中科院實驗室成功研制激光掃描實時立體顯微鏡

  日前，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點實驗室(簡稱：瞬態(tài)室)超分辨成像團(tuán)隊研制成功雙光子激發(fā)激光掃描實時立體顯微鏡，首次把基于雙目視覺的立體顯微方法和高分辨率雙光子激發(fā)激光掃描熒光顯微技術(shù)結(jié)合在一起，實現(xiàn)了對三維熒光樣品的高速立體成像

  當(dāng)代生命科學(xué)研究對光學(xué)顯微技術(shù)提出了越來越高的要求——更高的空間分辨率、更大的成像深度、更快的成像速度。特別是對于生物活體顯微成像來說，生物組織對光的散射使得噪聲大大增強(qiáng)，嚴(yán)重影響了空間分辨率和成像深度。為了提高成像深度，雙光子激發(fā)激光掃描熒光顯微技術(shù)自20世紀(jì)90年代提出后被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)成像等領(lǐng)域，但是其逐點掃描的成像方式嚴(yán)重制約了成像速度。因為高分辨率光學(xué)顯微鏡的景深很小，要對樣品完成三維成像，通常需要數(shù)十層乃至上百層的二維圖像進(jìn)行疊加重建得到，圖像采集和處理一般需要數(shù)分鐘甚至數(shù)十分鐘，要快速實時地獲取和顯示三維圖像非常困難。
  瞬態(tài)室超分辨成像團(tuán)隊在研究員姚保利和葉彤的帶領(lǐng)下，以雙目視覺原理和貝塞爾光束產(chǎn)生擴(kuò)展焦場為基礎(chǔ)，提出了由四個振鏡組成的激光束立體掃描裝置，實現(xiàn)了對貝塞爾光束的橫向位置和傾角共三個維度的控制，突破了只有兩個自由度的傳統(tǒng)激光掃描不能實時切換視角的限制。通過對四振鏡立體掃描裝置的優(yōu)化設(shè)計和控制，實現(xiàn)了對貝塞爾光束的三自由度快速掃描，可在毫秒量級進(jìn)行雙視角切換，從而解決了激光掃描立體顯微成像系統(tǒng)中雙光路同時成像的技術(shù)難題，首次實現(xiàn)了基于雙視角實時激光掃描的立體顯微成像和顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對樣品進(jìn)行立體動態(tài)成像和實時雙目立體觀測，其三維成像速度比傳統(tǒng)的逐點掃描方式提高了一到兩個數(shù)量級。該雙光子立體顯微系統(tǒng)為活體生物的三維實時成像和顯示提供了一種新的觀測工具。
   “它可以讓我們像觀看立體電影一樣實時地觀測動態(tài)的三維微觀世界，無需光切片，無需耗時的三維圖像重構(gòu)。”楊延龍如此總結(jié)這套系統(tǒng)的特點，他負(fù)責(zé)設(shè)計和完成了其中的立體掃描和成像顯示的關(guān)鍵部分。“雙目視覺成像是非常高效的三維信息獲取方式，但是現(xiàn)有的體視顯微鏡，空間分辨率和景深互相制約，我們利用三自由度掃描的貝塞爾光束進(jìn)行非線性熒光激發(fā)突破了這種限制。”
   這項研究先后在中科院“百人計劃”和國家自然科學(xué)基金的支持下，從基本原理驗證、關(guān)鍵技術(shù)突破，到原理樣機(jī)完成，經(jīng)歷了從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用集成的各個環(huán)節(jié)。目前，課題組正在與國內(nèi)外相關(guān)科研機(jī)構(gòu)開展生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的合作研究，期望盡快將該項技術(shù)應(yīng)用于生物活體三維快速成像和顯示領(lǐng)域。