 0.28 פיקסלים (מינימום: 0.16, מקסימום: 0.45) הושג. זה ניתן להשוות את 0.25 פיקסלים שדווחו על ידי ונגרט et al. באמצעות אלגוריתם כיול מנהגם 15. קבוצת המחקר אותו, לעומת זאת, דיווחה על שגיאה מחדש הקרנה של 0.6 פיקסלים אחרון בעיתון יותר בעת השימוש בשיטה ב 15 לכיול מצלמה אנדוסקופית המשמשת שליה mosaicing 18. <img alt="איור 3" src="/files/ftp_upload/55298/55298fig3.jpg" /> <stרונג&gt; איור 3: זיהוי בזמן אמת של דפוס כיול. צילום מסך מתוך היישום כיול 16 המציגים את דפוס כיול זוהה מעולף על גבי זרם וידאו חי באמצעות ויזואליזציה מציאות מדומה מן OpenCV 17. שים לב שכל עמודה מזוהית של דפוס הכיול מודגשת בצבע שונה. העיגולים המזוהים, בשיתוף עם הגיאומטריה הידועה, משמשים לחישוב פרמטרי המצלמה. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55298/55298fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> פרמטרי המצלמה המוערכים משמשים תיקון עיוות אופטי. איור 4 מראה דפוס לוח שחמט מלבני, כפי שנצפה באמצעות fetoscope, שם עיוותים אופטיות להפוך את הקווים מופיעים כמו עקומות. ראוי לציין, כי הקווים נראים תקינים ב distortiעל-תיקן תמונה. <img alt="איור 4" src="/files/ftp_upload/55298/55298fig4.jpg" /> איור 4: תיקון עיוות אופטי. צילום מסך מתוך יישום הכיול 16 המציג את תמונת וידאו חיה מהקלטת fetoscope מתבנית השחמט (משמאל) עם התמונה תקנה עיוות (מימין). שלוש שורות למופת נמשכות בשני התמונות, כל מפינה אחת לאחרת, שם המסלול הוא ליניארי. עקב העיוותים האופטיות, נכתבות שורות אלה כמו עקומות בתמונות fetoscope המקוריות. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55298/55298fig4large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Medical-grade Sterilizable Target for Fluid-immersed Fetoscope Optical Distortion Calibration at JoVE.com

Medical-grade Sterilizable Target for Fluid-immersed Fetoscope Optical Distortion Calibration

This article describes the design and development of a sterilizable custom camera optical distortion calibration target for the peri-operative, fluid-immersed calibration of endoscopes during endoscopic interventions.

יעד רפואי כיתה sterilizable עבור כיול עיוות אופטי Fetoscope שקוע נוזלים

We have developed a calibration target for use with fluid-immersed endoscopes within the context of the GIFT-Surg (Guided Instrumentation for Fetal ...

medical-grade-sterilizable-target-for-fluid-immersed-fetoscope

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Bioengineering

7.6K Views.  University College London. This article describes the design and development of a sterilizable custom camera optical distortion calibration target for the peri-operative, fluid-immersed calibration of endoscopes during endoscopic interventions.

Video: Medical-grade Sterilizable Target for Fluid-immersed Fetoscope Optical Distortion Calibration

Three-dimensional Optical-resolution Photoacoustic Microscopy

Optical microscopy, providing valuable insights at the cellular and organelle levels, has been widely recognized as an enabling biomedical technology. As the mainstays of in vivo three-dimensional (3-D) optical microscopy, single-/multi-photon fluorescence microscopy and optical coherence tomography (OCT) have demonstrated their extraordinary sensitivities to fluorescence and optical scattering contrasts, respectively. However, the optical absorption contrast of biological tissues, which encodes essential physiological/pathological information, has not yet been assessable. 
The emergence of biomedical photoacoustics has led to a new branch of optical microscopy optical-resolution photoacoustic microscopy (OR-PAM)1, where the optical irradiation is focused to the diffraction limit to achieve cellular1 or even subcellular2 level lateral resolution. As a valuable complement to existing optical microscopy technologies, OR-PAM brings in at least two novelties. First and most importantly, OR-PAM detects optical absorption contrasts with extraordinary sensitivity (i.e., 100%). Combining OR-PAM with fluorescence microscopy3 or with optical-scattering-based OCT4 (or with both) provides comprehensive optical properties of biological tissues. Second, OR-PAM encodes optical absorption into acoustic waves, in contrast to the pure optical processes in fluorescence microscopy and OCT, and provides background-free detection. The acoustic detection in OR-PAM mitigates the impacts of optical scattering on signal degradation and naturally eliminates possible interferences (i.e., crosstalks) between excitation and detection, which is a common problem in fluorescence microscopy due to the overlap between the excitation and fluorescence spectra. 
Unique for optical absorption imaging, OR-PAM has demonstrated broad biomedical applications since its invention, including, but not limited to, neurology5, 6, ophthalmology7, 8, vascular biology9, and dermatology10. In this video, we teach the system configuration and alignment of OR-PAM as well as the experimental procedures for in vivo functional microvascular imaging.

