一种新的显微镜允许高通量三维自适应光学成像

一种新的显微镜允许高通量三维自适应光学成像。利用压缩时间反转矩阵实现了实时无像差动态散斑显微术。

　　

   

   

图:(a)压缩时间反转矩阵显微镜示意图。由旋转漫射器产生的随机散斑场依次照射像差介质下的样品，利用离轴数字全息显微镜测量反射散斑场。BS:分束器。OL:物镜。(b)散斑场测量全息图的例子。(上:强度，下:阶段)

资料来源:基础科学研究所

显微镜是生物医学研究的重要工具，因为它可以对组织进行详细的观察和成像。由于生物材料的本质是不透明的，当光穿过组织时，会发生严重的光散射，这导致了高水平的背景噪声和复杂的光学像差。因此，典型的光学显微镜大多能让我们看到组织的表面，而许多显微镜无法观察到多层细胞深层的细节。这使得对组织深处的微结构进行高分辨率光学成像变得极具挑战性。

大约一年前，基础科学研究所(IBS)分子光谱学和动力学中心(CMSD)的CHOI Wonshik教授领导的研究小组展示了一种名为“反射矩阵显微镜”的成像技术，该技术结合了硬件和计算高级自适应光学的能力。与传统成像相比，它测量一个反射矩阵，该矩阵包含了成像系统的输入和输出域之间的所有可访问信息，包括感兴趣的对象。通过后数字图像处理，可以从测量矩阵中提取出清晰的目标图像。

因此，该技术成为生物组织内部无标记、无创高分辨率光学成像的合适候选技术。矩阵成像当然优于大多数传统的AOs。例如，研究人员证明，这项技术足够强大，可以“看穿”一个完整的老鼠头骨，并允许对下方的神经元进行精确成像。

尽管反射矩阵显微镜的性能令人惊叹，但它也不是没有缺点。由于需要测量所有可访问的输入照明领域的大量干涉图像，因此测量整个反射矩阵耗时且容易受到外部干扰。虽然更稀疏的采样可以加速过程，但采样不足会导致校正失真的能力有限。因此，这意味着活体样本的实时体积成像是不可能的，这导致其在生物动力学研究中的应用受到实际限制。

在《光:科学与应用》杂志上发表的最新研究中，IBS团队最近公布了他们之前AO显微镜技术的一种新的改进版本。这种新型实时容积AO成像系统能够在大深度范围内对高度像差的样品进行三维成像，同时最大限度地减少图像退化。

为了加快数据采集速度，Choi的团队在矩阵成像的背景下使用了压缩感知技术。他们只是简单地在之前部署的反射矩阵显微镜中引入了一个旋转光学漫射器，按顺序照亮样品上的未知斑点图案。然后，他们通过获取比以前更少的散斑图像来获得压缩反射矩阵，这将矩阵采集时间减少了近100倍。

在图像后处理中，他们采用了压缩的“时间反转矩阵”和一种独特的算法来分别识别样本信息和像差。这种技术的优点是，它不仅大大减少了矩阵采集时间，而且还消除了仔细校准或特定选择照明模式的需要。

压缩时间反转矩阵成像可以实现几乎实时的AO体积成像。这种新型显微镜的功能通过小鼠大脑髓鞘神经纤维的无畸变3D成像得到了证实。对于128 × 128 × 125 μm3组织的体积成像，数据采集时间仅为3.58秒，衍射极限横向分辨率为0.45 μm，轴向分辨率为2 μm。

这将为矩阵成像在包括生物医学成像在内的波工程各个领域的实际应用开辟一条新的途径。崔副所长表示:“通过更快的反射矩阵成像技术，可以实现实时、非破坏性的三维光学诊断，这将使诊断速度更快，神经科学研究也将取得进展。”我们将进一步开发该技术，以扩大其在包括生物医学成像在内的所有波浪工程领域的应用范围。”