Advanced Optical Microscopy

1. Introduction

Optical microscopy is a high magnification high resolution imaging technique for cell visualization. Image contrasts of optical microscopy can be obtained via transmission, reflection, fluorescence, and Raman scattering. Optical microscopy could have 3D resolution by laser scanning and others. 3D optical microscopy techniques include laser scanning confocal microscopy and nonlinear two-photon microscopy.

We develop 3D optical microscopy techniques for cellular imaging of tissue or organs. The techniques include confocal microscopy, two-photon microscopy, high-speed light sheet microscopy, and multi-modal techniques for contrast enhancement.

We develop these microscopy techniques for biological and clinical applications. Biological applications include in-vivo animal model studies for immunology, brain, and cancer biology. Clinical applications include early non-invasive diagnosis and image guiding for precision cancer surgery.

Critical features of optical microscopy are image resolution, image contrast, imaging speed, and imaging depth. These features have trade-off relationships. For example high resolution imaging tends to have decreased imaging speed or throughput. High speed imaging tends to have decreased image contrast. However, recent development of computational techniques such as denoising, deconvolution based on deep learning show a potential to overcome the limitation. 

 We have been adapting these computational techniques to make our optical microscopy techniques to be truly useful for biological and clinical studies.  

광학 현미경은 세포 단위 영상화가 가능한 고배율 고해상도 영상기술 입니다. 현미경 영상 대비도는 투과/ 반사/ 형광/ 라만 산란 등을 통해 획득할 수 있습니다. 

광학 현미경은 레이저 스캐닝 등을 통해 3차원 해상도를 가지게 되었고 생체조직 내 세포 영상화도 가능하게 되었습니다. 3차원 해상도를 가지는 현미경 기술로는 레이저 스캐닝 공초점 현미경 (confocal microscopy)이 대표적으로 있으며 많은 생명, 기초의학 연구에 사용되고 있습니다. 

우리 연구실에서는 생체조직 내 세포단위 영상화를 위한 현미경 기술을 연구 개발합니다. 기본적인 레이저 스캐닝 공초점 현미경 뿐만 아니라 고심도 3차원 영상화를 위한 비선형 이광자 현미경 (nonlinear two-photon microscopy), 초고속 3차원 영상화를 위한 빛 시트 현미경 (light sheet microscopy) 등과 여러 영상대비도를 결합한 다중 현미경 기술들을 개발합니다. 

광학 현미경은 세포 관찰을 통해 다양한 생명, 기초의학 연구를 가능하게 하며 최근 임상의학을 위한 조기진단, 정밀 수술을 위한 영상가이드 기술로도 각광받고 있습니다. 

광학 현미경의 성능은 영상 해상도 (resolution), 영상 대비도 (contrast), 영상화 속도 (speed), 그리고 영상화 깊이 (depth) 등이 있는데 고해상도 고대비도로 영상화 하면서 고속화 하는 것은 성능 면에서 서로 상충되는 요구조건 입니다. 이런 한계를 극복하기 위하여 최근 인공지능 과 같은 컴퓨테이션 기술들이 도입되어 성능을 더욱 향상 시키고 있습니다. 

우리 연구실에서는 컴퓨테이션 기술들을 적극 도입하여 더욱 성능이 향상된 광학 현미경 기술들을 개발하고 있으며 임상의학에서도 적용성을 확인하고 있습니다.