中大工程学院开发全新成像方法 提升三维成像速度 促进生物医学领域研究

香港中文大学（中大）工程学院机械与自动化工程学系陈世祈教授及其团队，结合压缩感知演算法与数码全息显微镜，开发了一种高速成像方法，在1秒内即可完成对三维样品的双光子萤光成像，速度是传统点扫描方法的3至5倍。相关研究成果近日于著名期刊 《 Optics Letters 》 发表。

由于神经活动一般在十毫秒量级的时间内完成，传统的显微镜难以直接观察这些现象；而这种新型并基于压缩感知的双光子显微镜，则可以用于对生物的神经分布进行三维成像，并同时观察几百个神经元的活动。 

新多焦点镭射扫描法 打破双光子显微镜扫描速度限制

双光子显微镜利用汇聚的红外超快脉冲镭射在样品中，与萤光标贴互动以制成图像，并已经广泛应用于生物学研究中。与常规显微镜比较，双光子显微镜能够在深达1毫米的活体组织中进行高解析度三维成像。然而，由于萤光讯号十分微弱，使双光子显微镜的成像速度受到限制。 

为了提升扫描速度，研究团队开发了基于数字微镜器件的多焦点镭射扫描方法。这项研究解决了数位微镜器件无法调制超快镭射的问题，使之能被集成及应用于超光镭射光束整形、脉冲整形，以及双光子成像中。 

数字微镜器件将镭射汇聚到样本随机选择的30个光点位置上，每个光点的位置和强度由数字微镜器件上投射的二进位全息图控制。在每次测量时，数字微镜器件更新其投射的二值全息图以改变每个焦点的位置，并使用单像素检测器记录双光子萤光的强度。数字微镜多焦点扫描较传统机械式扫描更灵活快捷，惟扫描速度仍然受制于数字微镜器件的刷新率。 

结合压缩感知演算 法 进一步提升 成像 速度

研究人员在这个研究中，通过结合压缩感知演算法与数码全息显微镜，进一步提高了成像速度。这种方法将图像测量和压缩「同步进行」，在较少的测量次数下即可完成图像采集，随后使用算法从测量结果中重建图像。这种方法用于双光子显微镜时，可以将测量次数减少70%至90%。 

通过模拟实验确定新方法的效果与参数后，研究人员用双光子成像实验测试了这种新的方法，证明了该技术能够实现高速及高品质的三维成像。例如，此方法只需0.55秒对花粉进行三维成像，相比之下传统的逐点扫描相同图像则只需2.2秒。 

陈世祈教授表示：「这个方法可以将成像速度提升3至5倍，并保持同等的解析度。我们相信这种新方法可以让生物与医学领域例如光遗传学有新发现。团队正努力进一步提高重建演算法的速度和图像质素，并计划将数字微镜器件与其他先进的成像技术结合使用，以进行对更深层组织的成像。」