Libro bianco
Rivoluzionare la Microscopia Confocale
FLUOVIEW Smart™ Il software introduce flussi di lavoro intuitivi e potenziati dall'intelligenza artificialeWorkflows
I microscopi confocali a scansione laser sono diventati strumenti indispensabili nelle scienze della vita e nella ricerca medica, permettendo l'osservazione ad alta risoluzione e l'analisi tridimensionale di campioni biologici come cellule e tessuti.
Sono ampiamente utilizzati in campi come la biologia cellulare, le neuroscienze, e la biologia dello sviluppo, fungendo da tecnologia fondamentale che supporta la qualità e la riproducibilità della ricerca.
Per soddisfare le diverse esigenze della ricerca, i microscopi confocali si sono evoluti per offrire funzionalità sempre più avanzate e una maggiore flessibilità nelle condizioni di imaging. Tuttavia, questi progressi hanno anche portato a interfacce software più complesse, creando sfide significative—soprattutto per gli utenti inesperti—come una configurazione che richiede molto tempo, un rischio maggiore di errori operativi e una minore efficienza nei flussi di lavoro di ricerca.
Sfide poste dalle interfacce software confocali complesse
- Curva di Apprendimento Elevata: Padroneggiare l'operazione richiede molto tempo, ritardando l'inizio della ricerca. I principianti faticano a capire come iniziare, il che li porta a chiedere aiuto più volte a utenti esperti o istruttori.
- Efficienza ridotta a causa di un funzionamento errato: Con numerose impostazioni e funzioni difficili da trovare, i flussi di lavoro diventano frammentati. Gli errori possono causare la perdita di dati o il danneggiamento dei campioni, rendendo necessaria una costosa nuova acquisizione delle immagini o una nuova sperimentazione.
- Problemi negli ambienti condivisi: Quando più utenti con diversi livelli di esperienza condividono lo stesso sistema, modifiche inosservate alle impostazioni possono dare luogo a condizioni di imaging indesiderate, campioni sprecati e la necessità di ripetere gli esperimenti.
Per affrontare queste problematiche è necessaria un'interfaccia software intuitiva, semplificata e progettata in base ai flussi di lavoro degli utenti.
Ottimizzazione dell'esperienza utente con
Il software confocale FLUOVIEW Smart di Evident è progettato per aiutare gli utenti di tutti i livelli di competenza a utilizzare il microscopio a scansione laser FLUOVIEW™ FV5000 con sicurezza ed efficienza. Impiega tre approcci chiave per ridurre l'onere operativo e migliorare la produttività e la riproducibilità della ricerca.
Interfaccia Utente Grafica e Guida su Schermo per Ridurre i Costi di Apprendimento
Le operazioni di base del microscopio, come le impostazioni dell'intervallo Z e la selezione dell'obiettivo, non sono semplice configurazioni, ma informazioni essenziali per comprendere lo stato attuale del sistema. FLUOVIEW Smart visualizza graficamente queste impostazioni, consentendo agli utenti di comprenderne intuitivamente il significato e l'impatto (Figure 1 e 2).
Le guide su schermo aiutano ulteriormente gli utenti a svolgere le attività senza confusione, riducendo la necessità di una supervisione costante e consentendo l'acquisizione autonoma dei dati.
Figura 1. Schermata di impostazione dell'intervallo Z. Le posizioni di inizio e fine dell'acquisizione delle immagini, nonché la posizione di osservazione corrente, sono chiaramente visibili a colpo d'occhio.
Figura 2. Schermata di selezione dell'obiettivo. Gli utenti possono selezionare intuitivamente l'obiettivo desiderato e quello attualmente attivo è facilmente identificabile.
Layout Basato Sulla Priorità Funzionale
Invece di concentrare tutte le funzioni in un'unica schermata, il software FLUOVIEW Smart™ le organizza gerarchicamente in base alla frequenza e all'importanza. I controlli critici, come la potenza del laser, la portata della scansione e le impostazioni dello Z-stack, sono sempre facilmente accessibili, allineandosi al flusso di lavoro naturale (rilevamento del campione → impostazione delle condizioni → acquisizione delle immagini). Questa progettazione reduce al minimo i tempi di ricerca e riduce significativamente il rischio di errori.
Ripristino e Layout Automatico Basato sullo Scopo
Per evitare problemi negli ambienti condivisi, il software FLUOVIEW Smart ripristina le impostazioni predefinite all'avvio. Allo stesso tempo, consente agli utenti di salvare e richiamare le configurazioni precedenti per la riproducibilità. Inoltre, la selezione di uno scopo di imaging (ad esempio, Z-stack, time-lapse, cucitura multiarea) regola automaticamente il layout e la guida, fornendo un'interfaccia ottimale sia per i principianti che per gli esperti (Figura 3)..
Figura 3. Schermata di selezione della finalità. Il layout e la guida sullo schermo si adattano automaticamente in base all'obiettivo selezionato.
