ソフトウェア


MwMapper


mwmapper


  • 概要
  • システム事例
  • 機能紹介1
  • 機能紹介2
  • 制御デバイス
  • 仕様
  • FAQ
  • カスタム・特注対応
  • 論文紹介

製品概要


ユーザーメードのレーザー顕微鏡・顕微分光システム向けの統合ソフトウェアです。顕微鏡や分光器をはじめ、様々なデバイスを統合し、直感的なGUIやさまざまな機能が、ユーザーの研究開発を支援します。


科学・研究分野において、レーザーと顕微鏡を用いた新しい計測法・分析法の研究が行われている中で、研究者自らが構築した測定システムは、顕微鏡やレーザーや検出器や電動ステージなど多くの種類のデバイスが混在し、複雑なシステムになりがちでした。 そのシステムの運用において、測定のルーチン化や開発者以外のメンバーが使用する際の最大の障壁が、簡単にシステムを制御するシステム・インタフェースです。MwMapperは、フレキシブルで使いやすいインターフェースを提供します。


MwMapperは、 Micro World Mapper、すなわち、「微視世界の地図製作者」を意味します。顕微鏡を通して見える世界の、あらゆる場所のあらゆる情報を、地図(データ)におさめることが、使命です。


最大の特長は、(顕微鏡)カメラが映し出す画像中の試料測定エリアを、素早くかつ直感的に設定し、自由にマッピング・イメージングを行うことができるユーザーインターフェースです。そのために、各メーカーの様々なデバイスを認識・統合して、各デバイス間のシームレスな連携と、 ワンストップの測定および各種機能を提供します。検出器の(測定)データは、MwMapperと連携するソフトウェアに自動で転送されます。連携ソフトウェアとして、データ表示・解析ソフトウェアInsightを正式にサポートしている他、MwMapperのトリガー機能により、 サイエンスエッジ製以外のソフトウェアと連携することが可能です。


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図: 異種デバイス統合ソフトウェア

主な機能

  • 各種デバイスを認識し、統合制御
  • カメラ画像上で、マウスのクリック&ドラッグ操作による測定位置の指定
  • 画像測定のための、各種測定条件の設定
  • スペクトル測定のための、各種測定条件の設定
  • 測定前後に行う各種デバイスの自動プロシージャの設定

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図: MwMapperのメインGUI と連携ソフトウエア Insight

適用可能なシステム

  • 顕微鏡
  • レーザー走査顕微鏡
  • 分光スペクトル測定
    • CCD/ラインセンサによるワンショットスペクトル測定
    • 波長スキャン測定
      • 回折格子・スリット走査
      • レーザー波長走査
  • 分光スペクトルイメージグ・マッピング
  • 上記のシステムの複数の並存および同時測定・同時マッピング測定


アプリケーション

  • レーザー顕微鏡・コンフォーカル顕微鏡
  • SHG顕微鏡 (Second Harmonic Generation)
  • 蛍光顕微鏡
  • ラマン顕微鏡
  • フォトルミネッセンス(PL)分光顕微鏡
  • 反射分光顕微鏡
  • 散乱分光顕微鏡
  • 吸収分光顕微鏡
  • 顕微FTIR装置
  • フォトサーマル IR顕微鏡
  • LIBS顕微鏡 (Laser Induced Breakdown Spectroscopy)
  • 上記の複数のアプリケーションの組み合わせも可能です。

システム事例


MwMapperの適用事例を紹介いたします。

各事例では、組み込んでいるデバイスの種類・組み合わせ方が異ってきます。 MwMapperは、そのデバイスの種類や組み合わせ方に合わせた、最適なGUI(ユーザーインターフェース)を自動で表示します。
顕微鏡に関するGUIは、どのシステムにおいても共通です。 顕微鏡撮像用のカメラが、最も共通したデバイスです。その他の顕微鏡用のデバイス(照明、光路切り替え、XYZステージなど)で手動制御のデバイスのGUIは表示されません。

