Power-Focus, robust aberration correction in electron microscopy

Saxena, Rangoli (2024): Power-Focus, robust aberration correction in electron microscopy. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Our project aims to develop a high-throughput neural volumetric scan acquisition machine capable of scanning brain tissue with an isotropic resolution of 10 nm^3 to enable analysis of neural pathways at synaptic resolution. We utilize a 91-beam Scanning Electron Microscope (SEM) to achieve the required resolution. A key innovation of our project is the development of a novel and robust focusing routine for electron microscopy, Power-Focus, which recovers reliably from large aberrations. The experiments conducted with single-beam SEM demonstrated successful recovery from up to 120 μm in defocus and 75 μm in astigmatism. This method uses multiple images taken at known shifts around the aberration state and then uses the power spectrum of these images to deduce the aberration. The novel contribution of this work is the ability to circumvent the usage of the phase values of the input data by decoupling it from the final solution. As the phase values are insensitive to the system’s aberrations, their information offered no gain in the final estimation, and by removing them, the method became resilient towards any potential misalignment between images. We introduced an adaptive filtering technique based on every frequency’s signal-to-noise ratio, adjusting the filter with each iteration as the system approaches the correct focus. We finally formulated a closed-form solution for the aberration, previously based on curve optimization, by determining the curve’s polynomial expression in terms of its first and second-order derivatives using Taylor expansion and then solving it to find the aberration at the maximum. The computational time is ∼270 ms for a 512×512 sized image pair. With parallelization on a multicore system, the processing time for 91 such beam pairs is 1.8 seconds, achieving a 14-fold speedup. We have also developed visualization tools to facilitate detailed examination of a small part of the dataset at high resolution or a large part at low resolution, along with a few validation techniques to ensure gap-free acquisitions. These are crucial for maintaining the continuity of scans as we acquire them in segments by performing stage movements.

Abstract

Unser Projekt zielt darauf ab, eine volumetrische Scanmaschine mit hohem Durchsatz zu entwickeln, die in der Lage ist, Hirngewebe mit einer isotropen Auflösung von 10 nm^3 zu scannen, um eine Analyse der neuronalen Bahnen mit synaptischer Auflösung zu ermöglichen. Wir verwenden ein 91-Strahl-Rasterelektronenmikroskop (SEM), um die erforderliche Auflösung zu erreichen. Eine Schlüsselinnovation unseres Projekts ist die Entwicklung einer neuartigen und robusten Fokussierungsroutine für die Elektronenmikroskopie, Power-Focus, die sich zuverlässig von großen Aberrationen erholt. Die mit einem single-beam SEM durchgeführten Experimente haben gezeigt, dass eine Defokussierung von bis zu 120 μm und ein Astigmatismus von 75 μm erfolgreich behoben werden können. Bei dieser Methode werden mehrere Bilder verwendet, die bei bekannten Verschiebungen um den Aberrationszustand herum aufgenommen wurden, und dann wird das Leistungsspektrum dieser Bilder verwendet, um die Aberration abzuleiten. Der neuartige Beitrag dieser Arbeit besteht darin, dass die Verwendung der Phasenwerte der Eingabedaten umgangen werden kann, indem sie von der endgültigen Lösung abgekoppelt wird. Da die Phasenwerte unempfindlich gegenüber den Aberrationen des Systems sind, bieten ihre Informationen keinen Gewinn für die endgültige Schätzung, und durch ihre Entfernung wird die Methode unempfindlich gegenüber potenziellen Fehlausrichtungen zwischen Bildern. Wir haben eine adaptive Filtertechnik eingeführt, die die Frequenzfilterung auf der Grundlage des signal-to-noise ratio jeder Frequenz optimiert und den Filter mit jeder Iteration anpasst, wenn sich das System dem korrekten Fokus nähert. Schließlich formulierten wir eine geschlossene Lösung für die Aberration, die zuvor auf einer Kurvenoptimierung basierte, indem wir den Polynomausdruck der Kurve in Form ihrer Ableitungen erster und zweiter Ordnung mit Hilfe der Taylor-Erweiterung bestimmten und dann lösten, um die Aberration im Maximum zu finden. Die Rechenzeit beträgt ∼270 ms für ein 512×512 großes Bildpaar. Mit Parallelisierung auf einem Multicore-System beträgt die Verarbeitungszeit für 91 solcher Strahlenpaare 1,8 Sekunden, was eine 14-fache Beschleunigung bedeutet. Wir haben auch Visualisierungstools entwickelt, um die detaillierte Untersuchung eines kleinen Teils des Datensatzes mit hoher Auflösung oder eines großen Teils mit niedriger Auflösung zu erleichtern, sowie einige Validierungstechniken, um lückenlose Aufnahmen zu gewährleisten. Diese sind entscheidend für die Aufrechterhaltung der Kontinuität der Scans, da wir sie in Segmenten durch Bühnenbewegungen erfassen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: autofocus, autostigmation, electron microscopy
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 9. April 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Denk, Winfried