Optical-resolution photoacoustic microscopy (OR-PAM) is an emerging technology capable of imaging optical absorption contrasts in vivo with cellular resolution and sensitivity. Here, we provide a visualized instruction on the experimental protocols of OR-PAM, including system configuration, system alignment, typical in vivo experimental procedures, and functional imaging schemes.

תלת ממדית ברזולוציה אופטית photoacoustic מיקרוסקופית

Optical microscopy, providing valuable insights at the cellular and organelle levels, has been widely recognized as an enabling biomedical technology. As ...

A Cre-Lox P Recombination Approach for the Detection of Cell Fusion In Vivo

The ability of two or more cells of the same type to fuse has been utilized in metazoans throughout evolution to form many complex organs, including skeletal muscle, bone and placenta. Contemporary studies demonstrate fusion of cells of the same type confers enhanced function. For example, when the trophoblast cells of the placenta fuse to form the syncytiotrophoblast, the syncytiotrophoblast is better able to transport nutrients and hormones across the maternal-fetal barrier than unfused trophoblasts1-4. More recent studies demonstrate fusion of cells of different types can direct cell fate. The "reversion" or modification of cell fate by fusion was once thought to be limited to cell culture systems. But the advent of stem cell transplantation led to the discovery by us and others that stem cells can fuse with somatic cells in vivo and that fusion facilitates stem cell differentiation5-7. Thus, cell fusion is a regulated process capable of promoting cell survival and differentiation and thus could be of central importance for development, repair of tissues and even the pathogenesis of disease.
Limiting the study of cell fusion, is lack of appropriate technology to 1) accurately identify fusion products and to 2) track fusion products over time. Here we present a novel approach to address both limitations via induction of bioluminescence upon fusion (Figure 1); bioluminescence can be detected with high sensitivity in vivo8-15. We utilize a construct encoding the firefly luciferase (Photinus pyralis) gene placed adjacent to a stop codon flanked by LoxP sequences. When cells expressing this gene fuse with cells expressing the Cre recombinase protein, the LoxP sites are cleaved and the stop signal is excised allowing transcription of luciferase. Because the signal is inducible, the incidence of false-positive signals is very low. Unlike existing methods which utilize the Cre/LoxP system16, 17, we have incorporated a "living" detection signal and thereby afford for the first time the opportunity to track the kinetics of cell fusion in vivo.
To demonstrate the approach, mice ubiquitously expressing Cre recombinase served as recipients of stem cells transfected with a construct to express luciferase downstream of a floxed stop codon. Stem cells were transplanted via intramyocardial injection and after transplantation intravital image analysis was conducted to track the presence of fusion products in the heart and surrounding tissues over time. This approach could be adapted to analyze cell fusion in any tissue type at any stage of development, disease or adult tissue repair.

A Cre-Lox P Recombination Approach for the Detection of Cell Fusion In Vivo

A method to track cell fusion in living organisms over time is described. The approach utilizes Cre-LoxP recombination to induce luciferase expression upon cell fusion. The luminescent signal generated can be detected in living organisms using biophotonic imaging systems with a sensitivity of detection of &tilde;1,000 cells in peripheral tissues.

Cre-P לקס גישה רקומבינציה לצורך זיהוי של Fusion Cell In vivo</em

The ability of two or more cells of the same type to fuse has been utilized in metazoans throughout evolution to form many complex organs, including ...

In vitro Synthesis of Native, Fibrous Long Spacing and Segmental Long Spacing Collagen

Collagen fibrils are present in the extracellular matrix of animal tissue to provide structural scaffolding and mechanical strength. These native collagen fibrils have a characteristic banding periodicity of ~67 nm and are formed in vivo through the hierarchical assembly of Type I collagen monomers, which are 300 nm in length and 1.4 nm in diameter. In vitro, by varying the conditions to which the monomer building blocks are exposed, unique structures ranging in length scales up to 50 microns can be constructed, including not only native type fibrils, but also fibrous long spacing and segmental long spacing collagen. Herein, we present procedures for forming the three different collagen structures from a common commercially available collagen monomer. Using the protocols that we and others have published in the past to make these three types typically lead to mixtures of structures. In particular, unbanded fibrils were commonly found when making native collagen, and native fibrils were often present when making fibrous long spacing collagen. These new procedures have the advantage of producing the desired collagen fibril type almost exclusively. The formation of the desired structures is verified by imaging using an atomic force microscope.