MwMapperは、3つの測定系を想定し、測定系にあわせてそれぞれのGUIを有しています。これらの機能・GUIを並存させることも可能です。

  • イメージング用ポイント検出器 (フォトダイオード/光電子増倍管)
  • ワンショット分光器:分光器とアレイ検出器 (CCD/ラインセンサ)
  • 波長走査分光器: 波長掃引タイプ分光器または波長可変レーザー光源 とポイント検出器(フォトダイオード/光電子増倍管) 


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図: MwMapperのGUIの概要



システムのもう一つの大きな要素として、走査方法があります。 MwMapperでは、ステージ走査に画像測定を「マッピング」、ビーム走査を「イメージング」と定義しています。
  • ステージ走査(マッピング) : 測定点を固定し、試料を動かす。
  • レーザービーム走査(イメージング): 試料を固定し、測定点(レーザービーム)を動かす。

※) ライン照明や、多焦点照明、およびパラレル測定にも対応しております。詳細は、お問い合わせください。


事例1:レーザー励起分光顕微鏡

レーザーを顕微鏡下の試料に照射し、照射点からの発光を分光測定するシステムです。ラマン分光、PL (フォトルミネッセンス)分光、LIBS(Laser Induced Spectroscopy)がこのシステムで実現できます。

■構成

  • 顕微鏡
  • ワンショット分光器
  • ステージ走査
  • レーザーシステム


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図:レーザー励起分光顕微鏡


事例2:白色分光顕微鏡

白色光を顕微鏡下の試料の視野全面に照射し、分光測定するシステムです。試料上で、分光用検出器と結像される点またはライン(2Dアレイ検出器)が測定場所(ROI)となります。 反射分光、散乱分光、吸収分光がこのシステムで実現できます。

■構成

  • 顕微鏡と白色照明光源
  • ワンショット分光器または波長走査分光器
  • ステージ走査


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図: 白色分光顕微鏡



事例3:レーザー走査顕微鏡

レーザーを顕微鏡下の試料に照射し、照射点からの反射光・散乱光・発光(蛍光/SHG)の光強度分布を測定するシステムです。検出器の前にピンホールを設置すれば、反射コンフォーカル(共焦点)顕微鏡、コンフォーカル(共焦点)蛍光顕微鏡となります。サーモレフレクタンス測定にも適用可能です。

■構成

  • 顕微鏡
  • ポイント検出器
  • レーザービーム走査
  • レーザーシステム
  • (ステージ走査:併用可能)


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図: レーザー走査顕微鏡



事例4:レーザー波長走査分光顕微鏡 (フォトサーマル分光/反射分光/散乱分光/吸収分光)

波長可変レーザーを顕微鏡下の試料に照射し、照射点からの反射光・散乱光・透過光の強度を測定します。レーザー波長を掃引することにより分光スペクトルを得ます。可変レーザーに同軸にプローブ光(波長固定レーザー)を照射し、その光強度を検出することで、フォトサーマル分光(光熱変換分光)が可能となります。

■構成

  • 顕微鏡
  • 波長可変レーザー
  • ステージ走査
  • 波長固定レーザーシステム(プローブ用)


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図: レーザー波長走査分光顕微鏡



事例5:ハイブリッドシステム

3つの測定系(イメージング用ポイント検出器/ワンショット分光器/波長走査分光器)を複数組み合わせたハイブリッドなシステムにも適応できます。 組み合わせの一つの例ですが、図はイメージング用ポイント検出器とワンショット分光器を並存させている測定システムとなります。 ポイント検出器による光強度測定と、ワンショット分光器によるスペクトル測定を同時に行ない、マッピング/イメージングを行います。 データ表示・解析ソフトウェアInsightは、これらの同時測定したデータを受け取り、リアルタイムで表示することが可能です。

