科技前沿 | 基于计算方法提高显微成像速度

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英文原文链接:Computational approach speeds up advanced microscopy imaging: Faster imaging means scientists can observe hundreds of neurons at once with two-photon microscopy[1,
研究人员发明一种方法可以在保证分辨率的前提下将双光子显微成像技术的成像速度提高五倍。这个成像速度可以使科学家观察之前显微设备无法观察的快速生物现象。
在美国光学学会期刊 Optics Letters上，香港中文大学Shih-Chi Chen[2,领衔的的科研团队描述了他们的一种新的成像方法，是利用一种叫做压缩成像的计算成像方式与快速扫描成像方式相结合的一种新的显微成像方法。研究者利用该种新方法在不到一秒的时间里获得了花粉颗粒的双光子显微图像，该种成像方法的成像速度是传统方法成像速度的五倍。
论文的第一作者Chenyang Wen说[i,"[/i,[i,这种依据双光子显微压缩传感的方法对于我们使用同时观察、监测成百个神经网络的活动是非常有效的[/i,[i,"，[/i,研究者还说[i,"[/i,[i,通常，神经信号的传递时间大概是10ms的量级，传统的成像速度很难满足观察、记录这么快的活动[/i,[i,"。[/i,
快速的双光子显微成像是利用超快的红外激光脉冲照射到利用荧光探针标记的样品，之后利用荧光进行成像。由于该方式具有较高分辨率、较深成像深度（成像深度约为mm），因此该方式在生物研究中被广泛使用。然而，在弱光条件下，需要使用点探测器逐点的扫描进行图像的获取与重构，因此，成像速度很受限制。为了提高成像速度，之前，研究人员提出一种利用数字微反射器件（DMD）【经常用于投影仪中的低成本的扫描仪】的多聚焦光束照明的方式。Chen说"[i,然而，DMD不能在超快激光光源下工作，最近，我们提出了这种方法，利用光束整形、脉冲整形、快速成像、双光子成像等手段来保证DMD可以在超快激光下使用[/i,"。
Fig.1 实验装置[2,

DMD在样品中随机生成5-30个聚焦光斑，聚焦点的位置与光强可以通过投影到器件上的二元全息图来控制。一次测量过程中，DMD通过刷新二元全息图像来改变聚焦光斑的位置与记录该点的双光子荧光强度。该种多聚焦光束扫描方式比传统的电子扫描更快、更灵活，但是，该种方式的成像速度还是受二元全息图像刷新速率的影响。
这种结合方式的新方法带来更快的成像速度，研究人员通过结合多光束扫描与压缩传感的方法进一步提高了成像速度。该种计算成像的方式可以利用更少次的曝光来进行图像重构，因为该方法将图像与取样压缩在一步并利用算法去填充遗漏的信息。对于双光子显微，该方法可以利用比传统更少的约70%-90%的曝光进行图像的重构。
在进行证明该方法的性能与光学参数的确定的模拟计算之后，研究人员用双光子显微设备进行了验证。实验结果证明了该种方法可以在任何视场下高速度的获得高质量的三维图像。例如，该方式可以通过五层花粉颗粒的数据获得图像，每一层使用100*100个像素，只需要0.55s，同样的图像利用传统的电子扫描需要2.2s。
Wen说[i,"[/i,[i,对三维样本的任意区域，我们可以在保证分辨率的条件下，实现3-5倍成像速度的增强，我们相信该种依据压缩传感的方法将会有助于应光控制神经元的光遗传学领域，同时，有助于在生物与医药领域的新发现[/i,[i,"。[/i,
研究者正在进一步提高图像重构算法的速度和成像质量。他们也计划将DMD平台用于如基于波前修正和深度组织的成像方法。
文章插图一览（全部来自文献[2,）
Fig. 2

Fig.3

Fig.5

Fig.6

[1, The Optical Society. "Computational approach speeds up advanced microscopy imaging: Faster imagingmeans scientists can observe hundreds of neurons at once with two-photon microscopy." ScienceDaily.ScienceDaily, 27 August 2019. www.sciencedaily.com/releases/2019/08/190827123520.htm
[2, Chenyang Wen, Mindan Ren, Fu Feng, Wang Chen, Shih-Chi Chen. Compressive sensing for fast 3-Dand random-access two-photon microscopy. Optics Letters, 2019; 44 (17): 4343 DOI:10.1364/OL.44.00434