Deconvolution

복잡한 3차원 객체의 Optical Microscope Imaging

배경 및 문제점

기존 광학 현미경의 한계

일반 광학 현미경의 경우, 조직을 얇은 sections(절편)으로 잘라서 검사해야 한다:

  • Section이 얇을수록 이미지가 더 선명함
  • 그러나 sectioning 시 세 번째 차원에 대한 정보가 손실됨

근본적인 문제들

1. 3차원 구조 파악의 어려움

  • 세포나 조직의 three-dimensional architecture(3차원 구조)를 어떻게 파악할 것인가?
  • Sections으로 먼저 자를 수 없는 표본의 microscopic structure를 어떻게 볼 것인가?

2. Out-of-focus Blur 문제

Optical microscope가 three-dimensional specimen 내의 특정 focal plane(초점 평면)에 초점을 맞출 때:

  • 초점 평면 위아래의 표본의 다른 모든 부분도 조명됨
  • 이러한 영역에서 발생하는 빛이 out-of-focus blur로 이미지에 기여함

문제점:

  • 이미지를 상세히 해석하기 매우 어려움
  • 미세한 이미지 구조가 out-of-focus light에 의해 가려질 수 있음

해결 방법: 두 가지 보완적 접근법

복잡한 three-dimensional 구조를 다루기 위한 두 가지 서로 다르지만 보완적인 접근법:

  1. Computational approach(계산적 접근) → Image deconvolution
  2. Optical approach(광학적 접근)Confocal microscopy

공통 목표

두 방법 모두 다음을 가능하게 한다:

  • 두꺼운 표본에서 선택한 평면에 초점을 맞춤
  • 그 평면 위아래의 out-of-focus 영역에서 나오는 빛을 제거
  • 따라서 선명하고 얇은 optical section(광학 절편) 확보

Three-dimensional Image 재구성

  • 서로 다른 깊이에서 촬영한 일련의 optical sections을 computer에 저장
  • Three-dimensional image를 재구성 가능 (Movie 9.1 참조)

비유:

  • 현미경 관찰자를 위해 CT scanner가 방사선 전문의를 위해 하는 것과 동일한 작업
  • 두 기계 모두 온전한 구조의 내부에 대한 상세한 sectional views 제공

Image Deconvolution의 원리

Computational Approach

Image deconvolution은 종종 computational approach라고 불린다.

Point Spread Function(PSF)의 이해

기본 개념

빛의 파동 특성 때문에:

  • Microscope lens system은 점 광원의 이미지를 작은 흐릿한 disc로 생성 (Figure 9-4 참조)
  • 점 광원이 focal plane 위나 아래에 있으면 blurring이 증가

Point spread function(점 확산 함수):

  • 점 광원의 이 흐릿한 이미지를 point spread function이라고 함
  • Figure 9-29 참조

PSF를 이용한 Image 형성 이해

복잡한 객체의 이미지는 다음과 같이 생각할 수 있다:

  1. Three-dimensional specimen의 각 점을 해당하는 blurred disc로 교체
  2. 결과적으로 전체적으로 흐릿한(blurred) 이미지 생성

Deconvolution 과정

기본 원리

Computer program이 다음을 수행:

  1. 특정 현미경에서 점 광원의 측정된 point spread function 사용
  2. 이미지에 대한 blurring의 효과가 무엇이었을지 결정
  3. 동등한 “deblurring” (deconvolution) 적용
  4. 흐릿한 three-dimensional image를 일련의 깨끗한 optical sections으로 변환

제약사항

  • Diffraction limit(회절 한계)에 의해 여전히 제약됨 없는 정보를 만들어내지 못한다는 뜻.
  • 그러나 out-of-focus blur를 효과적으로 제거하여 각 광학 절편을 선명하게 만듦

Figure 9-23: Image Deconvolution 예시

실험 대상

Caenorhabditis elegans embryo(배아)의 light micrograph

염색

  • Microtubules: 녹색 형광 표지
  • Mitochondria: 빨간색 형광 표지
  • DNA: 파란색 형광 표지

결과 비교

(A) Deconvolution 전

  • 특정 초점 수준의 세부 사항이 표본의 out-of-focus levels에서 나온 빛으로 인해 흐릿함

(B) Deconvolution 후

  • Three-dimensional stack of images의 deconvolution 후
  • 동일한 초점 수준의 optical section이 훨씬 더 선명한 이미지를 보여줌
  • 더 많은 contrast와 훨씬 감소된 blurring