In vitro Synthesis of Native, Fibrous Long Spacing and Segmental Long Spacing Collagen

Simple and reproducible procedures are described for making three structurally distinct collagen assemblies from a common commercially available Type I collagen monomer. Native type, fibrous long spacing or segmental long spacing collagen can be constructed by varying the conditions to which the 300 nm long and 1.4 nm diameter monomer building block is exposed.

בסינתזת מבחנה של ריווח ילידים, סיבי קולגן וארך ריווח המגזרי

Collagen fibrils are present in the  extracellular matrix of animal tissue to provide structural scaffolding and  mechanical strength. These native ...

Graphene Coatings for Biomedical Implants

Atomically smooth graphene as a surface coating has potential to improve implant properties. This demonstrates a method for coating nitinol alloys with nanometer thick layers of graphene for applications as a stent material. Graphene was grown on copper substrates via chemical vapor deposition and then transferred onto nitinol substrates. In order to understand how the graphene coating could change biological response, cell viability of rat aortic endothelial cells and rat aortic smooth muscle cells was investigated. Moreover, the effect of graphene-coatings on cell adhesion and morphology was examined with fluorescent confocal microscopy. Cells were stained for actin and nuclei, and there were noticeable differences between pristine nitinol samples compared to graphene-coated samples. Total actin expression from rat aortic smooth muscle cells was found using western blot. Protein adsorption characteristics, an indicator for potential thrombogenicity, were determined for serum albumin and fibrinogen with gel electrophoresis. Moreover, the transfer of charge from fibrinogen to substrate was deduced using Raman spectroscopy. It was found that graphene coating on nitinol substrates met the functional requirements for a stent material and improved the biological response compared to uncoated nitinol. Thus, graphene-coated nitinol is a viable candidate for a stent material.

Graphene offers potential as a coating material for biomedical implants. In this study we demonstrate a method for coating nitinol alloys with nanometer thick layers of graphene and determine how graphene may influence implant response.

ציפוי גרפן עבור שתלים ביו

Atomically smooth graphene as a surface coating has potential to improve implant properties. This demonstrates a method for coating nitinol alloys with ...

Wideband Optical Detector of Ultrasound for Medical Imaging Applications

Optical sensors of ultrasound are a promising alternative to piezoelectric techniques, as has been recently demonstrated in the field of optoacoustic imaging. In medical applications, one of the major limitations of optical sensing technology is its susceptibility to environmental conditions, e.g. changes in pressure and temperature, which may saturate the detection. Additionally, the clinical environment often imposes stringent limits on the size and robustness of the sensor. In this work, the combination of pulse interferometry and fiber-based optical sensing is demonstrated for ultrasound detection. Pulse interferometry enables robust performance of the readout system in the presence of rapid variations in the environmental conditions, whereas the use of all-fiber technology leads to a mechanically flexible sensing element compatible with highly demanding medical applications such as intravascular imaging. In order to achieve a short sensor length, a pi-phase-shifted fiber Bragg grating is used, which acts as a resonator trapping light over an effective length of 350 &#181;m. To enable high bandwidth, the sensor is used for sideway detection of ultrasound, which is highly beneficial in circumferential imaging geometries such as intravascular imaging. An optoacoustic imaging setup is used to determine the response of the sensor for acoustic point sources at different positions.

Optical detection of ultrasound is impractical in many imaging scenarios because it often requires stable environmental conditions. We demonstrate an optical technique for ultrasound sensing in volatile environments with miniaturization and sensitivity levels appropriate for optoacoustic imaging in restrictive scenarios, e.g. intravascular applications.

Wideband גלאי אופטיים של אולטראסאונד ליישומי הדמיה רפואית

Optical sensors of ultrasound are a promising alternative to piezoelectric techniques, as has been recently demonstrated in the field of optoacoustic ...

