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活細(xì)胞顯微成像系統(tǒng)硬件觸發(fā)方案的簡要探討
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活細(xì)胞顯微成像系統(tǒng)硬件觸發(fā)方案的簡要探討
KOSTER / 2020-11-10
活細(xì)胞顯微成像系統(tǒng)硬件觸發(fā)方案的簡要探討
廣州科適特科學(xué)儀器有限公司
一、顯微鏡各組件工作方式及為什么需要硬件觸發(fā)?
廣州科適特科學(xué)儀器有限公司在為客戶提供顯微鏡及配件和服務(wù)過程中盐固,經(jīng)常有客戶問到為什么顯微鏡需要做硬件觸發(fā)?為了幫助客戶更好的理解顯微鏡掐抢,我們整理了此文簡單探討候榨。活細(xì)胞成像實(shí)驗(yàn)現(xiàn)在需要比以往更高的速度和更多的數(shù)據(jù)處理量统扔。本文以尼康顯微鏡為例簡單介紹通過硬件之間的直接信號觸發(fā)顯微成像設(shè)備琅芍。這樣可以盡量地減少延遲,使設(shè)備同步并減少光對樣品的照射馁筷。本文簡要說明了尼康的
NIS-Elements
觸發(fā)工作流程和工作方式甸垄,并詳細(xì)介紹了其對于常見的時(shí)間序列采集中的好處
。
顯微鏡成像系統(tǒng)是由幾個(gè)硬件設(shè)備一起工作的組合芥吧。這些設(shè)備可能包括
XY
電動(dòng)平臺疤嘴,Z軸聚焦驅(qū)動(dòng)器,壓電快速XY
或Z驅(qū)動(dòng)器漾衅,電動(dòng)濾光片輪妥触,光源(落射熒光和透射光)以及檢測器。軟件控制著這些設(shè)備的移動(dòng)乱归,因此在理想的環(huán)境中,檢測器的曝光時(shí)間將成為實(shí)驗(yàn)速度的限制因素
睬魂。
然而终吼,大部分情況下,當(dāng)使用軟件控制設(shè)備移動(dòng)時(shí)氯哮,無法達(dá)到理想的速度际跪。許多具有不同固有速度的設(shè)備速度偏差使得顯微鏡軟件必須通過一系列命令和回調(diào)來調(diào)解設(shè)備移動(dòng)和圖像捕獲。結(jié)果喉钢,由于與軟件的交互而產(chǎn)生了速度延遲姆打。對于單個(gè)圖像或簡單的實(shí)驗(yàn),延遲可能不那么明顯,但是對于大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)幔戏,這種延遲對總體采集時(shí)間的影響可能會非常顯著玛追。
主機(jī)上的定時(shí)時(shí)鐘頻率最終決定顯微鏡的性能。因此闲延,在同一臺計(jì)算機(jī)上管理的多個(gè)進(jìn)程很容易影響主機(jī)的高精度定時(shí)痊剖。
二、解決方案舉例:通過
NIS-Elements
中的直接硬件觸發(fā)來繞過軟件延
遲
當(dāng)今大多數(shù)高性能檢測器
和外圍設(shè)備都具有I / O(輸入和輸出)端口垒玲,用于直接電壓信號的設(shè)備力學(xué)控制陆馁。例如,大多數(shù)光源具有直接的模擬和TTL(晶體管-晶體管邏輯電路)控制連接器参七,以及通常的串行通信励砸。但是,商用顯微鏡軟件包通常使用串行通信村次,該通信僅依賴于計(jì)算機(jī)時(shí)鐘和軟件控制
招蓝。
尼康的
NIS-Elements
軟件已經(jīng)使用I/O連接已有相當(dāng)長的一段時(shí)間了,并且會繼續(xù)擴(kuò)展其功能崇夫。該軟件通過使用這些功能提供硬件觸發(fā)功能誊爵。直接
I/O
電壓信號的連接來實(shí)現(xiàn)快速驅(qū)動(dòng)設(shè)備。設(shè)備控制與信號采集的同步至關(guān)重要
缭涣。
所有這些信號都是通過數(shù)字采集接口(DAQ)進(jìn)行管理匆救,以實(shí)現(xiàn)靈活性和便利性。 National Instruments數(shù)據(jù)采集設(shè)備(NIDAQ)上的定時(shí)時(shí)鐘也比主機(jī)PC的定時(shí)時(shí)鐘精確得多热阁。為此扭妖,NIS-Elements支持National Instruments NIDAQmx系列設(shè)備。
圖
1
