基于波前工程技术的快速三维显微成像

图1 基于波前工程的轴向分辨光针显微成像技术的艺术渲染图

最近新提出的一种技术，能实现快速三维图像采集。一次扫描技术使用类似“针”状细长光点进行扫描，以捕捉标本的三维图像。这一新技术由日本东北大学和大阪大学的研究人员发明，无需移动观测平面即可实现快速三维成像，这一点是传统激光扫描显微镜所必需的一项技术。

生命科学、医学诊断等各个领域都离不开光学显微镜。许多生物细胞和组织结构复杂，因此必须使用三维成像进行观察。激光扫描显微成像技术是一项成熟的典型三维成像技术，通过焦点扫描样品来实现三维观察。然而这项技术的一个主要问题是由于需要多次对二维图像采集成像、需要改变观测平面，因此过程耗时长。

激光扫描显微成像中使用的“光针”是沿轴向拉长的激光光斑。通常光针是一种产生深度聚焦图像的常用方法，能在不模糊的情况下对一定深度范围内的标本进行成像。然而使用这一方法只能成像二维图像，成像不含任何深度信息。

图2 以视频速率对悬浮在水中的1微米荧光珠成像，光针以31Hz频率对深度为20微米的三维区域扫描

研究人员提出了一种解决方案，通过一种基于计算机生成全息的技术对样本发出的荧光信号进行操控。他们设计了一种应用在样品内部不同深度位置所发出荧光的全息图，该全息图的目的是根据物体的深度位置在探测器平面上产生横向位移和空间分离的图像。该技术可以将深度信息同时记录为横向信息，在不改变观测平面的情况下构建三维图像。

利用这一原理，研究人员开发了一种配备空间光调制器的显微镜系统，该调制器是一种计算机控制的设备，用于投影CGH。该显微镜系统通过光针进行二维扫描，在20微米的深度范围内构建出三维图像。该系统记录了悬浮在水中微米大小的液滴动态运动的3D视频，现有的激光扫描显微镜很少能做到这一点。

研究人员还演示了使用这一技术对厚生物样本进行3D成像，其速度是传统技术的十倍以上。该技术将显著提高图像采集速度，惠及重视观察、分析三维图像各研究和工业领域。目前，研究人员正计划进一步扩展该方法的适用性，缩小系统体积，以期最终能应用于实际。

此项研究发表于Biomedical Optics Express。文章见：DOI: 10.1364/BOE.449329。