通过将压缩传感算法与数字全息显微镜相结合，由中国香港中文大学工程学院机械及自动化工程系的陈世奇教授和研究团队开发了一种高速成像方法，这种新方法能够在一秒钟内产生3-D样品的双光子显微镜图像，其速度是常规点扫描方法的三到五倍，这项研究结果现已经发表在《光学快报》期刊上。神经元活动通常在10毫秒的时间尺度上完成，这使得常规显微镜很难直接观察到这些现象。
这种新压缩传感双光子显微镜可以应用于生物神经分布的三维成像或同时监测数百个神经元活动。打破双光子显微镜扫描速度限制的多聚焦激光扫描新方法。双光子显微镜工作原理是将红外激光的超快脉冲传递到样品中，在那里它与荧光标记相互作用以创建图像。它被广泛用于生物学研究，因为它能够在活体组织中产生高分辨率的3-D图像，深度达1毫米。然而，这些优点伴随着双光子显微镜的有限成像速度，因为荧光信号很弱。
为了加快扫描速度，研究小组开发了一种使用数字微镜设备(DMD)的多聚焦激光照明方法。该研究解决了传统数字微镜设备不能与超快激光一起工作的问题，使它们能够集成并用于光束整形、脉冲整形和双光子成像。数字微镜设备在样品中随机选择的位置上产生30个点的聚焦激光，每个光点位置和强度由投射到设备上的二元全息图控制。在每次测量期间，数字微镜设备反射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荧光的强度。
尽管在许多方面，数字微镜设备多焦点扫描比传统的机械扫描更灵活和更快，但速度仍然受到数字微镜设备的刷新率限制，结合压缩感知算法进一步提高成像速度。研究人员通过将多焦点扫描与压缩传感相结合，进一步提高了这项研究的成像速度。这种方法可以用较少的测量获得图像，这是因为它在单个步骤中执行图像测量和压缩，然后使用算法从测量结果重建图像。对于双光子显微镜，它可以减少70%到90%的测量次数。在进行模拟实验以证明新方法的性能和参数后，研究人员用双光子成像实验对其进行了测试。
这些实验证明了该技术从任何视场以高成像速度产生高质量3-D图像的能力。例如能够在0.55秒内从花粉粒中获取三维图像，而用传统点扫描获得的相同图像需要2.2秒。这种方法在不牺牲分辨率的情况下，使成像速度提高了三到五倍，相信这一新颖方法将促使生物学和医学方面的新发现，例如光遗传学。该团队目前正在努力进一步提高重建算法的速度和图像质量，同时还计划将数字微镜设备与其他先进的成像技术一起使用，这可以在更深的组织中进行成像。
博科园｜研究/来自：香港中文大学
参考期刊《光学快报》
DOI: 10.1364/OL.44.004083
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