APEXVIEW™ APX100 벤치톱 형광 현미경의 향상된 이미지 스티칭 기능

서론

APEXVIEW^™ APX100 벤치톱 형광 현미경은 세포와 조직 표본을 관찰하는 데 사용됩니다. 특히 조직 표본의 경우 현미경의 시야보다 넓은 관심 영역을 찾기 위해 샘플의 전체 구조를 검색해야 할 수 있습니다.

시야의 여러 이미지를 함께 스티칭하여 넓은 영역의 고해상도 이미지를 획득하는 기능은 조직 표본 관찰 시 중요한 기능입니다. 이미지 스티칭에 필수적인 특성 세 가지는 다음과 같습니다.

1. 스티칭 정확도

스티칭된 이미지는 각 시야에 맞게 전동식 XY 스테이지를 옮겨 구성할 수 있습니다.

그러나 XY 스테이지에서 잘못된 정렬이 발생하기 때문에, 스티칭 위치를 각 시야의 XY 좌표로만 결정할 경우, 스티칭 시 각 시야에 따라 스티칭된 이미지가 이동하게 됩니다. 그러므로 이미지 내에서 검색을 수행하여 스티칭 위치를 결정하기 위해 이미지 프로세싱을 수행해야 합니다. 편차가 발생하면 후속 이미지 분석에 영향을 주므로 이미지 스티칭 동안 편차를 방지해야 합니다.

2. 스티칭된 이미지의 품질

시야의 주변부에서는 광학적 요인이 여러 가지 방식으로 이미지 품질에 영향을 끼칩니다. 스티칭된 이미지를 획득할 때는 이미지 품질이 저하되지 않도록 해야 합니다.

3. 처리율

이미지를 스티칭하려면 정확도와 이미지 품질을 달성해야 하므로 스티칭된 이미지 생성에 필요한 각 시야의 여러 이미지를 캡처하는 데 시간이 소요됩니다. 이미지 획득 후 스티칭된 이미지를 처리하는 데는 훨씬 더 긴 시간이 소요됩니다. 이로 인해 실험 워크플로가 저해됩니다. 실험 데이터를 효율적으로 얻으려면 스티칭된 이미지를 획득할 때 이미지 품질과 처리율을 모두 달성해야 합니다.

APX100 현미경의 향상된 이미지 스티칭 기능

스티칭된 이미지 캡처는 APX100 현미경의 주된 기능 중 하나입니다.

그래서 Evident는 소프트웨어를 업그레이드하여 스티칭된 이미지의 품질을 높였습니다. 이와 동시에, APX100 현미경을 사용하여 실험 효율성을 더욱 향상시켰습니다.

APX100 현미경을 제어하는 소프트웨어인 cellSens™ APEX 소프트웨어는 버전 4.3.1에서 이미지 스티칭 기능의 세 가지 주요 측면을 개선했습니다.

1. 스티칭 정확도 향상

스티칭 알고리즘 개선

시야의 인접 이미지 스티칭은 이미지 프로세싱을 통해 수행됩니다. 이전 버전까지는 각 시야에 대한 작업 직후 이미지들이 스티칭되었습니다. 이 방법을 순차 스티칭이라고 합니다.

순차 스티칭 방법에서는 인접 시야 이미지의 스티칭된 부분이 샘플이 포함되지 않은 배경 영역만을 나타낼 경우 스티칭된 영역에 소량의 정보만 포함됩니다. 이럴 경우 스티칭에 잘못된 정렬이 발생합니다.

cellSens APEX 소프트웨어 버전 4.3.1에서는 이러한 일치 기능이 개선되었습니다. 스티칭 알고리즘은 이제 최적의 위치가 확보될 때까지 시야의 특정 범위에 대한 이미지를 보관하며, 보관된 범위 내에서 최적의 위치를 찾습니다(그림 1).

순차 스티칭 방법에서는 이미 위치가 지정된 프레임만 정렬에 사용할 수 있습니다. 시야의 특정 범위에 대한 이미지를 보관하는 스티칭 방법에서는 정렬될 프레임이 이미 위치 지정된 프레임과 보관 범위 내 프레임으로부터 위치 지정됩니다.

이러한 업데이트된 방법 덕분에 소프트웨어 버전 4.3.1에 도입된 알고리즘은 배경을 포함하는 스티칭된 영역에서도 편차 없이 스티칭된 이미지를 획득할 수 있습니다(그림 2).

