新型激光技术为生物医学研究带来更快的三维成像

通过将压缩感知算法与数字全息显微镜相结合，中国香港大学工程学院机械与自动化工程系Shih Chi Chen教授和他的研究小组开发了一种高速成像方法。新方法能够在1秒内产生三维样品的双光子显微图像，其速度是传统点扫描方法的3-5倍。

神经元的活动一般在10毫秒的时间尺度上完成，这使得传统的显微镜很难直接观察到这些现象。这种新的压缩传感双光子显微镜可应用于生物神经分布的三维成像或同时监测数百个神经元的活动。

 

研究人员利用（a）传统的点扫描和（b）新的压缩成像方法制备了花粉粒的显微镜图像。点扫描成像时间为2.2秒，压缩成像时间仅需0.55秒。

突破双光子显微镜扫描速度限制的多聚焦激光扫描新方法

双光子显微镜的工作原理是将超快的红外激光脉冲传送到样品上，在样品上与荧光标签相互作用，产生图像。它能在活体组织中产生深度达一毫米的高分辨率三维图像，因此被广泛用于生物学研究。然而，由于荧光信号微弱，双光子显微镜的成像速度有限。

为了加快扫描速度，研究小组开发了一种使用数字微镜装置（DMD）的多焦点激光照明方法。本研究解决了传统的数字微镜装置无法与超快激光配合使用的问题，使其能够集成应用于光束整形、脉冲整形和双光子成像。

研究人员已经开发出一种系统，可以在不影响分辨率的情况下，将双光子显微镜的成像速度提高3到5倍。左边是一个紧凑的、定制的、双光子显微镜系统的CAD模型。内部的自由空间光学元件如右图所示。

 

数字微镜装置在样本内随机选择的位置产生30点聚焦激光。每个光点的位置和强度由投射到装置上的二元全息图控制。在每次测量过程中，数字微镜装置用单像素探测器对全息图进行反射，改变每个焦点的位置，记录双光子荧光的强度。虽然在许多方面，数字微镜装置多焦点扫描比传统的机械扫描更灵活，速度更快，但速度仍然受到数字微镜装置刷新率的限制。

结合压缩感知算法进一步提高成像速度

在这项研究中，研究人员将多聚焦扫描与压缩传感相结合，进一步提高了成像速度。这种方法可以用较少的测量值进行图像采集。这是因为它在一个步骤中进行图像测量和压缩，然后使用算法从测量结果重建图像。对于双光子显微镜，它可以将测量次数减少70%到90%。

在进行了模拟实验以证明新方法的性能和参数后，研究人员用双光子成像实验对其进行了测试。这些实验证明了该技术能够从任何视野以高成像速度生成高质量的三维图像。例如，他们能够在0.55秒内从花粉粒中获取三维图像。用传统的点扫描法获得的相同图像耗时2.2秒。

Shih-Chi Chen教授说：“这种方法在不牺牲分辨率的前提下，实现了成像速度的3到5倍增强。我们相信这一新的方法将导致生物学和医学上的新发现，如光遗传学。该小组目前正在努力进一步提高重建算法的速度和图像质量。我们还计划将数字微镜装置与其他先进的成像技术结合使用，从而可以在更深的组织中成像。” 

原文来源 ：https://phys.org/news/2019-11-faster-d-imaging-biomedical.html