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用于大计算量体积测量光学相干显微镜的计算自适应光学

发布:opticseditor阅读:818时间:2016-12-19 21:49:10

  基于计算和像差光学设计的成像技术提供了一种很有前景的方法,能够以细胞和亚细胞级分辨率对生物动力学进行体积成像研究。

  大计算量光学成像在生物成像领域发挥的作用越来越大。该技术能够以各种不同的时空尺度研究生物动力学。即将受益于这种能力的一个领域是胚胎发育、组织再生和癌症过程中的集体或突发行为研究。以细胞或亚细胞级分辨率进行高速体积成像的现有模式通常是基于荧光信号检测。因此,它们受到光漂白和光毒性限制,并由此而限制了排除使用外源性造影剂装置(如许多临床装置)的范围。

  高速方法,比如光学相干断层扫描(OCT)法,有助于提供无标记的生物动力学成像,从而填补生物成像领域在这方面的空白。超高速OCT领域的最新进展实现了以视频速率(如25ms一个体积)采集体积数据集。然而,将这种大计算量采集方法与细胞级分辨率光学相干显微镜(OCM)结合是非常大的挑战。限制OCM体积采集速率的主要因素是随着到光学焦点点位距离的增加,分辨率和信号强度会快速退化。有大量体积细胞级分辨率的硬件方法。这些方法包括多个OCM数据集的采集,每个OCM具有不同的焦点深度,以及单个‘在焦’体积的后续合成。还可以对照明和采集光束进行设计,以提供一个扩大的聚焦区。这些方法中,焦点扫描法能够提供最高的图像质量。然而,它的总体积采集时间大约为10分钟,或者在获得单个在焦体积之前,需要超过10个体积数据集的采集。因此,对于在瞬息时间尺度或者更短的时间尺度内成像生物系统动力学,这种方法是不切实际的。另一方面,Bessel光束照明的使用能够在给定焦点深度范围内同时提供细胞级分辨率OCM。然而,这种方法还没有在跨越超过几百微米的焦点深度范围内证明细胞级分辨率OCM。

  我们的大计算量体积OCM方法旨在无需进行耗时的焦点扫描的情况下,在焦深范围内提供均匀的高分辨率和信噪比(SNR)。我们采用像散光学系统来平衡信号采集与焦深,结合计算自适应光学(CAO)来补偿分辨率损失,用散光光学元件进行成像是通常伴随着分辨率的损耗。

  图1. 葡萄样品的体积光学相干显微镜(OCM)扫描和CAO-OCM(计算自适应光学-OCM)重建结果,成像用的是散光系统。(a)通过OCM获得的体积图像,(b)相应的CAO-OCM重建图像。体积效果图给出了样品表面下从220μm跨越到1130μm的焦深范围。这些重建和体积效果图的制作是离线进行的。(c–e)用图形处理单元从三个焦深(分别为380、730和1030μm)获得的实时en face OCM平面。(f–h)相应的CAO-OCM en face平面,显示了同步实时校正散焦和散光。比例尺:100μm

  用OCT进行干涉检测可以对从样品内后向反射的(由折射分辨率的空间变化引起的)复杂光学场进行测量。因此,OCT数据集可被视作一个数字全息图。就像在数字全息术中一样,我们的方法可以让光学成像和优化在数据采集之后继续进行。CAO提供一种方法,通过这种方法可以数值操纵OCT数据集的傅立叶域,从而可以进行像差校正。这类似于操作硬件自适应光学(HAO),在该过程中进行成像时要物理操纵傅立叶域信号的相位。就像使用HAO一样,通过用图像度量来优化“导引星模式”(该模式中样品内的点状散射被用于检测现有像差)中的校正,以及通过实施子孔径波前传感方法,CAO可用于“无传感器模式”。

  图1给出了一串葡萄样品的体积CAO-OCM重建。这种重建以一个3D数据集为基础,该数据集是我们通过使用谱域OCT系统(具有约为2μm的轴向分辨率)和散光样品臂光学元件(具有约为3μm的无像差焦平面分辨率)获得的。我们的散光光学系统能够在两个轴向分离线焦点位置提供增强光子采集,从而平衡SNR与焦深。相比OCM体积,在跨越近1毫米的焦点深度范围的整个体积内,CAO-OCM重建法以明显更高的分辨率显示葡萄的细胞结构。图片还给出了在图形处理单元上实现的实时CAO-OCM。我们的系统能够在体积内以用户可选择焦深实现同步校正三个En Face面的散焦和散光。这突出了CAO相对于HAO的优势,HAO本身就需要一个高度复杂的多共轭装置来实现类似的多平面校正。

  图2. 用标准高斯光束(a)和我们的散光光束(b)获得的,二氧化钛分辨率模型的体积数据集中的截面图像的最大强度投影。比例尺:150μm。(c)经过CAO-OCM重建后,散光和标准高斯光学系统都维持类似的分辨率。(d)信噪比(SNR)与焦深的对比,表明相比使用标准高斯光束,用散光光束能获得更均匀的随焦深变化的信号。用纵轴的虚线标明焦深对应(a)和(b)中的虚线。所有结果都经过CAO-OCM处理。

  我们发现CAO还可以用于提供另一种方法,通过这种方法可以解决随着与焦点位置距离增加信号采集降低的问题。在获取数据之后校正像差效应的能力释放了对光学系统的典型无像差设计限制。可以转而将这些系统设计为具有最佳信号采集与焦深。我们将用标准高斯光束获得的重建数据的分辨率和信号强度与自己的散光光学系统进行对比:见图2(b)。虽然CAO-OCM重建法在这两个系统上的使用带来了相似的分辨率,如图2(c),但散光系统能够在焦深相对大(约1mm)的范围内提供总的SNR成像优势:见图2(d)。这种优势是随着一种能力而出现的,即调整两个散光线焦点的轴向距离,从而增强在这些焦深位置的光子采集。虽然光子采集在标称高斯光束焦平面会降低,但可以在样品中两个较浅(<800μm)和较深(>1200μm)的位置观察到SNR改进,从而使信号动态范围总体减少。这增大了焦深范围,可以在这个范围上实现具有均匀高分辨率和SNR的体积成像。

  我们已经表明,CAO能够利用像差光学系统设计来优化整个深度范围的光子采集,从而有助于促进大体积OCM成像。这种成像模式能够以各向同性细胞分辨率在毫米级3D视场内实现大计算量体积OCM。随着进一步研究,它还可以用OCM对胚胎发育、组织再生和癌症中的突发行为进行体积成像。该系统还可以充当多模桥,通过它连接无标记方法和现有大计算量荧光成像技术。在我们未来的研究中,我们的目标是在3D环境中用大计算量体积OCM来研究集体细胞迁移动力学。

  来源:中国科学院光电技术研究所

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