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2019年10月24日

中大工程學院開發全新成像方法提升三維成像速度 促進生物醫學領域研究

2019年10月24日
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陳世祈教授

陳世祈教授(前排右一)及其研究團隊。

研究人員使用傳統的逐點掃描(a)和新的壓縮感知方法(b)對花粉分別進行雙光子螢光成像。其中,逐點掃描需2.2秒,而壓縮感知耗時僅為0.55秒。

研究人員已開發基於數碼微鏡陣列的雙光子顯微鏡,可在不影響解析度的情況下將雙光子顯微鏡的成像速度提高三至五倍。雙光子顯微鏡系統的CAD模型如左圖所示,實際系統的內部如右圖所示。

香港中文大學(中大)工程學院機械與自動化工程學系陳世祈教授及其團隊,結合壓縮感知演算法與數碼全息顯微鏡,開發了一種高速成像方法,在1秒內即可完成對三維樣品的雙光子螢光成像,速度是傳統點掃描方法的3至5倍。相關研究成果近日於著名期刊Optics Letters發表。

由於神經活動一般在十毫秒量級的時間內完成,傳統的顯微鏡難以直接觀察這些現象;而這種新型並基於壓縮感知的雙光子顯微鏡,則可以用於對生物的神經分布進行三維成像,並同時觀察幾百個神經元的活動。 

新多焦點鐳射掃描法 打破雙光子顯微鏡掃描速度限制

雙光子顯微鏡利用匯聚的紅外超快脈衝鐳射在樣品中,與螢光標貼互動以製成圖像,並已經廣泛應用於生物學研究中。與常規顯微鏡比較,雙光子顯微鏡能夠在深達1毫米的活體組織中進行高解析度三維成像。然而,由於螢光訊號十分微弱,使雙光子顯微鏡的成像速度受到限制。 

為了提升掃描速度,研究團隊開發了基於數字微鏡器件的多焦點鐳射掃描方法。這項研究解決了數位微鏡器件無法調製超快鐳射的問題,使之能被集成及應用於超光鐳射光束整形、脈衝整形,以及雙光子成像中。 

數字微鏡器件將鐳射匯聚到樣本隨機選擇的30個光點位置上,每個光點的位置和強度由數字微鏡器件上投射的二進位全息圖控制。在每次測量時,數字微鏡器件更新其投射的二值全息圖以改變每個焦點的位置,並使用單像素檢測器記錄雙光子螢光的強度。數字微鏡多焦點掃描較傳統機械式掃描更靈活快捷,惟掃描速度仍然受制於數字微鏡器件的刷新率。 

結合壓縮感知演算 進一步提升成像速度

研究人員在這個研究中,通過結合壓縮感知演算法與數碼全息顯微鏡,進一步提高了成像速度。這種方法將圖像測量和壓縮「同步進行」,在較少的測量次數下即可完成圖像採集,隨後使用算法從測量結果中重建圖像。這種方法用於雙光子顯微鏡時,可以將測量次數減少70%至90%。 

通過模擬實驗確定新方法的效果與參數後,研究人員用雙光子成像實驗測試了這種新的方法,證明了該技術能夠實現高速及高品質的三維成像。例如,此方法只需0.55秒對花粉進行三維成像,相比之下傳統的逐點掃描相同圖像則只需2.2秒。 

陳世祈教授表示:「這個方法可以將成像速度提升3至5倍,並保持同等的解析度。我們相信這種新方法可以讓生物與醫學領域例如光遺傳學有新發現。團隊正努力進一步提高重建演算法的速度和圖像質素,並計劃將數字微鏡器件與其他先進的成像技術結合使用,以進行對更深層組織的成像。」



陳世祈教授

陳世祈教授

 

陳世祈教授(前排右一)及其研究團隊。

陳世祈教授(前排右一)及其研究團隊。

 

研究人員使用傳統的逐點掃描(a)和新的壓縮感知方法(b)對花粉分別進行雙光子螢光成像。其中,逐點掃描需2.2秒,而壓縮感知耗時僅為0.55秒。

研究人員使用傳統的逐點掃描(a)和新的壓縮感知方法(b)對花粉分別進行雙光子螢光成像。其中,逐點掃描需2.2秒,而壓縮感知耗時僅為0.55秒。

 

研究人員已開發基於數碼微鏡陣列的雙光子顯微鏡,可在不影響解析度的情況下將雙光子顯微鏡的成像速度提高三至五倍。雙光子顯微鏡系統的CAD模型如左圖所示,實際系統的內部如右圖所示。

研究人員已開發基於數碼微鏡陣列的雙光子顯微鏡,可在不影響解析度的情況下將雙光子顯微鏡的成像速度提高三至五倍。雙光子顯微鏡系統的CAD模型如左圖所示,實際系統的內部如右圖所示。

 

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