SHGイメージングとラマン分光、反射コンフォーカルとラマン分光、ラマン分光とフォトサーマル分光など、様々なハイブリッドシステムに柔軟に対応しています。


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図:ハイブリッドシステム(イメージング用ポイント検出器とワンショット分光器)



実例:ラマン&SHG顕微鏡 (ハイブリッドシステム)

本システムは、測定系として、ラマン分光用のワンショット分光器と、SHG前方散乱光検出用のイメージング用ポイント検出器を備えています。ラマン励起とSHG励起用のレーザーがそれぞれ用意され、同軸にて、対物レンズに入射し、試料の同じ測定ポイントを照射するシステムとなっています。
またガルバノミラーを備えて、レーザービームを走査できるため、短時間でのイメージングか可能なセットアップとなっています。


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図:ラマン&SHG顕微鏡 (ハイブリッドシステム)
※)本写真は、徳島大学 南川丈夫先生の、実験システムの写真を拝借しました。



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図:ラマン&SHG顕微鏡で同時取得したLithium niobateの微結晶のラマン画像とSHG画像
※)本データは、徳島大学 南川丈夫先生にご提供頂きました。


機能紹介 1



特長的な機能を紹介いたします。


測定エリア(ROI: Region Of Interest)の設定

顕微鏡撮像画面上を、マウスによるクリックとドラッグ動作を組み合わせて、直感的にROIを設定できます。

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図:右クリック:試料移動。 測定点へ[XY電動ステージ]


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図:左クリック:測定点移動。[レーザービームスキャナ (測定点スキャナ)]


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図: 左クリック&ドラッグ: マッピング/イメージングの範囲(ROI)の設定 [電動XYステージ/レーザービームスキャナ (測定点スキャナ)]



測定の走査モード

MwMapperは、顕微鏡の視野を中心に、左右方向をX軸、上下方向Y軸、視野垂直方向をZ軸にXYZ空間を定義します。XY面、YZ面、XZ面のいずれの平面でのマッピング/イメージングが可能です。
備考)Z方向の走査は、Zドライブによるマッピングのみの対応となります。

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図:MwMapperの座標系



測定の自動シーケンス

測定ボタンを押すことで、測定が開始されます。
測定の一連のシーケンスは、図に示されるように、測定前の準備と測定後の処理が含まれ、それぞれ、ユーザーが自由に設定できるようになっています。

■設定項目
  • レーザーシャッター On/Off
  • 検出器シャッター On/Off
  • 顕微鏡の照明の輝度
  • 測定点スキャナの位置
  • XY電動ステージの位置
  • 光路セレクタ(およびフィルタの選定)
  • シーケンス項目移行時間

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図:測定の自動シーケンスとシーケンス設定画面(Sequentail Operations Before/After Measurement)



測定システム

現バージョンでは、下記の3つの測定しシステムに対応しています。測定システムごとに、測定の設定パラメータが異なるため、GUIも異なります。

■3つの測定システム
  • ワンショット分光器
  • ポイント検出器
  • 波長走査分光器

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図:測定システムのGUI



測定中のデータ表示と解析

スペクトルマッピング測定の場合、測定時間は、数分から、場合によっては1時間以上となります。 MwMapperは、測定中は継続してデータ表示・解析ソフトウェアInsightと通信しているため、マッピング/イメージング測定中においても、データの表示更新、コントラストの調整、スペクトル画像の波長バンドの選択などの操作が可能となっています。

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図:測定中のデータ操作


機能紹介 2



各デバイスの動作・役割を紹介します。


XY電動ステージとZドライブ

顕微鏡視野に対して、試料を移動させるためのデバイスで、4つの操作UIを利用できます。

■操作インターフェース(UI)
  • 顕微鏡画像上でマウス中ボタン(マウスホイール)をクリック&ドラッグ [XY面内移動]
  • ステージコントロールウインドウ [XYZ移動]
  • ショートカット  [XYZ移動](X軸: Xキー+ マウスホイール、Y軸: Yキー+ マウスホイール、Z軸: Zキー+ マウスホイール)
  • 右クリックコンテキストメニュー [XY面内移動](X軸: [1: 試料ROIを視野中心に移動。2: 試料ROIを測定点に移動.。)

