Számítógépes Optikai Érzékelés és Feldolgozás
Kutatólaboratórium

Digitális Holografikus Mikroszkóp Csoport

Labortagok

Vezető: Zarándy Ákos PhD DsC
Kutatók: Orzó László PhD, Tőkés Szabolcs, PhD
PhD diák: Kiss Márton és több BSc, MSc hallgató
Mérnökök: Wittner Balázs

Kapcsolat

Kutatási célkitűzések, módszerek

  • Automatikus biológiai vízminőség monitorozás
  • Morfológiai adatbázisra épülő objektum felismerés egy teljes térfogatban
  • Színes Digitális Holografikus Mikroszkóp
  • A vizsgált térfogat 200 szorosa a hagyományos mikroszkóppal elérhetőnek
  • Detektálás, felismerés, osztályozás, illetve az előforduló algák, baktériumok, férgek (indikátor fajok) számlálása.
  • Átvizsgálás sebessége: 2µl/sec (nem ivóvíz), illetve 0.5L/h (ivóvíz)
  • Automatikus riasztás környezetszennyezés, illetve egészségügyi vészhelyzet esetén.

Digitális holografikus mikroszkópot használva nagyságrendekkel nagyobb térfogatról nyerünk információt, mint hagyományos mikroszkóp alkalmazása esetén lehetséges lenne. Ezzel egy olyan folyadékvizsgáló berendezés hozható létre, amely képes megtalálni, kijelölni, és azonosítani az objektív elötti térfogatban áthaladó objektumokat. A jelenlegi berendezésünk a természetes vizekben illetve ivóvizeinkben található mikrobiológiai lényeket képes felismerni és megszámolni. A nem kívántak elszaporodását riasztással tudja jelezni a berendezés.

OpticalSetup

Az in-line holografikus mikroszkóp által rögzített hologram a fényforrásból jövő referencia és az azzal megvilágított, tárgyról szóródó tárgyhullám interferenciaképe. Hagyományos mikroszkóppal ellentétben fókuszon kívüli képet, hologramot veszünk fel, melybol aztán numerikus rekonstrukció útján állítjuk elő a térfogat különböző mélységeiben levő síkok éles képét, mintha virtuális z irányú szkennelést hajtanánk végre. Berendezésünk képes az 1µm-es laterális felbontásra az 1mm3-es vizsgált térfogaton belül. Egy hologramból történő teljes szoftveres rekonstrukció idejét a GPU programozásnak köszönhetően 1 másodperc alá csökkentettük. A mikroszkóp egy színes videokamera segítségével 2 kép/s-es sebességgel rögzíti a hologramokat, így a térfogat átvizsgálási sebességünk eléri a 2µl/s-et. Nagy mennyiségű híg minta - mint például az ivóvíz - átvizsgálásához egy elősűrítő berendezést készítettünk, amely a 0,45µm-nél nagyobb részecskéket elválasztja a vizsgálathoz.

A második prototípus DHM egység

A képminőség javítása érdekében, a felvett hologramot tartalmazó képet több lépésben numerikusan javítjuk. Kiemeljük, hogy a különböző objektumok diffrakcióinak átfedéséből való zajok megszüntethetőek, illetve az aktív háttér kompenzáció segítségével az optikai útban lévő porszemek hatása eltüntethető.

Felvett hologram és a belőle rekonstruált alga képe

A rekonstruált és szegmentált objektumokat egy PC-n tároljuk el az adaptív modell alapú adatbázis és az azonosító algoritmus számára. A biológiai mikroorganizmusok adatbázisát különbözo tulajdonságok mérésén alapuló eljárás hozza létre. A gépi tanuló eljárás a felvett képek elemzése alapján megkülönbözteti az egyes alga típusokat. Jelenleg 1 liter víz teljes átvizsgálásának és számítógépes feldolgozásának ideje 2 óra, mely emberi jelenlétet nem igényel. További aktív kutatásokat folytatunk a rendszer teljesítményének növelése érdekében, illetve a teljesen automatikus és üzembiztos muködés kialakításához.

Fejlesztések

Az 1. prototípus rendszer szerkezete

A 2. prototípus rendszer szerkezete

A DHM prototípus komponensei

laser pump sample holder microscope camera condenser coupler

Rekonstrukciók

Színes DHM eloadás

Alga hologram és rekonstrukció

Alga hologram és rekonstrukció

Alga hologram és rekonstrukció

Infrastruktúra

  • Speciális, három színű, szálcsatolt lézer megvilágító egység
  • Rekonstrukciós programok (GPU-val gyorsított)
  • Átfolyós mérő cella
  • DHM Microorganizmus adatbázis
  • Mikroszkópok, objektívek
  • Optikai laboratóriumi eszközök

Alkalmazás - DHM magasabb rendű mikroszkopikus lények számlálására

Az algákra specializált DHM fejlesztése közben felkérést kaptunk egy egyszerűsített DHM berendezés konstruálására is, ami a vízben élő, lebegő nagyobb objektumok (20µm-150µm) keresését, felismerését és számolását teszi lehetővé. Ebben a rendszerben nincs szükség nagyításra, így nem használunk sem lencsét, sem pedig objektívet. A magasabb rendű mikroszkopikus állati szervezetek (különböző féreg-taxonok) éppen ebbe a vizsgálati mérettartományba esnek, így a létrehozott lencse nélküli DHM készülék alkalmazási területe ezeknek az élőlényeknek a hatékony, gyors számolása. Mivel ezeknek a szervezeteknek a színe nem specifikus, így a háromszínű koherens megvilágítás helyett csak egyetlen lézert használunk. A mechanikai rendszer egyszerűsítésével robusztus, ipari környezetben is használható berendezést kaptunk, ami óránként 2,5 liter víz teljes átvizsgálására képes. A műszer további fejlesztését partnercégünk, a Knot Kft. végzi szoros együttműködésben kutatócsapatunkkal.

