通過(guò)將壓縮傳感算法與數(shù)字全息顯微鏡相結(jié)合，由中國(guó)香港中文大學(xué)工程學(xué)院機(jī)械及自動(dòng)化工程系的陳世奇教授和研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種高速成像方法，這種新方法能夠在一秒鐘內(nèi)產(chǎn)生3-D樣品的雙光子顯微鏡圖像，其速度是常規(guī)點(diǎn)掃描方法的三到五倍，這項(xiàng)研究結(jié)果現(xiàn)已經(jīng)發(fā)表在《光學(xué)快報(bào)》期刊上。

神經(jīng)元活動(dòng)通常在10毫秒的時(shí)間尺度上完成，這使得常規(guī)顯微鏡很難直接觀察到這些現(xiàn)象。

這種新壓縮傳感雙光子顯微鏡可以應(yīng)用于生物神經(jīng)分布的三維成像或同時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)百個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)。打破雙光子顯微鏡掃描速度限制的多聚焦激光掃描新方法。雙光子顯微鏡工作原理是將紅外激光的超快脈沖傳遞到樣品中，在那里它與熒光標(biāo)記相互作用以創(chuàng)建圖像。它被廣泛用于生物學(xué)研究，因?yàn)樗軌蛟诨铙w組織中產(chǎn)生高分辨率的3-D圖像，深度達(dá)1毫米。然而，這些優(yōu)點(diǎn)伴隨著雙光子顯微鏡的有限成像速度，因?yàn)闊晒庑盘?hào)很弱。

為了加快掃描速度，研究小組開(kāi)發(fā)了一種使用數(shù)字微鏡設(shè)備(DMD)的多聚焦激光照明方法。該研究解決了傳統(tǒng)數(shù)字微鏡設(shè)備不能與超快激光一起工作的問(wèn)題，使它們能夠集成并用于光束整形、脈沖整形和雙光子成像。數(shù)字微鏡設(shè)備在樣品中隨機(jī)選擇的位置上產(chǎn)生30個(gè)點(diǎn)的聚焦激光，每個(gè)光點(diǎn)位置和強(qiáng)度由投射到設(shè)備上的二元全息圖控制。在每次測(cè)量期間，數(shù)字微鏡設(shè)備反射全息圖以改變每個(gè)焦點(diǎn)的位置，并使用單像素檢測(cè)器記錄雙光子熒光的強(qiáng)度。

盡管在許多方面，數(shù)字微鏡設(shè)備多焦點(diǎn)掃描比傳統(tǒng)的機(jī)械掃描更靈活和更快，但速度仍然受到數(shù)字微鏡設(shè)備的刷新率限制，結(jié)合壓縮感知算法進(jìn)一步提高成像速度。研究人員通過(guò)將多焦點(diǎn)掃描與壓縮傳感相結(jié)合，進(jìn)一步提高了這項(xiàng)研究的成像速度。這種方法可以用較少的測(cè)量獲得圖像，這是因?yàn)樗趩蝹€(gè)步驟中執(zhí)行圖像測(cè)量和壓縮，然后使用算法從測(cè)量結(jié)果重建圖像。對(duì)于雙光子顯微鏡，它可以減少70%到90%的測(cè)量次數(shù)。在進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)以證明新方法的性能和參數(shù)后，研究人員用雙光子成像實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。

這些實(shí)驗(yàn)證明了該技術(shù)從任何視場(chǎng)以高成像速度產(chǎn)生高質(zhì)量3-D圖像的能力。例如能夠在0.55秒內(nèi)從花粉粒中獲取三維圖像，而用傳統(tǒng)點(diǎn)掃描獲得的相同圖像需要2.2秒。這種方法在不犧牲分辨率的情況下，使成像速度提高了三到五倍，相信這一新穎方法將促使生物學(xué)和醫(yī)學(xué)方面的新發(fā)現(xiàn)，例如光遺傳學(xué)。該團(tuán)隊(duì)目前正在努力進(jìn)一步提高重建算法的速度和圖像質(zhì)量，同時(shí)還計(jì)劃將數(shù)字微鏡設(shè)備與其他先進(jìn)的成像技術(shù)一起使用，這可以在更深的組織中進(jìn)行成像。

博科園｜研究/來(lái)自：香港中文大學(xué)

參考期刊《光學(xué)快報(bào)》

DOI: 10.1364/OL.44.004083

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