Quantitative Optical Microscopy: Measurement of Cellular Biophysical Features with a Standard Optical Microscope

We describe the use of a standard optical microscope to perform quantitative measurements of mass, volume, and density on cellular specimens through a combination of bright field and differential interference contrast imagery. Two primary approaches are presented: noninterferometric quantitative phase microscopy (NIQPM), to perform measurements of total cell mass and subcellular density distribution, and Hilbert transform differential interference contrast microscopy (HTDIC)&#160;to determine volume. NIQPM is based on a simplified model of wave propagation, termed the paraxial approximation, with three underlying assumptions: low numerical aperture (NA) illumination, weak scattering, and weak absorption of light by the specimen. Fortunately, unstained cellular specimens satisfy these assumptions and low NA illumination is easily achieved on commercial microscopes. HTDIC is used to obtain volumetric information from through-focus DIC imagery under high NA illumination conditions. High NA illumination enables enhanced sectioning of the specimen along the optical axis. Hilbert transform processing on the DIC image stacks greatly enhances edge detection algorithms for localization of the specimen borders in three dimensions by separating the gray values of the specimen intensity from those of the background. The primary advantages of NIQPM and HTDIC lay in their technological accessibility using &#8220;off-the-shelf&#8221; microscopes. There are two basic limitations of these methods: slow z-stack acquisition time on commercial scopes currently abrogates the investigation of phenomena faster than 1 frame/minute, and secondly, diffraction effects restrict the utility of NIQPM and HTDIC to objects from 0.2 up to 10 (NIQPM) and 20 (HTDIC) &#956;m in diameter, respectively. Hence, the specimen and its associated time dynamics of interest must meet certain size and temporal constraints to enable the use of these methods. Excitingly, most fixed cellular specimens are readily investigated with these methods.

We describe the use of a standard optical microscope to perform quantitative measurements of cellular mass, volume, and density through a combination of bright field and differential interference contrast imagery.

מיקרוסקופיה אופטית כמותי: מדידה נייד Biophysical תכונות עם תקן מיקרוסקופ אופטי

We describe the use of a standard optical microscope to perform quantitative measurements of mass, volume, and density on cellular specimens through a ...

Optical Control of Living Cells Electrical Activity by Conjugated Polymers

Hybrid interfaces between organic semiconductors and living tissues represent a new tool for in-vitro and in-vivo applications. In particular, conjugated polymers display several optimal properties as substrates for biological systems, such as good biocompatibility, excellent mechanical properties, cheap and easy processing technology, and possibility of deposition on light, thin and flexible substrates. These materials have been employed for cellular interfaces like neural probes, transistors for excitation and recording of neural activity, biosensors and actuators for drug release. Recent experiments have also demonstrated the possibility to use conjugated polymers for all-optical modulation of the electrical activity of cells. Several in-vitro study cases have been reported, including primary neuronal networks, astrocytes and secondary line cells. Moreover, signal photo-transduction mediated by organic polymers has been shown to restore light sensitivity in degenerated retinas, suggesting that these devices may be used for artificial retinal prosthesis in the future. All in all, light sensitive conjugated polymers represent a new approach for optical modulation of cellular activity.
In this work, all the steps required to fabricate a bio-polymer interface for optical excitation of living cells are described. The function of the active interface is to transduce the light stimulus into a modulation of the cell membrane potential. As a study case, useful for in-vitro studies, a polythiophene thin film is used as the functional, light absorbing layer, and Human Embryonic Kidney (HEK-293) cells are employed as the biological component of the interface. Practical examples of successful control of the cell membrane potential upon stimulation with light pulses of different duration are provided. In particular, it is shown that both depolarizing and hyperpolarizing effects on the cell membrane can be achieved depending on the duration of the light stimulus. The reported protocol is of general validity and can be straightforwardly extended to other biological preparations.

A method for stimulation of in-vitro cell cultures electrical activity with visible light, based on the use of organic semiconducting polymers is described.

שליטה אופטית של תאי חיים פעילות חשמלית על ידי פולימרים מצומדות

Hybrid interfaces between organic semiconductors and living tissues represent a new tool for in-vitro and in-vivo applications. In particular, conjugated ...

Preparation of 3D Collagen Gels and Microchannels for the Study of 3D Interactions In Vivo

Historically, most cellular processes have been studied in only 2 dimensions. While these studies have been informative about general cell signaling mechanisms, they neglect important cellular cues received from the structural and mechanical properties of the local microenvironment and extracellular matrix (ECM). To understand how cells interact within a physiological ECM, it is important to study them in the context of 3 dimensional assays. Cell migration, cell differentiation, and cell proliferation are only a few processes that have been shown to be impacted by local changes in the mechanical properties of a 3-dimensional ECM. Collagen I, a core fibrillar component of the ECM, is more than a simple structural element of a tissue. Under normal conditions, mechanical cues from the collagen network direct morphogenesis and maintain cellular structures. In diseased microenvironments, such as the tumor microenvironment, the collagen network is often dramatically remodeled, demonstrating altered composition, enhanced deposition and altered fiber organization. In breast cancer, the degree of fiber alignment is important, as an increase in aligned fibers perpendicular to the tumor boundary has been correlated to poorer patient prognosis1. Aligned collagen matrices result in increased dissemination of tumor cells via persistent migration2,3. The following is a simple protocol for embedding cells within a 3-dimensional, fibrillar collagen hydrogel. This protocol is readily adaptable to many platforms, and can reproducibly generate both aligned and random collagen matrices for investigation of cell migration, cell division, and other cellular processes in a tunable, 3-dimensional, physiological microenvironment.

