保证图像质量的同时加速双光子显微镜成像时间

来自香港中文大学的研究人员将压缩成像技术与使用数字微镜器件（DMD）的多聚焦激光照射方法相结合，从而在提高双光子显微镜的成像速度同时不影响分辨率。

DMD在样本内随机选择的位置上产生5到30个聚焦激光。每个光点的位置和强度由投射到设备上的二进制全息图控制。在每次测量期间，DMD重新绘制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。

DMD的速度受到器件形成光图案的速率的限制。为了提高成像速度，由Shih-Chi Chen教授领导的研究小组将压缩感应与基于全息的DMD随机存取扫描仪相结合。在一个步骤中执行采样和图像压缩，并使用算法填充任何缺失的信息。通过利用压缩感知算法，研究人员可以使用比传统方法少70％至90％的曝光重建样本的3D图像。

研究人员使用（a）传统的光栅扫描和（b）新的压缩成像方法比较了花粉粒的双光子显微镜图像。光栅扫描成像时间为2.2秒，而压缩成像时间仅需0.55秒。由Shih-Chi Chen /香港中文大学提供。

该团队通过对不同样品进行了模拟和成像实验，验证了新方法并确定最佳工艺参数，包括激光焦点数和采样率。结果表明，使用25％的采样率和5个焦点可以获得高分辨率的图像。然后，研究人员用双光子成像实验测试了他们的计算方法。这些实验证明了该技术能够从任何视野以高成像速度生成高质量的3D图像。例如，研究人员能够从花粉粒中获取五层图像，每层测量100×100像素，时间上仅需0.55秒，而使用光栅扫描获取相同的图像需要2.2秒。花粉样品的3D荧光成像实验证明了在任意定义的平面上快速3D成像的能力，包括抛物面，倾斜和正弦曲面。

研究人员Yangwen Chen表示，他们在成像速度方面实现了三到五倍的增强，而不会在3D样本中任意选择区域时牺牲分辨率。“基于压缩感应的新型DMD成像平台可用于生物成像和光遗传学，用于研究快速动态事件，也可同时对体内多个感兴趣区域进行研究。

目前，研究人员正在努力进一步提高重建算法的速度和图像质量。他们计划将DMD平台与其他先进的成像技术（如波前校正）结合使用。

该研究目前发表于Optics Letters（https://doi.org/10.1364/OL.44.004343）。