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図:XY電動ステージおよびZドライブの操作UI


顕微鏡観察用カメラ

試料の表面を撮像・観察するためのカメラです。測定時には、自動的に測定時の試料表面が保存されます。 ソフトウェア機能によるデジタルズームイン・ズームアウトが可能です。ズームアウトは、視野より大きい範囲のマッピングROIを設定する際に使用します。

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図:カメラで映し出される顕微鏡画像。ズームイン(デジタル拡大)とズームアウト(デジタル縮小)


顕微鏡の照明

顕微鏡観察のための照明装置です。 明視野透過照明、明視野反射照明、暗視野透過照明、暗視野反射照明、蛍光励起用水銀ランプなど、さまざまな照明装置を想定し、扱える照明デバイスの数に制限はありません。 照明装置の輝度は、0-100%の値で設定されます。
デフォルトでは、すべての照明装置が、測定の直前に自動消光、測定後に、自動点灯する設定となっています。

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図:顕微鏡照明装置のの操作GUI


対物レンズのレボルバ

顕微鏡の対物レンズと倍率を設定するためのデバイスです。ハードウェアとして、電動タイプと手動タイプの2つに分類されます。いずれにおいても、MwMapperは選択している対物レンズの倍率を認識し、内部のスケール情報として保持します。 内部スケール情報は、顕微鏡画像上のスケール表示や、マッピング/イメージングのデータのスケール情報として使用されます。レーザーパワーメータデバイスが使用されている場合、レーザーの光強度は、選択されている対物レンズの透過率が補正係数として使用されます。 電動タイプの場合は、対物レンズを選択すると、自動で対物レンズが切り替わります。

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図:対物レンズの倍率設定の操作GUI


レーザーシステム

レーザーシステムは、レーザーと関連デバイスから構成されます。レーザーは、ラマン散乱やSHG散乱、蛍光発光などの励起用光源として用いられる他、波長可変レーザーは、分光用の光源として用いられます。 関連デバイスとしては、レーザーの照射のOn/Offを制御するシャッター、レーザー光強度を調節する、光強度調節機、レーザー光強度をモニターするパワーメータや、偏光制御デバイスがあります。

■レーザーシステムの構成デバイス
  • レーザー [光強度、波長、その他]
  • シャッター[On/Off]
  • 光強度調節機[0-100%]
  • パワーメータ[W]
  • 偏光制御デバイス[偏光角度、偏光度]

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図:レーザーシステムのGUI例


光路セレクタ

光路セレクタは、光路を切り替える目的の他、光路中に挿入するフィルタの選択するデバイスとしても使用されます。 光路セレクタは、測定をしていないときの「Neuatral Position」と測定時の「Measurement Position」が定義され、デフォルトの設定では、測定の前後で自動で切り替わる設定となっています。 測定前後の、自動シーケンスはユーザーが自由に設定できるため、デフォルト設定外の、柔軟な設定が可能です。
一つのシステムに設定できる光路セレクタの数に制限はありません。

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図:光路セレクタの操作GUI


トリガー入力・出力

トリガー入力・出力は、機器間の連携や、外部ソフトウェアとの連携のために用いられます。 現バージョンでは、トリガー入力は測定を開始するトリガーおよび次の走査点に移動するトリガーの1chが定義されています。 トリガー出力は測定中(開始と終了)を知らせるための1chが定義されています。

レーザービームスキャナ(測定点スキャナ)とレーザービームシェイパ

レーザービームスキャナは、顕微鏡視野内の測定点(レーザー照射位置)の位置を変更するデバイスです。 顕微鏡視野上で左クリックした位置がレーザー照射位置となるようにビームスキャナが制御されます。