Image Deconvolution의 장단점

장점

  1. 완전한 photon 수집

    • Deconvolution systems에 사용되는 CMOS cameras는 방출되는 거의 모든 photon을 수집하는 데 매우 효율적
  2. 약한 표본에 적합

    • 너무 약하게 염색된 표본에서도 상세한 three-dimensional images 생성 가능
    • Confocal microscopy에 사용되는 밝은 빛으로 쉽게 손상되는 표본에 적합
  3. 낮은 광 노출

    • 살아있는 세포를 장시간 관찰할 때 광 손상 최소화

단점 및 한계

두께 제한

  • 표본 깊이 약 40 μm 이상에서는 빠르게 효과가 떨어짐
  • 이는 confocal microscope(약 150 μm)보다 더 제한적

Confocal Microscopy와의 비교

Confocal microscopy가 더 나은 경우:

  • High levels of out-of-focus light가 있는 두꺼운 표본(150 μm)
  • 사용이 더 쉬움
  • 최종 optical sections을 빠르게 볼 수 있음

Deconvolution이 더 나은 경우:

  • 약하게 염색된 표본
  • 밝은 빛에 민감한 표본
  • 높은 photon 수집 효율이 필요한 경우

의료 영상과의 유사성

CT Scanner와의 비교

Image deconvolution과 confocal microscopy가 현미경 관찰자를 위해 하는 것: = CT (Computed Tomography) scanner가 방사선 전문의를 위해 하는 것

공통점:

  • 온전한 구조의 내부에 대한 상세한 sectional views 제공
  • 서로 다른 수단을 통해 동일한 목적 달성

재구성 원리

두 기술 모두:

  1. 여러 각도/깊이에서 데이터 수집
  2. Computer를 사용하여 three-dimensional 정보 재구성
  3. 내부 구조의 상세한 단면도 생성

요약

핵심 개념

Image deconvolution은:

  • Computational method(계산적 방법)
  • Point spread function을 이용하여 blur 제거
  • 여러 깊이의 이미지를 선명한 optical sections으로 변환

주요 특징

  1. 비파괴적: 빛을 측정한 후 computer processing으로 처리
  2. 효율적 photon 수집: CMOS cameras 사용
  3. 약한 신호에 강함: 낮은 광량에서도 작동
  4. 제한된 두께: 약 40 μm까지 효과적

응용 분야

  • 살아있는 세포의 three-dimensional imaging
  • 약하게 염색된 표본의 고해상도 imaging
  • 광 손상에 민감한 표본의 장기 관찰
  • 세포 내 organelles와 구조의 3D 재구성

Figure 설명

Figure 9-23: Image Deconvolution

(A) Deconvolution 전의 Light Micrograph

  • 표본: Caenorhabditis elegans embryo
  • 염색:
    • Microtubules: 녹색 형광 표지
    • Mitochondria: 빨간색 형광 표지
    • DNA: 파란색 형광 표지
  • 문제점: 특정 초점 수준의 세부 사항이 표본의 out-of-focus levels에서 나온 빛으로 인해 흐릿함

(B) Deconvolution 후

  • Three-dimensional stack of images의 deconvolution 수행
  • 동일한 초점 수준의 optical section
  • 개선사항:
    • 훨씬 더 선명한 이미지
    • 더 많은 contrast
    • 훨씬 감소된 blurring

출처: D. Sage et al., Methods 115:28-41, 2017, doi 10.1016/j.ymeth.2016.12.015. With permission from Elsevier.

Figure 9-29: Point Spread Function (추가 참조)

Point spread function이 lens의 resolution을 결정한다:

(A) 3D Blurring

  • 점 광원이 lens system으로 초점을 맞출 때
  • Diffraction effects로 인해 점으로 imaging되지 않고 모든 차원에서 흐릿해짐
  • Point spread function이 elongated(길쭉한) 형태
  • 의미: XY축에서의 resolution이 Z축보다 우수

(B) Gaussian Distribution

  • 이미지 평면에서 빛의 분포가 Gaussian distribution에 근사
  • 이상적인 조건에서 half-maximum에서의 width는 약 200 nm

(C) Resolution Limit

  • 약 200 nm 떨어진 두 개의 별도 점 광원
  • 이미지에서 여전히 별도의 객체로 구별 가능
  • 이보다 가까우면 이미지가 겹쳐서 분해 불가능

참고 문헌

  • Chapter 9: Visualizing Cells and Their Molecules
  • Section: “Imaging of Complex Three-dimensional Objects Is Possible with the Optical Microscope”
  • Related Figures: 9-4, 9-23, 9-29
  • Related Movie: Movie 9.1
  • 관련 기술: Confocal Microscope