能够捕捉细胞级3D细节的体内无透镜显微镜
2022-04-01 21:06:16   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

与光学器件和传感器联合设计的计算成像算法，改进了成像系统的设计。计算成像技术已经对显微镜技术带来了重大革新，例如超分辨率、相位成像和3D成像等应用。极端情况下，计算成像（或与光调制掩膜结合使用）可以完全取代传统光学系统的透镜。

与目标将场景再现（可能放大）投射到图像传感器上的基于透镜的成像系统不同，无透镜成像系统寻求在入射光场和传感器测量之间产生可逆的传递函数。这些测量通常可能与传统图像不同，但包含足够的信息，可供计算算法重建图像。

在图像捕捉过程中移除透镜，系统可以显著改善视场（FoV）、3D捕捉和重新聚焦，高效捕获光线，并实现小型化。

尽管无透镜显微镜具有变革潜力，但由于生物应用场景往往致密、昏暗且对比度低，通常会导致重建图像产生噪声，因此目前还没有在活体生物成像中得到验证。事实上，过去的无透镜显微镜一直需要稀疏、明亮或高对比度的样本，这些情况下，强正则化和/或去模糊可用于重建原始图像的评估。

据麦姆斯咨询报道，美国莱斯大学（Rice University）的研究人员测试了一种名为Bio-FlatScope的微型无透镜显微镜，能够在活体样本中捕捉高阶细节。该研究小组对植物、水螅以及人体某些部位进行了成像实验。

这项技术的上一代原型FlatCam也是一款无透镜器件，它可将光线通过掩膜直接传送到相机的传感器上，主要向外拍摄外界的整个场景。原始成像看起来是静态的，但通过一种自定义算法可以将原始数据转换为聚焦的图像。

目前这项研究中的器件则向内成像，可以对体内的细胞和血管等微米级的目标进行成像，甚至可以透过皮肤成像。研究人员称，这项技术结合了一种复杂的相位掩膜，以使独特的图纹光直接传播在芯片上。原始FlatCam中的掩膜看起来像条形码，限制了传播到传感器上的光量。

无透镜Bio-FlatScope是一款小尺寸经济型相机，可用于监测传统设备无法捕捉的生物活动。该相机最终或能用于检测癌症或脓毒症，或成为有价值的内窥镜检查工具。

这项研究的四位主要作者之一、博士后研究员Vivek Boominathan说：“随机性使掩膜在收集各个方向的光线时具有相当的多样性。我们将这种随机输入称为Perlin噪声，然后进行一些处理，以获得高对比度的轮廓。”

用于体内荧光成像的Bio-FlatScope原型，比例尺10  mm，放大部分显示了过滤激发光并将相位掩膜传递函数应用于入射光的组件。图中还放大展示了相位掩膜部分的扫描电子显微照片，比例尺4 μm。

在传感器端，穿过掩膜的光表现为点扩散函数，一对模糊的斑点看起来毫无用处，但实际上是获取衍射极限以下物体细节的关键，这些细节对于许多显微镜来说都太小而无法看见。这些斑点的大小、形状和彼此之间的距离表明了物体与焦平面的距离。软件可以将这些数据重新转译为可以随意重新聚焦的图像。

研究人员通过捕捉铃兰的细胞结构，捕捉类似水母的小水螅的钙动力学来对这款无透镜器件进行了测试。研究小组随后将该装置连接到啮齿类动物的头骨上，对其在轮子上的跑动进行了监控。数据显示，该动物大脑一个区域中有荧光标记的神经元，将运动皮层的活动与运动联系起来，并分辨出了直径只有10 µm的血管。

该研究团队与Rebecca Richards Kortum和Rice Bioengineering的研究科学家Jennifer Carns合作，确定血管成像将成为这款Bio-FlatScope的潜在临床应用。该研究小组对共同一作Jimin Wu的下唇进行了成像，以确定穿过相机的光线是否能提供嘴唇内部血管的结构细节。

人体下嘴唇口腔粘膜成像

“由于很难将Bio-FlatScope定位在正确的位置并保持住，因此这在工程上也是挑战。”Jimin Wu说，“但它向我们展示了它可能是一种观察脓毒症迹象的好工具，因为脓毒症前期会改变血管系统的密度。癌症也会改变微血管的形态。”

莱斯大学电气和计算机工程师Jacob Robinson说，该团队发现了一种可以围绕其对象（如脑组织）弯曲的相机，从而匹配对象的形态。或者也可以把它折叠起来，固定在适合的位置，然后展开。还可以通过弯曲它来实现鱼眼效果，做一些非常有趣的事情，或者还可以将其向内弯曲，从而获得非常高的光收集效率。

这种体内无透镜显微镜的低成本、小尺寸和计算重聚焦能力，有望打开各种新的临床应用，特别是用于对体内难以到达的区域进行成像。

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