レーザービームシェイパは、点であるレーザービームの焦点を、ラインの形状や、M x N 多焦点などに変形するデバイスです。現バージョンでは、ライン照明デバイスに対応しています。 走査モードをLine Shot/Line Mappnig/Line Imagingなどに変更すると自動的にライン照明デバイスが光路に挿入され、GUIもそれにあわせて変更されます。

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図:レーザービームスキャナ(測定点スキャナ)とレーザービームシェイパ


制御デバイス


あらゆるタイプのデバイスが動作するプラットフォームを実現するため、MwMapperの内部構造は、ユーザーインターフェース/抽象デバイス/実デバイスの3層構造となっています。 抽象デバイスは、MwMapper内のそれぞれのデバイスの持つ役割・機能を定義し、実デバイス(製品)による制御方法の違いを統合し、ユーザーインターフェースに画一化した制御命令セットを提供しています。 そのため、ユーザーは、抽象デバイスにユーザー所有のデバイス(製品)を設定するだけで、MwMapperを通じて、各種デバイスを統合した制御ができるようになります。


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図:MwMapper内部のデバイス概念


定義されている抽象デバイス (Version 1.4.6)

  • 顕微鏡
  • (顕微鏡観察用)カメラ
  • (顕微鏡用)XY電動ステージ
  • (顕微鏡用)Z電動ドライブ
  • (顕微鏡用)対物レンズレボルバ
  • (顕微鏡用)観察照明デバイス
  • 光路セレクタ
  • 分光器
  • 分光用アレイ検出器(1D/2D)
  • 光検出器(ポイント検出器)
  • 検出器用シャッター
  • 波長固定レーザー
  • 波長可変レーザー
  • レーザーシャッター
  • レーザーパワー調節器
  • レーザーパワーメータ
  • レーザービームシェイパ
  • レーザービームスキャナ (測定点スキャナ)
  • トリガー入力・出力

主な実デバイスリスト (※ []内は対応する抽象デバイス])

使用予定で、下記にないデバイスについてはお尋ねください。顧客の要望に応じて、随時対応しております。


  • ニコン製 Ti2E [顕微鏡]
  • ImagingSource社製 USBカメラ [カメラ]
  • シグマ光機社製 BIOSシリーズ電動ステージ (SHOT-702コントローラ)[XY電動ステージ]
  • シグマ光機社製 BIOSシリーズ電動ステージ (FC-101コントローラ)[XY電動ステージ]
  • ニコン製 Ti2E 電動XYステージ [XY電動ステージ]
  • サイエンスエッジ社製 電動XYステージ(SEMPD01コントローラ) [XY電動ステージ]
  • ニコン製 Ti2E 電動Zドライブ [Z電動ドライブ]
  • サイエンスエッジ社製 電動Zドライブ(SEMPD01コントローラ) [Z電動ステージ]
  • ニコン製 Ti2E 電動レボルバ[対物レンズレボルバ]
  • ニコン製 Ti2E 透過照明装置[観察照明デバイス]
  • ニコン製 Ti2E 光路切り替え [光路セレクタ]
  • ニコン製 Ti2E ターレット1[光路セレクタ]
  • ニコン製 Ti2E ターレット2 [光路セレクタ]
  • Princeton Instruments社製 SpectraProシリーズ[分光器]
  • Princeton Instruments社製 IsoPlaneシリーズ[分光器]
  • Princeton Instruments社製 PIXISシリーズ[分光用アレイ検出器(2D)]
  • Princeton Instruments社製 ProEMシリーズ[分光用アレイ検出器(2D)]
  • Princeton Instruments社製 KUROシリーズ[分光用アレイ検出器(2D)]
  • Princeton Instruments社製 PyLoNシリーズ[分光用アレイ検出器(1D/2D)]
  • Andor Technology社製 Newtonシリーズ : [近日対応予定][分光用アレイ検出器(2D)]
  • National Instruments製 DAQシリーズ (電圧測定) [光検出器(ポイント検出器)/レーザーパワーメータ]
  • National Instruments製 DAQシリーズ (電圧出力) [レーザービームスキャナー]
  • National Instruments製 DAQシリーズ (GPIO) [検出器用・レーザーシャッター/レーザービームシェイパ/トリガー入力・出力]
  • Thorlabs社製 ビーム用シャッタコントローラ SC10 [シャッター]
  • Vincent Associates社製 シャッタードライバ VCM-D1 [シャッター]
  • Thorlabs社製 電動フィルターホイールFW102C/FW212C [レーザーパワー調節器]
  • サイエンスエッジ社製 回転型NDフィルター [レーザーパワー調節器]
  • Laser Quantum社製 Ventus [波長固定レーザー]
  • Laser Quantum社製 Gem [波長固定レーザー]
  • Laser Quantum社製 Opus [波長固定レーザー]
  • NKT Photonics社製 SuperK EXTREAME & VARIA [波長可変レーザー]
  • Day Light Solutions社製 MIRcat-QT [波長可変レーザー]