스티칭된 이미지 획득에 소요되는 시간은 4.3.1 버전에서도 동일합니다.

스티칭 정확도에 영향을 주는 광학 현상 보정

배율 오류와 같은 광학 요인은 스티칭 정확도에 영향을 줄 수 있습니다. cellSens APEX 소프트웨어는 이러한 광학 현상을 보정하는 기능을 제공합니다.

배율 보정 기능

대물렌즈에는 약간의 배율 오류가 있습니다. 따라서 이러한 오류를 보정하면 더 정확한 스티칭이 가능합니다.

APX100 현미경에서는 cellSens APEX 소프트웨어 버전 4.2에 도입된 배율 보정 기능을 사용하여 대물렌즈를 포함한 현미경 전체의 총 배율을 보정할 수 있습니다. 그러므로 매우 정확한 스티칭된 이미지를 생성할 수 있습니다(그림 3).

이미지가 획득될 때마다 배율 보정 프로세스가 실시간으로 진행되므로 보정 기능 사용 여부에 관계 없이 획득 시간은 변하지 않습니다.

2. 스티칭된 이미지의 품질 향상

왜곡과 같은 광학 요인은 스티칭 이미지 품질에 영향을 줄 수 있습니다. cellSens APEX 소프트웨어는 이러한 현상을 보정하는 기능을 제공합니다.

왜곡 보정 기능

시스템 현미경에서 대물렌즈를 통과하여 이미지가 형성될 때 왜곡이라고 불리는 현상이 시야에 발생합니다(그림 4).

왜곡이 시야에 존재할 때 이미지 스티칭을 수행하면 스티칭 위치의 4개 모서리에서 구조가 두 번 나타납니다. 이처럼 모서리에서 이중으로 구조물이 나타나면 이미지 품질이 저하될 가능성이 높아집니다.

왜곡을 방지하고 고품질 스티칭 이미지를 획득하는 방법 중 하나는 이미지의 중심부만 사용하는 것입니다. 그러나 이 방법을 사용하면 획득되는 이미지의 수가 증가하고 처리율이 낮아집니다(그림 5).

cellSens APEX 버전 4.3.1에서는 이러한 왜곡을 보정하는 기능이 추가되었습니다(그림 6). 이 기능은 전용 보정 슬라이드를 사용하여 각 대물렌즈의 왜곡 정도를 측정합니다. 그 다음, 스티칭된 이미지를 획득할 때, 하나의 시야 내에서 각 이미지에 대해 측정된 왜곡 정도를 기반으로 왜곡을 보정합니다.

3. 워크플로 향상

APX100 현미경은 이미지 획득부터 스티칭까지 일련의 워크플로로서 프로세스 전체를 자동으로 진행하므로 스티칭된 이미지를 효율적으로 획득할 수 있습니다.

또한, APX100 현미경은 실험 워크플로를 단축하는 스마트 샘플 탐색기를 제공합니다. 스마트 샘플 탐색기는 매크로 이미지 캡처로부터 샘플을 10초만에 자동으로 감지할 수 있습니다. cellSens APEX 소프트웨어 버전 4.2에 추가된 ‘샘플 영역을 스캔 영역으로 전환’(Convert Sample Area to Scan Area) 기능으로 사용자는 감지된 샘플 영역을 스티칭 획득 영역으로 설정할 수 있습니다(그림 7).

이를 통해 관찰 전 준비부터 스티칭 위치 설정, 그리고 이미지 획득까지의 워크플로를 대폭 단축할 수 있습니다.

결론

APEXVIEW APX100 벤치톱 형광 현미경은 이제 스티칭된 이미지의 품질과 정확도를 향상시켰을 뿐만 아니라 이미지 준비부터 캡처까지 실험 효율성을 높였습니다. Evident의 엔지니어들은 소프트웨어의 스티칭 알고리즘을 개선했을 뿐만 아니라 최고의 성능을 달성할 수 있도록 광학 요인 보정까지도 고려했습니다.

요약하자면, 이미지 스티칭 기능을 개선하여 다음과 같은 장점을 얻을 수 있습니다.

• 배경 프레임을 포함하여 스티칭된 영역의 정확도 개선
• 배율 오류 보정을 통해 정확도 개선
• 왜곡 보정을 통해 이미지 품질 개선
• 넓은 영역의 고해상도 스티칭 이미지를 획득하는 워크플로 단축

저자

Takuma Kimura

Evident, R&D, 소프트웨어 개발 부문