Assistenza basata sull'intelligenza artificiale per utenti principianti
Oltre a semplificare l'interfaccia, il software FLUOVIEW Smart™ sfrutta l'intelligenza artificiale per automatizzare e ottimizzare i passaggi che risultano particolarmente difficili per i principianti.
Rilevamento automatico dei campioni
A causa dei principi ottici della microscopia confocale, se il campione è fuori fuoco in XY o Z, lo schermo potrebbe apparire vuoto—lasciando gli utenti inesperti incerti se il problema sia dovuto alle impostazioni o a un malfunzionamento dell'hardware. Per affrontare questa sfida, Evident ed Epistra—sfruttando la loro comprovata esperienza nello sviluppo dell'intelligenza artificiale per le scienze della vita—hanno sviluppato congiuntamente un algoritmo di riconoscimento delle immagini che commuta automaticamente il microscopio su uno stato ottimale per la ricerca del campione e identifica la regione del campione. Ciò semplifica e accelera notevolmente un processo che in precedenza risultava difficile per i principianti (Figura 4).
Figura 4. L'elevata difficoltà nella ricerca del campione nella microscopia confocale a scansione laser può portare a uno schermo vuoto (immagine a destra)
La Figura 5 illustra il flusso di lavoro complessivo per la stima della posizione del campione.
Il sistema è progettato per imitare l'approccio dell'utente esperto: Esecuzione di un allineamento grossolano degli assi Z e XY utilizzando un obiettivo a basso ingrandimento (4X), seguito da regolazioni fini con un obiettivo ad alto ingrandimento (10X).
Nello specifico, il sistema esegue in sequenza i quattro passaggi seguenti per determinare automaticamente la posizione ottimale del campione.
RICERCA Z (4X)
Questa fase esegue una ricerca sequenziale* utilizzando un obiettivo 4X per identificare approssimativamente la posizione Z ottimale all'interno dell'intervallo di ricerca. In ogni posizione Z candidata viene acquisita un'immagine e l'IA ne valuta il relativo punteggio di messa a fuoco. Sulla base di questi risultati, il sistema aggiorna autonomamente la successiva posizione Z da esplorare, iterando fino a raggiungere la posizione con il punteggio di messa a fuoco più alto. L'intervallo di ricerca Z viene impostato in modo appropriato in base alla selezione effettuata dall'utente nella procedura guidata.
RICERCA XY (4X)
Utilizzando l’immagine acquisita con l’obiettivo 4X, il tavolino XY viene spostato in modo che la regione con la luminosità locale più elevata sia centrata sullo schermo. Prima di questo processo, il sistema rileva artefatti predefiniti (es. bordi del contenitore). Se vengono rilevati artefatti, viene visualizzato un avviso e il processo si interrompe. L'utente può quindi regolare manualmente la posizione XY del campione secondo necessità.
RICERCA Z (10X)
Dopo aver sostituito l'obiettivo con uno da 10X, il sistema esegue una ricerca sequenziale per individuare la posizione Z ottimale nell’intervallo. L'intervallo di ricerca Z viene determinato in base alla posizione Z ottimale rilevata a 4X e alla risoluzione Z dell'obiettivo 4X.
RICERCA XY (10X)
Nell'immagine 10X, la fase XY viene spostata in modo che la regione con la luminosità locale più elevata sia centrata sullo schermo. Dopo questo processo, il sistema mostra all'utente l'immagine corrente del microscopio, completando la procedura di ricerca.
Figura 5. Flusso di lavoro complessivo per la stima della posizione del campione:
RICERCA Z (4X)
- Eseguire una scansione approssimativa del campione lungo l'asse Z con l'apertura confocale aperta.
- Impostare l'apertura confocale su 1 unità di Airy e regolare con precisione la posizione Z per una messa a fuoco ottimale.
RICERCA XY (4X)
- Rilevamento delle anomalie tramite IA (se il campione non viene rilevato o se viene rilevato il bordo del coprioggetto/pozzetto).
- Spostare il tavolino in un punto più luminoso del campione.
- Rifletti l'immagine 4X sulla mappa.
RICERCA Z (10X)
- Eseguire una scansione approssimativa del campione lungo l'asse Z con l'apertura confocale aperta.
- Regola con precisione la posizione Z con l'apertura confocale impostata a 1 unità Airy per una messa a fuoco ottimale.
Ricerca XY (10X)
- Spostare il tavolino in un punto più luminoso del campione.
*Ricerca sequenziale: un metodo che esplora la posizione del campione mediante la cattura sequenziale di immagini su un intervallo di ricerca definito.
Ottimizzazione delle condizioni di imaging
Nella microscopia confocale a scansione laser convenzionale, esiste un compromesso intrinseco tra la sensibilità del rilevatore e la potenza del laser, che richiede tentativi ed errori per trovare le impostazioni ottimali. I principianti spesso si trovano ad affrontare il dilemma che aumentare la sensibilità introduce più rumore, mentre aumentare la potenza del laser rischia di danneggiare il campione (Figura 6). Di conseguenza, determinare le condizioni di imaging appropriate può essere richiedere molto tempo.