実デバイスの設定

実デバイスは、xml形式の設定ファイルに記述されます。MwMapperの起動時に設定ファイルが読み込まれ、設定ファイル中に記述された実デバイスの制御を開始します。 設定ファイルには、実デバイスの設定情報の他、顕微鏡のスケールなど、ユーザーの測定システムの固有情報なども記述されます。
下の図は、Microsoft XML Notepad (フリーソフト)によって開いた設定ファイル(.xml)の例です。


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図:実デバイスの設定ファイル(.xml)

仕様



  • 動作環境: Windows 10 64bit OS
  • 最新のバージョン: V.1.4
  • 適用デバイス: 制御デバイスを参照。
  • ライセンス: USBドングルによる永久使用ライセンス
  • 納品物品: インストールDVD, USBドングル
  • サポート: 初回インストール時、リモートによる設定ファイルのセットアップ(オンサイトでのセットアップは別途費用が発生します。)

更新履歴


2020/10/01 : リリースしました。バージョンは、Ver 1.4.6です。

FAQ


Q1. 一度、デモして検討したいのですが、デモは可能でしょうか?

A1. はい。1か月間の試用ライセンス用のUSBドングルを貸出しております。ただし、その際、MwMapperの設定ファイルに測定システムのデバイスを登録する作業費用の負担をお願いしております。ご発注の際は、デモの際に発生した設定作業費の価格分を、お値引き致します。


Q2. Prior Scientific社製の電動ステージを所有しているのですが、対応していますでしょうか?

A2. 現バージョン(Ver 1.4.6)では、対応はしておりません。しかし、標準的な電動ステージでしたら、ご発注時に対応いたしますので、ご相談ください。


カスタム・特注対応



MwMapperの機能

現バージョンのMwMapperにない機能などありましたら、カスタム対応にて、開発可能です。ご気軽にご相談ください。

その他ソフトウェアの開発

測定用ソフトウェア、データ解析ソフトウェアなどの、特注製作・開発を承っておりますので、ご気軽にご相談ください。

測定システムの特注製作

ラマン分光や白色分光などの顕微分光システム、顕微鏡を利用した測定システムや、レーザーなどを利用したシステムなどの特注製作を承っておりますので、ご気軽にご相談ください。

光学設計

ライン照明光学系・多焦点レーザーシステムの光学設計なども可能です。ご気軽にご相談ください。

論文紹介


Takeo Minamikawa, Mayuko Ichimura-Shimizu, Hiroki Takanari, Yuki Morimoto, Ryosuke Shiomi, Hiroki Tanioka, Eiji Hase, Takeshi Yasui and Koichi Tsuneyama
“Molecular imaging analysis of microvesicular and macrovesicular lipid droplets in non-alcoholic fatty liver disease by Raman microscopy”
Sci. Rep., 10, 18548 (2020)