在不影響解析度的情況下,將雙光子顯微鏡成像速度提高5倍!

科學家開發出了一種方法,可以在不影響解析度的情況下將雙光子顯微鏡成像速度提高五倍!這種創紀錄的成像速度將使科學家們,能夠觀察到以前過於短暫而無法用當前最先進顯微鏡成像的生物現象。在光學學會(OSA)出版的《光學通訊》(Optical Letters)期刊上,由香港中文大學Shih-Chi Chen領導的研究人員,描述了他們如何將一種稱為壓縮成像的計算成像方法,與一種更快的掃描方法結合起來。

在不影響解析度的情況下,將雙光子顯微鏡成像速度提高5倍!

使用這種新方法在不到一秒時間內獲得了花粉顆粒的雙光子顯微鏡影象,使用傳統的方法這將需要五倍的時間。這種基於壓縮感測的雙光子顯微鏡方法,將有助於視覺化神經網路或同時監測數百個神經元的活動。通常,神經元在10毫秒的時間尺度上傳輸訊號,而傳統系統太慢了。雙光子顯微鏡工作原理是將超快的紅外鐳射脈衝傳輸到樣品中,在樣品中與組織或熒游標記相互作用,這些組織或熒游標記發出用於建立影象的訊號。

在不影響解析度的情況下,將雙光子顯微鏡成像速度提高5倍!

雙光子顯微鏡被廣泛用於生物學研究,因為它能夠產生高解析度的3-D影象,深度達1毫米。然而,這些優點帶來了有限的成像速度,因為微光條件需要逐點影象採集和重建的點檢測器。為了加快成像速度,科學家之前開發了一種多焦點鐳射照明方法,該方法使用數字微鏡裝置(DMD),這是一種通常用於投影儀的低成本光掃描器。此前人們認為這些DMD不能與超快鐳射一起工作。然而現在解決了這個問題,這使得DMD在超快鐳射應用中得以應用,這些應用包括光束整形、脈衝整形、快速掃描和雙光子成像。

在不影響解析度的情況下,將雙光子顯微鏡成像速度提高5倍!

DMD在樣品內隨機選擇的位置上產生5到30點聚焦鐳射。每個光點的位置和強度由投射到裝置上的二元全息圖控制。在每次測量期間,DMD反射全息圖以改變每個焦點的位置,並用單畫素探測器記錄雙光子熒光的強度。儘管在許多方面,DMD多焦點掃描比傳統的光柵掃描更靈活和更快,但速度仍然受到裝置可以形成光圖案的速率限制。在新的研究中,研究人員透過將多聚焦掃描與壓縮感測相結合,進一步提高了成像速度。

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這種計算方法能夠以較少的曝光進行影象重建,因為它在單個步驟中執行取樣和影象壓縮,然後使用演算法來填充缺失的資訊。對於雙光子顯微鏡,它能使用比傳統方法少70%到90%的曝光來重建樣本。在進行了模擬實驗以展示新方法的效能並確定最佳引數後,研究人員用雙光子成像實驗對其進行了測試。這些實驗證明了該技術在任何視場都能以高成像速度產生高質量3-D影象的能力。例如,能夠在0。55秒內從花粉顆粒的五層獲取影象。

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每層測量100×100畫素,用光柵掃描獲得的相同影象花費了2。2秒。在成像三維樣品中任意選擇的區域時,在不犧牲解析度的情況下,在成像速度上實現了3到5倍的增強,這種基於壓縮感測的新方法將有助於光遺傳學等方法使用,其中光被用來控制神經元,並將導致生物學和醫學方面的新發現。研究人員正在努力進一步提高重建演算法的速度和影象質量,還計劃將DMD平臺與其他先進的成像技術一起使用,例如深層組織成像的波前校正。

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