Evident affronta questa sfida con la sua tecnologia proprietaria di nuova generazione SilVIR™ per rilevatore, che elimina la necessità di regolare la sensibilità del rilevatore. Ciò riduce il numero di parametri che gli utenti devono configurare, semplificando il funzionamento. Di conseguenza, impostare la potenza del laser per ottenere il contrasto appropriato diventa il fattore più critico che influenza la qualità dell'immagine.
FLUOVIEW Smart™ software determina automaticamente la potenza laser ottimale in base all'analisi delle immagini in tempo reale e alle previsioni di apprendimento automatico. Gli utenti possono facilmente applicare impostazioni personalizzate selezionando una modalità in base alla priorità tra la minimizzazione dei danni al campione e la massimizzazione del contrasto.
POTENZA LASER TROPPO ELEVATA
Una potenza laser troppo elevata provoca un'elevata fototossicità.
Figura 6. Compromesso tra potenza laser e qualità dell'immagine.
POTENZA LASER TROPPO BASSA
Una potenza laser troppo bassa produce immagini rumorose.
Il processo complessivo è il seguente:
SELEZIONE DELLA MODALITÀ
L'utente seleziona una delle tre modalità—Delicato, Bilanciato o Qualità—in base alla priorità tra protezione del campione e contrasto dell'immagine.
REGOLAZIONE AUTOMATICA DELLA POTENZA LASER
- Quando l'utente clicca sul pulsante di esecuzione, il sistema imposta automaticamente la potenza laser ottimale e completa il processo. Durante l'esecuzione, i seguenti passaggiavvengono internamente:
- Vengono acquisite quattro immagini a diversi livelli di potenza laser.
Per ogni immagine, il sistema calcola un punteggio AI come Un indicatore della qualità dell'immagine (fasi 1–3 nella Figura 7). I punteggi AI vengono tracciati e, in base al grafico e alla modalità selezionata, il sistema stima la potenza laser ottimale (passaggio 4 nella Figura 7).
Figura 7.Concetto alla base della stima della potenza laser con i seguenti passaggi: 1: 2: Prevedere immagini pulite e con basso rumore a partire dall'immagine grezza utilizzando l'IA Confronta l'immagine prevista dal modello con l'immagine grezza originale, quindi calcola un coefficiente di correlazione (AI score) tra l'immagine prevista e l'immagine grezza originale. Un punteggio alto corrisponde a una situazione stabile con un basso livello di rumore, mentre un punteggio basso corrisponde a una situazione instabile con un alto livello di rumore. 4. Stimare la potenza laser ottimale in base alla modalità selezionata
Nota: Il punteggio AI è simile al rapporto segnale/rumore (SNR) dell'immagine, sebbene leggermente diverso. Il punteggio aumenta con la potenza del laser, riflettendo una migliore qualità dell'immagine dovuta alla riduzione del rumore. La regione del plateau della curva del punteggio AI indica un'impostazione appropriata della potenza laser:
In questo intervallo, ulteriori aumenti della potenza laser producono miglioramenti trascurabili nella qualità dell'immagine, rendendoli inefficienti.
Conclusione
Il software confocale FLUOVIEW Smart™ semplifica l'interfaccia per i microscopi a scansione laser FLUOVIEW™ FV5000 e migliora i flussi di lavoro grazie all'intelligenza artificiale (Figura 8).
- Le interfacce software complesse rappresentano un ostacolo significativo per gli utenti inesperti.
- La semplificazione è ottenuta attraverso funzionalità prioritarie, una progettazione operativa basata sul flusso di lavoro e un'interfaccia utente grafica.
- L'intelligenza artificiale automatizza il rilevamento dei campioni e la regolazione della potenza del laser, riducendo notevolmente la complessità operativa.
Combinando un'interfaccia software focalizzata sull'esperienza utente con funzionalità di assistenza intelligente basate sull'intelligenza artificiale, il software
FLUOVIEW Smart consente anche ai principianti di acquisire immagini di alta qualità in breve tempo, migliorando notevolmente la produttività e la riproducibilità negli ambienti di ricerca.
Figura 8. Semplificazione dell'osservazione microscopica confocale con un flusso di lavoro assistito dall'intelligenza artificiale.
Responsabile globale di prodotto, Sistemi di Imaging di Fascia Alta per le Scienze della Vita
Ryoji Kitamura ha conseguito il master presso la Graduate School of Information Science and Technology dell’Università di Hokkaido, dove si è concentrato sull’imaging in vivo mediante microscopia multifotonica. Ha iniziato la sua carriera presso Evident come ingegnere informatico e in seguito è diventato responsabile di prodotto per lo scanner universale per immagini di diapositive intere SLIDEVIEW™ VS200. Ha inoltre ricoperto il ruolo di Global Product Manager per il sistema di microscopio invertito IXplore™ IX85. Attualmente è Global Product Manager per la serie di microscopi confocali FLUOVIEW™, guidando la strategia, la pianificazione e lo sviluppo del prodotto.