北京
香港大學(xué)研究人員開發(fā)出AIMED，一種利用壓縮測量加速三維成像的顯微方法。
香港大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種新的顯微技術(shù)，能夠利用顯著減少的測量數(shù)據(jù)重建三維圖像，有望在加速生物成像的同時(shí)，減少對樣品的光照暴露。
該方法名為AIMED，是“任意照明編碼深度顯微術(shù)”（Arbitrary Illumination Microscopy with Encoded Depth）的縮寫，它將光學(xué)編碼與計(jì)算圖像重建相結(jié)合。該系統(tǒng)專為多光子顯微術(shù)而設(shè)計(jì)，這是一種廣泛用于深層生物組織研究的成像方法。
傳統(tǒng)的多光子顯微術(shù)通常逐層采集圖像，需要在不同深度進(jìn)行重復(fù)掃描。這種方法雖然有效，但過程緩慢，且會使樣品暴露在大量光照下，限制了其在觀察快速生物事件或進(jìn)行長期研究中的實(shí)用性。
香港的團(tuán)隊(duì)試圖通過采集壓縮成像數(shù)據(jù)，并使用稀疏優(yōu)化算法重建完整的三維體，來克服這些限制。該系統(tǒng)不是單獨(dú)掃描每個(gè)深度，而是同時(shí)激發(fā)多個(gè)層面，然后通過計(jì)算方式分離信號。
突破掃描瓶頸
為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員使用空間光調(diào)制器將激光束分成多個(gè)位于不同深度的焦點(diǎn)。每個(gè)焦點(diǎn)的強(qiáng)度可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，有助于補(bǔ)償組織深處信號的損失。
該技術(shù)還得益于雙光子和三光子激發(fā)的非線性特性，這有助于抑制成像面之間的干擾。這使得編碼的深度信息在重建過程中能被更準(zhǔn)確地恢復(fù)。
研究人員在小鼠腦神經(jīng)元樣本上測試了AIMED，并報(bào)告稱，在大約60%的壓縮比下，該方法能分辨出樹突和軸突等精細(xì)結(jié)構(gòu)。
據(jù)研究團(tuán)隊(duì)介紹，該方法每個(gè)成像面所需的光功率僅為常規(guī)方法的三分之一到二分之一。在一些測試配置中，與傳統(tǒng)掃描方法相比，重建圖像的對比度有所提高。
成像更快，光照更少
研究人員還檢查了被稱為樹突棘的精細(xì)神經(jīng)元特征。他們報(bào)告稱，AIMED提供的圖像質(zhì)量與傳統(tǒng)依賴更高光功率的順序掃描方法相當(dāng)，在某些情況下甚至更優(yōu)。
在62.5%至87.5%的壓縮比范圍內(nèi)，重建圖像的結(jié)構(gòu)相似性指數(shù)保持在約0.95，峰值信噪比在41至42分貝之間，表明圖像保真度的損失極小。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步進(jìn)行了涉及多達(dá)47個(gè)成像面的模擬研究。這些模擬顯示，在大規(guī)模成像任務(wù)中，該方法可將體積成像速度提高約八倍。
與許多需要大規(guī)模硬件升級的加速策略不同，AIMED被設(shè)計(jì)為一種相對簡單的附加方案。研究人員表示，該框架可以適用于其他成像方法，包括共聚焦顯微術(shù)、拉曼成像和光聲成像。
這項(xiàng)工作對于研究神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等稀疏生物結(jié)構(gòu)，以及那些將光損傷最小化視為關(guān)鍵的成像應(yīng)用特別有用。
該研究成果發(fā)表于《先進(jìn)光子學(xué)》（Advanced Photonics）期刊。
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