科學家開發出了一種方法，可以在不影響分辨率的情況下将雙光子顯微鏡成像速度提高五倍！這種創紀錄的成像速度将使科學家們，能夠觀察到以前過于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，描述了他們如何将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。

使用這種新方法在不到一秒時間内獲得了花粉顆粒的雙光子顯微鏡圖像，使用傳統的方法這将需要五倍的時間。這種基于壓縮傳感的雙光子顯微鏡方法，将有助于可視化神經網絡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信号，而傳統系統太慢了。雙光子顯微鏡工作原理是将超快的紅外激光脈沖傳輸到樣品中，在樣品中與組織或熒光标記相互作用，這些組織或熒光标記發出用于創建圖像的信号。

雙光子顯微鏡被廣泛用于生物學研究，因為它能夠産生高分辨率的3-D圖像，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圖像采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激光照明方法，該方法使用數字微鏡設備(DMD)，這是一種通常用于投影儀的低成本光掃描儀。此前人們認為這些DMD不能與超快激光一起工作。然而現在解決了這個問題，這使得DMD在超快激光應用中得以應用，這些應用包括光束整形、脈沖整形、快速掃描和雙光子成像。

DMD在樣品内随機選擇的位置上産生5到30點聚焦激光。每個光點的位置和強度由投射到設備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，并用單像素探測器記錄雙光子熒光的強度。盡管在許多方面，DMD多焦點掃描比傳統的光栅掃描更靈活和更快，但速度仍然受到設備可以形成光圖案的速率限制。在新的研究中，研究人員通過将多聚焦掃描與壓縮傳感相結合，進一步提高了成像速度。

這種計算方法能夠以較少的曝光進行圖像重建，因為它在單個步驟中執行采樣和圖像壓縮，然後使用算法來填充缺失的信息。對于雙光子顯微鏡，它能使用比傳統方法少70%到90%的曝光來重建樣本。在進行了模拟實驗以展示新方法的性能并确定最佳參數後，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産生高質量3-D圖像的能力。例如，能夠在0.55秒内從花粉顆粒的五層獲取圖像。

每層測量100×100像素，用光栅掃描獲得的相同圖像花費了2.2秒。在成像三維樣品中任意選擇的區域時，在不犧牲分辨率的情況下，在成像速度上實現了3到5倍的增強，這種基于壓縮傳感的新方法将有助于光遺傳學等方法使用，其中光被用來控制神經元，并将導緻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算法的速度和圖像質量，還計劃将DMD平台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。

博科園｜研究/來自：光學學會

參考期刊《光學快報》

DOI: 10.1364/OL.44.004343

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