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基于多模光纤的无损内窥镜

发布:laserline    |    2018-12-14 11:50    阅读:440
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来自德国和英国的研究人员开发了一种内窥镜系统,这种内窥镜系统可以对深脑进行高分辨率荧光成像,并在多模光纤尖端进行投影。成像系统使用新方法对复杂介质(例如大脑)中的光传播进行全息控制,以提高成像速度并改善图像质量(Light Sci.App., doi:10.1038 / s41377-018-0094-x)。研究人员成功地在活体小鼠模型中的深部脑区展示了他们的微创成像系统。由德国Liebniz光子技术研究所的Tomas Cizmar和英国爱丁堡大学的Nathalie Rochefort领导的团队认为,成像系统可以使科学家在不伤害周围组织前提下,更多地了解在清醒时大脑内的神经元是怎么工作的以及动物的行为表现。根据研究人员的说法,该技术有朝一日可用于研究感官知觉,记忆形成和阿尔茨海默氏症等脑部疾病。

目前的内窥镜检查方法基于成束光纤或渐变折射率镜片,能够进行亚细胞成像,但不适合用于大脑,因为它们相对庞大的尺寸会对周围组织造成损害。外部成像方法,如磁共振成像(MRI),是非侵入性的不足以捕获大脑中小的神经元结构。德国和英国团队表示,计算机控制全息调制器的进步可以通过非常薄的多模光纤(MMF)实现高分辨率荧光成像,从而消除系统尺寸和成像分辨率之间的均衡。新的全息内窥镜系统包含的数字微镜器件(DMD)具有基于Lee全息图方法的二进制幅度光栅,在系统内可以被用作空间光调制器。DMD位于系统的光束整形模块中,可以全息控制通过MMF和脑组织传播的光的相位和幅度,从而实现更高质量的图像和更快的采集速度。

图1 主要作者Sergey Turtaev(左)和Ivo T. Leite(右)背后的投影显示了通过单根多模光纤在大脑深处获得的神经元图像。[图片:Sven Doering / Liebniz德国光子技术研究所]

基于MMF的内窥镜系统包括内窥镜探头,激光器,光束整形模块,校准模块和样品模块。探针是标准的50μm直径MMF。光源是波长为532nm的单频二极管泵浦固态激光器,可以提供连续波或线性偏振光束。光束整形模块包含DMD,用来全息控制耦合到光纤中的光场相位。

在校准模块安装就位后,光束整形模块中的DMD有助于系统在MMF末端后面的各个焦平面处表征通过系统光路传播的激光。该表征被当做系统的传输矩阵(TM)。系统生成传输矩阵大约需要两分钟,并且在MMF的50-μm视场(FOV)上为所有焦点计算大约7000个相位调制模式。校准完成并将数据保存到DMD的存储器芯片后,然后用样品模块替换校准模块进行最终的成像实验。研究人员表示,在采样模块到位的情况下,系统可以在50 μm FOV上实现1 μm分辨率,以每秒3.5帧的速度生成具有7千个像素点的图像。

研究人员在被麻醉的活体小鼠模型上展示了基于MMF的内窥镜系统,其中大脑中的抑制性神经元用红色荧光标记物标记。据报道,他们在大脑的视觉皮层和海马区,在对周围大脑区域的结构和功能影响极小的条件下,捕获了直径范围从10μm到2μm的单个神经细胞和神经元活动过程的图像。该系统还能够随时间记录来自小鼠大脑视觉皮层血管中的单个红细胞。该团队表示,其研究可以为许多生物医学应用中使用多光子,超分辨率和光片显微镜的新方法铺平道路。

来源:APS Physics

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