更快的3D生物医学成像与压缩检测双光子显微镜

CAD模型

研究人员开发了一种系统,该系统将两光子显微镜的成像速度增加到三到五次,而不会损害分辨率。左侧是紧凑,定制,双光子显微镜系统的CAD模型。内部的自由空间光学器件在右侧。信贷:香港中文大学

通过将压缩传感算法与数字全息显微镜相结合,香港中文大学(CUHK)工程学院机械自动化工程系的机械和自动化工程系教授和他的研究团队开发了高速成像方法。新方法能够在一秒钟内生产3D样品的两光子显微镜图像,这是传统点扫描方法的速度三到五倍。这研究结果已在期刊上发表光学字母最近。

神经元的活性通常在10毫秒的时间等级完成,这使得传统显微镜难以直接观察这些现象。这种新的压缩感测双光子显微镜可以应用于生物的神经分布的3D成像或同时监测数百个神经元的活动。

新的多聚焦激光扫描方法破坏双光子显微镜的扫描速度限制

双光子显微镜通过将红外激光的超快脉冲传递给样品,在其中与荧光标记相互作用以产生图像。它广泛用于生物研究,因为它能够在活组织中产生高分辨率的3D图像,其高分辨率3D图像高达一毫米的深度。然而,由于荧光信号弱,这些优点是双光子显微镜的有限成像速度。

双光子显微镜图像

研究人员通过使用(a)传统的点扫描和(b)新的压缩成像方法制备了花粉晶粒的两光子显微镜图像。点扫描成像时间为2.2秒,而压缩成像时间仅需要0.55秒。信贷:香港中文大学

为了加速扫描,研究团队开发了一种使用数字微镜装置(DMD)的多聚焦激光照明方法。该研究解决了传统DMD不可用作使用超快激光的问题,使它们能够集成并用于光束整形,脉冲整形和双光子成像。

DMD在样本内的随机选择的位置产生30个聚焦激光。每个光点的位置和强度由突出到设备上的二进制全息图控制。在每次测量期间,DMD重新读取全息图以改变每个焦点的位置,并将双光子荧光的强度与单像素检测器记录。虽然在许多方面,DMD多焦扫描比传统的机械扫描更灵活,但速度仍然受到DMD的刷新率的限制。

组合压缩传感算法进一步提高了成像速度

研究人员通过将多聚焦扫描与压缩感测结合来进一步提高了该研究的成像速度。该方法使图像采集能够较少测量。这是因为它在单个步骤中执行图像测量和压缩,然后使用算法从测量结果重建图像。对于双光子显微镜,它可以将测量值减少70%和90%。

香港中文大学世志陈

这是Shih-Chi教授(从右,前排第一个)和他的研究团队。信贷:香港中文大学

在进行仿真实验后,展示新方法的性能和参数,研究人员用双光子成像实验进行了测试。这些实验证明了该技术能够从任何视野中生产具有高成像速度的高质量3D图像。例如,他们能够从花粉谷物中获取3D图像,仅在0.55秒。使用传统点扫描获取的相同图像需要2.2秒。

陈氏教授说:“这种方法在没有牺牲分辨率的情况下,成像速度的增强了三到五倍。我们认为,这种新的方法将导致生物学和药物中的新发现,例如视验。yabo124该团队现在正在努力进一步提高重建算法和图像质量的速度。我们还计划与其他先进的成像技术一起使用DMD,这允许在更深的组织中成像。“

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参考文献:“快速3-D和随机接入双光子显微镜的压缩感应”由陈阳文,Mindan任,傅峰,王晨和什志陈,光学字母,卷。44,第17页,第4343-4346(2019)。
DOI:10.1364 / OL.44.004343

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