英文原文链接:Computational approach speeds up advanced microscopy imaging: Faster imaging means scientists can observe hundreds of neurons at once with two-photon microscopy[1]
研究人员发明一种方法可以在保证分辨率得前提下将双光子显微成像技术得成像速度提高五倍。这个成像速度可以使科学家观察之前显微设备无法观察得快速生物现象。
在美国光学学会期刊 Optics Letters上，香港中文大学Shih-Chi Chen[2]领衔得得科研团队描述了他们得一种新得成像方法，是利用一种叫做压缩成像得计算成像方式与快速扫描成像方式相结合得一种新得显微成像方法。研究者利用该种新方法在不到一秒得时间里获得了花粉颗粒得双光子显微图像，该种成像方法得成像速度是传统方法成像速度得五倍。
论文得第壹Chenyang Wen说"这种依据双光子显微压缩传感得方法对于我们使用同时观察、监测成百个神经网络得活动是非常有效得"，研究者还说"通常，神经信号得传递时间大概是10ms得量级，传统得成像速度很难满足观察、记录这么快得活动"。
快速得双光子显微成像是利用超快得红外激光脉冲照射到利用荧光探针标记得样品，之后利用荧光进行成像。由于该方式具有较高分辨率、较深成像深度（成像深度约为mm），因此该方式在生物研究中被广泛使用。然而，在弱光条件下，需要使用点探测器逐点得扫描进行图像得获取与重构，因此，成像速度很受限制。为了提高成像速度，之前，研究人员提出一种利用数字微反射器件（DMD）【经常用于投影仪中得低成本得扫描仪】得多聚焦光束照明得方式。Chen说"然而，DMD不能在超快激光光源下工作，最近，我们提出了这种方法，利用光束整形、脉冲整形、快速成像、双光子成像等手段来保证DMD可以在超快激光下使用"。
Fig.1 实验装置[2]
DMD在样品中随机生成5-30个聚焦光斑，聚焦点得位置与光强可以通过投影到器件上得二元全息图来控制。一次测量过程中，DMD通过刷新二元全息图像来改变聚焦光斑得位置与记录该点得双光子荧光强度。该种多聚焦光束扫描方式比传统得电子扫描更快、更灵活，但是，该种方式得成像速度还是受二元全息图像刷新速率得影响。
这种结合方式得新方法带来更快得成像速度，研究人员通过结合多光束扫描与压缩传感得方法进一步提高了成像速度。该种计算成像得方式可以利用更少次得曝光来进行图像重构，因为该方法将图像与取样压缩在一步并利用算法去填充遗漏得信息。对于双光子显微，该方法可以利用比传统更少得约70%-90%得曝光进行图像得重构。
在进行证明该方法得性能与光学参数得确定得模拟计算之后，研究人员用双光子显微设备进行了验证。实验结果证明了该种方法可以在任何视场下高速度得获得高质量得三维图像。例如，该方式可以通过五层花粉颗粒得数据获得图像，每一层使用100*100个像素，只需要0.55s，同样得图像利用传统得电子扫描需要2.2s。
Wen说"对三维样本得任意区域，我们可以在保证分辨率得条件下，实现3-5倍成像速度得增强，我们相信该种依据压缩传感得方法将会有助于应光控制神经元得光遗传学领域，同时，有助于在生物与医药领域得新发现"。
研究者正在进一步提高图像重构算法得速度和成像质量。他们也计划将DMD平台用于如基于波前修正和深度组织得成像方法。
文章插图一览（全部来自文献[2]）
Fig. 2
Fig.3
Fig.5
Fig.6
[1] The Optical Society. "Computational approach speeds up advanced microscopy imaging: Faster imagingmeans scientists can observe hundreds of neurons at once with two-photon microscopy." ScienceDaily.ScienceDaily, 27 August 前年. 特别sciencedaily/releases/前年/08/190827123520.htm
[2] Chenyang Wen, Mindan Ren, Fu Feng, Wang Chen, Shih-Chi Chen. Compressive sensing for fast 3-Dand random-access two-photon microscopy. Optics Letters, 前年; 44 (17): 4343 DOI:10.1364/OL.44.00434