A berendezés legújabb változata:

A berendezést sikeresen teszteltük egy vízműnél, ahol az alkalmazott vízszűrő rendszer tisztításának az eredményességét lehetett vele valós időben ellenőrizni. A pilot során a vízkivételi ponton a technológiát támogatva a vízügyi szakemberek munkáját több ponton is segíteni tudtuk:
  • a tisztítási művelet ütemezésének pontosítása;
  • a tisztítási műveletek hatékonyságának gyakori monitorozása (közel valós időben);
  • energia-megtakarítás;
  • a tisztításhoz használt vízmennyiség csökkentése;
  • a tisztítás hatékonyságának kényelmes ellenőrzése.

A tesztelés folyamán mért féregszámok csökkenése jól mutatja az alkalmazott tisztítási módszer hatékonyságát és a különböző eljárások, műveletek hatását a féregszám alakulására.

Partnereink

Publikációk

  • Z. Göröcs, M. Kiss, V. Tóth, L. Orzó, and S. Tőkés. "Multicolor digital holographic microscope (dhm) for biological purposes." 7568:75681P, 2010. cikk
  • Z. Göröcs, L. Orzó, M. Kiss, V. Tóth, and S. Tőkés. "In-line color digital holographic microscope for water quality measurements." 7376:737614, 2010. cikk
  • L. Orzó, Z. Göröcs, I. Szatmári, and S. Tőkés. "Gpu implementation of volume reconstruction and object detection in digital holographic microscopy." In Cellular Nanoscale Networks and Their Applications (CNNA), 2010 12th International Workshop on, pages 1–4. IEEE, 2010. cikk
  • M.Z. Kiss, Z. Göröcs, and S. Tőkés. " Self-referenced digital holographic microscopy." In Cellular Nanoscale Networks and Their Applications (CNNA), 2012 13th International Workshop on, pages 1–4. IEEE, 2012. cikk
  • S. Tőkés and L. Orzó. "Afocal digital holographic microscopy and its advantages." In Cellular Nanoscale Networks and Their Applications (CNNA), 2012 13th International Workshop on, pages 1–5. IEEE, 2012. cikk
  • B. Nagy and S. Tőkés. "Study on application of reference conjugated hologram for aberration correction of multiple object planes." In Cellular Nanoscale Networks and Their Applications (CNNA), 2012 13th International Workshop on, pages 1–4. IEEE, 2012. cikk
  • L. Orzó, A. Fehér, and S. Tőkés. "Advanced background elimination in digital holographic microscopy." In Cellular Nanoscale Networks and Their Applications (CNNA), 2012 13th International Workshop on, pages 1–5. IEEE, 2012. cikk
  • L. Orzó, Z. Göröcs, A. Fehér, and S. Tőkés. "In-line hologram segmentation for volumetric samples. Applied Optics, 52(1):A45–A55, 2013. cikk
    This paper was published in Applied Optics and is made available as an electronic reprint with thepermission of OSA. The paper can be found at the following URL on the OSA website: 10.1364/AO.52.000A45. Systematic or multiple reproduction or distribution to multiple locations via electronic or other means is prohibited and is subject to penalties under law.
  • László Orzó, Balázs Wittner, and Szabolcs Tőkés. " High speed water monitoring systems based on digital holographic microscopy. " In Computer Science and Information Technologies (CSIT), 2013, pages 1–9, Sept 2013. (doi: 10.1109/CSITechnol.2013.6710366) cikk
  • M. Kiss, B. Nagy, P. Lakatos, Z. Göröcs, S. Tőkés, B. Wittner, and L. Orzó, "Special multicolor illumination and numerical tilt correction in volumetric digital holographic microscopy," Opt. Express 22, 7559-7573 (2014). cikk
  • L. Orzó, "High speed phase retrieval of in-line holograms by the assistance of corresponding off-axis holograms," Opt. Express 23(13), 16638-16649 (2015). pdf

Díjak

FET'11, Kiállítók között 3. díj

Szolgáltatás

Berendezés teszteléséhez szívesen fogadunk vízmintákat (korlátozott számban, ingyen). Elemezzük a minta összetételét: különbözo algák, mikroorganizmusok és egyéb objektumok szerint. A beküldot tájékoztatjuk a mérés eredményérol, a minta tartalmáról.

Támogatások

A projektet a Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal támogatta (NKTH 1981822A) “Vízbiológiai Digitális Holografikus Mikroszkóp (DHM), mint korai környezeti vészjelzo rendszer” címen. További támogatónk a Fovárosi Vízmuvek.