Preparation of 3D Collagen Gels and Microchannels for the Study of 3D Interactions In Vivo

Collagen is a core component of the ECM, and provides essential cues for several cellular processes ranging from migration to differentiation and proliferation. Provided here is a protocol for embedding cells within 3D collagen hydrogels, and a more advanced technique for generating randomized or aligned collagen matrices using PDMS microchannels.

הכנת ג&#39;לי 3D קולגן microchannels לחקר אינטראקציות 3D<em&gt; In vivo</em

Historically, most cellular processes have been studied in only 2 dimensions.  While these studies have been informative about general cell signaling ...

Multicolor Fluorescence Detection for Droplet Microfluidics Using Optical Fibers

Fluorescence assays are the most common readouts used in droplet microfluidics due to their bright signals and fast time response. Applications such as multiplex assays, enzyme evolution, and molecular biology enhanced cell sorting require the detection of two or more colors of fluorescence. Standard multicolor detection systems that couple free space lasers to epifluorescence microscopes are bulky, expensive, and difficult to maintain. In this paper, we describe a scheme to perform multicolor detection by exciting discrete regions of a microfluidic channel with lasers coupled to optical fibers. Emitted light is collected by an optical fiber coupled to a single photodetector. Because the excitation occurs at different spatial locations, the identity of emitted light can be encoded as a temporal shift, eliminating the need for more complicated light filtering schemes. The system has been used to detect droplet populations containing four unique combinations of dyes and to detect sub-nanomolar concentrations of fluorescein.

Multicolor fluorescence detection in droplet microfluidics typically involves bulky and complex epifluorescence microscope-based detection systems. Here we describe a compact and modular multicolor detection scheme that utilizes an array of optical fibers to temporally encode multicolor data collected by a single photodetector.

ססגוניות קרינת איתור עבור מיקרופלואידיקה אגל באמצעות סיבים אופטיים

Fluorescence assays are the most common readouts used in droplet microfluidics due to their bright signals and fast time response. Applications such as ...

Targeted Plasma Membrane Delivery of a Hydrophobic Cargo Encapsulated in a Liquid Crystal Nanoparticle Carrier

The controlled delivery of drug/imaging agents to cells is critical for the development of therapeutics and for the study of cellular signaling processes. Recently, nanoparticles (NPs) have shown significant promise in the development of such delivery systems. Here, a liquid crystal NP (LCNP)-based delivery system has been employed for the controlled delivery of a water-insoluble dye, 3,3&#8242;-dioctadecyloxacarbocyanine perchlorate (DiO), from within the NP core to the hydrophobic region of a plasma membrane bilayer. During the synthesis of the NPs, the dye was efficiently incorporated into the hydrophobic LCNP core, as confirmed by multiple spectroscopic analyses. Conjugation of a PEGylated cholesterol derivative to the NP surface (DiO-LCNP-PEG-Chol) enabled the binding of the dye-loaded NPs to the plasma membrane in HEK 293T/17 cells. Time-resolved laser scanning confocal microscopy and F&#246;rster resonance energy transfer (FRET) imaging confirmed the passive efflux of DiO from the LCNP core and its insertion into the plasma membrane bilayer. Finally, the delivery of DiO as a LCNP-PEG-Chol attenuated the cytotoxicity of DiO; the NP form of DiO exhibited ~30-40% less toxicity compared to DiOfree delivered from bulk solution. This approach demonstrates the utility of the LCNP platform as an efficient modality for the membrane-specific delivery and modulation of hydrophobic molecular cargos.

A liquid crystal nanoparticle (LCNP) nanocarrier is exploited as a vehicle for the controlled delivery of a hydrophobic cargo to the plasma membrane of living cells.

משלוח הממברנה ממוקד על Encapsulated מטענים הידרופובי בנושאת Nanoparticle קריסטל נוזלת

The controlled delivery of drug/imaging agents to cells is critical for the development of therapeutics and for the study of cellular signaling processes. ...

יעד רפואי כיתה sterilizable עבור כיול עיוות אופטי Fetoscope שקוע נוזלים

Summary

Explore More Videos

Chapters in this video