通過直接的硬件觸發(fā)荡明,曝光信號以及相關(guān)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)情況捆革。該圖顯示了通過硬件觸發(fā)光源,電動(dòng)濾光輪和Z軸電動(dòng)馬達(dá)控制進(jìn)行五通道信號采集的示例着茸。 NIDAQ監(jiān)測相機(jī)的曝光壮锻。 NIDAQ輸出信號控制激發(fā)波長和持續(xù)時(shí)間,以使它們出現(xiàn)在透射(Tx)光或UV涮阔,藍(lán)色猜绣,綠色或紅色激發(fā)波長的時(shí)間流逝的后續(xù)幀中。曝光后還會顯示發(fā)射(Em)濾光輪的位置敬特,由于該設(shè)備的速度較慢掰邢,因此移動(dòng)持續(xù)時(shí)間以紅色表示。請注意伟阔,在檢測器沒有曝光觸發(fā)時(shí)候辣之,各個(gè)部件移動(dòng)的時(shí)鐘是同步的掰伸。最后,壓電Z軸馬達(dá)的位置跟曝光信號以及幀數(shù)相關(guān)怀估,因此僅在完成一幀循環(huán)后才發(fā)生移動(dòng)
狮鸭。
三.NIS-Elements如何執(zhí)行硬件觸
發(fā)
通過
NIDAQ
監(jiān)測到檢測器曝光信號,并且連接好了外圍硬件設(shè)備奏夫,硬件觸發(fā)變得很容易理解了怕篷。一個(gè)定義多
維
實(shí)驗(yàn)的參數(shù),然后
NIS-Elements
設(shè)置運(yùn)行的順序
艳杯。
一旦檢測器開始工作憎唯,NIDAQ便會在兩次曝光之間移動(dòng)硬件設(shè)備并在曝光期間控制照明。在這種安排下统褂,檢測器將主控(Master)信號提供給NIDAQ筛粘,而NIDAQ協(xié)調(diào)所有其他外設(shè)的時(shí)鐘和順序(圖1)
。
NIDAQ
可以進(jìn)行精確的照明控制稼掏,只有在檢測器曝光時(shí)才打開光源熊倡,而在照相機(jī)不進(jìn)行曝光時(shí)(包括在檢測器的讀出時(shí)間內(nèi)),光源會立即關(guān)閉憾牵。此外讳帆,NIDAQ甚至可以自定義曝光應(yīng)在照明內(nèi)激活多長時(shí)間,并且還可以對照明進(jìn)行脈沖控制印脓。這種控制減少了照明的持續(xù)時(shí)間置狠,從而將時(shí)間保持在絕對最短的時(shí)間。對于LED或激光源崇磁,開/關(guān)時(shí)間在數(shù)十微秒的范圍內(nèi)
黄鳍。例如目前應(yīng)用最多的CoolLED公司的pE-4000和pE-300光源切換時(shí)間可以達(dá)到20微秒。
硬件觸發(fā)還可通過同時(shí)啟動(dòng)所有設(shè)備來有效執(zhí)行多設(shè)備控制平匈。并行觸發(fā)提高了整體速度框沟,因?yàn)闆]有順序執(zhí)行一個(gè)設(shè)備移動(dòng)另一個(gè)設(shè)備的操作。設(shè)備的定時(shí)和速度也是已知的增炭,因此
NIS-Elements
甚至可以以重疊(“實(shí)時(shí)”)采集模式運(yùn)行的檢測器的讀出時(shí)間內(nèi)控制設(shè)備移動(dòng)忍燥,在這種模式下,檢測器始終在運(yùn)行
隙姿。
四灾前、簡單經(jīng)濟(jì)的快速觸發(fā)解決方案-CoolLED “Sequence Runner”
2020
年10月14日,英國Andover–全球LED顯微鏡照明專家CoolLED推出了其新型8通道pE-800 LED照明系統(tǒng) 用于寬視野熒光顯微鏡孟辑。 pE-800具有八個(gè)可獨(dú)立控制的LED和閃電般的快速TTL切換功能,以最低的總擁有成本提供了最高質(zhì)量的數(shù)據(jù)蔫敲。
獨(dú)特的
8
通道Sequence Runner
結(jié)
合使用
時(shí)
饲嗽,照明序列可以通
過
相機(jī)中的
單
個(gè)
TTL
觸
發(fā)
炭玫,從而將手
動(dòng)顯
微
鏡轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>
價(jià)格合理且功能
強(qiáng)
大的八通道自
動(dòng)
成像系
統(tǒng)
。
8
通道
Sequence Runner,
通過單個(gè)
TTL
輸入
(
例如從攝像
頭TTL
輸出
)
通過全局
TTL
快速控制和同步切換選定的
LED
及其輻照度
貌虾,切換速度<7 μs
蕴莉。需要較少的電子硬件。
NIS Elements
已經(jīng)
集成
Sequence Runner
革秩,
如果沒有配置
NiDAQ
板
仓突,
這將是一個(gè)非常經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。
五焦赋、強(qiáng)大的硬件觸發(fā)的顯微鏡主機(jī)
架
徠卡DMi8或者奧林巴斯IX83及尼康公司的
Ti2-E
等倒置顯微鏡擴(kuò)大了硬件觸發(fā)的潛力绊削,Ti2-E倒置顯微鏡支架上的所有電動(dòng)組件都具有硬件觸發(fā)或減少延遲的優(yōu)勢
。
Ti2-E
的關(guān)鍵功能包括本地直接連
接檢測器的功能(即使沒有
NIDAQ
):顯微鏡本
身知道曝光何時(shí)完成并立即執(zhí)行下一個(gè)設(shè)備的動(dòng)作鲁磺。這提供了一些令很好
的功能制棉,例如非常快速的自動(dòng)對焦功能
跋园。包含
NIDAQ
也可以通過直接硬件觸發(fā)來啟動(dòng)顯微鏡硬件诸晃,從而允許定制的觸發(fā)配置包括顯微鏡硬件和第三方設(shè)備。例如息栖,透射光和落射熒光光源益命,二向色鏡,壓電Z軸驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和發(fā)射濾片轉(zhuǎn)盤都可以一起控制
鹿蜀。
尼康顯微鏡系統(tǒng)
如果需要實(shí)現(xiàn)
硬件觸發(fā)
功能
箕慧,
需要配置
NIS-Elements AR
,C和HC軟件包耻姥,NIDAQ和用于觸發(fā)設(shè)備控制的插件
销钝。
NIS-Elements
軟件可以管理越來越多的硬件觸發(fā)的設(shè)備類型(表1),包括CoolLED光源琐簇,驅(qū)動(dòng)馬達(dá)蒸健,照明模塊,傳感器和信號發(fā)生器婉商。所有這些設(shè)備都可以用于基本的多維采集實(shí)驗(yàn)似忧,但也可以用于刺激/
激活實(shí)驗(yàn),高容量獲取實(shí)驗(yàn)以及自定義實(shí)驗(yàn)流程(例如光源照明順序)丈秩,使用戶以完全靈活地控制觸發(fā)的設(shè)備控件盯捌,實(shí)驗(yàn)順序和模式。
表
1| NIS Elements
硬件觸
發(fā)的
設(shè)備類別
借助尼康的NI觸發(fā)盒(
NI-BB
)(圖2)等外圍設(shè)備即可輕松進(jìn)行硬件觸發(fā)的設(shè)備配置蘑秽,NI觸發(fā)盒設(shè)備包括一個(gè)NIDAQ和一個(gè)專用分線盒饺著,帶有預(yù)定義的連接器和電纜,用于XYZ設(shè)備肠牲,熒光光源煞精,透射光的LED筷穿,濾光片轉(zhuǎn)輪,激光單元因郁,光刺激設(shè)備和Ti2-E觸發(fā)的顯微鏡支架牧赚。 NIS-Elements設(shè)備管理器可以很方便的根據(jù)所使用的連接器將NIDAQ的資源分配給每個(gè)連接的設(shè)備。檢測器(最多三個(gè))也可以輕松連接到控制箱
加鄙。
圖2
|
尼康NI-BB套件通過預(yù)定義的連接器電纜直接連接各種硬件設(shè)備淆膏,以便直接觸發(fā)控制。簡化了外圍設(shè)備和NIDAQ的軟件設(shè)
置溜盾。
六肴士、小結(jié)
尼康的
NIS-Elements
硬件觸發(fā)是一種功能強(qiáng)大而有效的方案,可盡量地減少樣品在光源下的照射時(shí)間括樟,減少或消除兩次激發(fā)之間的時(shí)間延遲态练,并大大減少整個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)間。
表2中顯示了一些典型的實(shí)驗(yàn)示例手浙,比較了相同硬件
和設(shè)置聪僚。區(qū)別是在
Ti2-E
倒置顯微鏡上使用直接硬件觸發(fā)和顯微鏡曝光終端感應(yīng)功能的軟觸發(fā)
。
表
2 |
實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間與常見硬件和實(shí)驗(yàn)參數(shù)的變化比
較
硬件觸發(fā)可顯著縮短整體實(shí)驗(yàn)時(shí)間刊侯。在大多數(shù)這些示例中章办,相機(jī)的曝光時(shí)間長于相機(jī)的讀取時(shí)間。最后一行是一個(gè)比較滨彻,其相機(jī)曝光時(shí)間與其讀數(shù)相同時(shí)間藕届,并且攝像頭能夠在完全重疊(100%占空比)模式下運(yùn)行。
在采購顯微鏡系統(tǒng)時(shí)亭饵,可以考慮將要使用的外圍設(shè)備休偶。具有I/O觸發(fā)功能的設(shè)備(即使最初不使用)也提供了內(nèi)置的升級途徑。用于硬件觸發(fā)的NI-Elements軟件控件花費(fèi)很小辜羊,而且配置簡單踏兜。采用硬件觸發(fā)功能的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和控制既合理又簡化,用戶只需觸摸一下按鈕八秃,即可保存和調(diào)用觸發(fā)的設(shè)備配置碱妆。
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