哈工大:新型生物光學顯微成像技術 ATM 獲重要進展

2021-01-10 IT之家

IT之家7月18日消息 據哈爾濱工業大學官方發布，物理學院王健副教授在最新一期國際光學權威期刊《光學》（Optica）上以 「艾裡光束層析成像顯微鏡」（Airy-beam Tomographic Microscopy）為題發表最新研究成果，提出一種基於艾裡光場的新型無掃描、高分辨、三維顯微成像技術 ATM，並成功應用於生物細胞成像。《光學》（Optica）是美國光學學（OSA）的旗艦期刊，王健副教授是論文第一作者和共同通訊作者。

高斯分布光場經過頻域調製後可以產生具有無衍射、自修復、自加速特性的艾裡光束。光束的無衍射特性有助於提升光學成像的解析度；自修復特性可降低光束透過介質的散射影響，提高成像信噪比；自加速特性可實現光束在自由空間的橫向自彎曲傳播。將上述特性綜合應用，該團隊提出一種獨特的基於二維投影圖像重建的三維顯微成像方法 ATM（見圖 1），僅通過改變調製器上的圖案，即可以重建高分辨三維目標圖像，無需機械掃描。

圖 1 ATM 成像原理

IT之家獲悉，ATM 成像過程包括艾裡光束的傳播調控、PSF 調控以及投影重建算法等多項創新技術，通過頻域的 Chirp 處理增大焦面單側方向的傳播距離，抑制光束旁瓣對成像解析度的影響。粒子成像實驗表明，在 40 倍物鏡下該技術的橫向解析度為 400-700nm，深度解析度 1-2 微米。

文章中利用該技術對小鼠腎細胞中的腎管和腎小球進行了觀測（見圖 2），相比於傳統 z 掃描成像技術，ATM 技術具有信噪比高、無需機械掃描即可實現深視場（10 微米以上）成像等優勢。結合艾裡光束三維重建成像算法，ATM 橫向解析度接近光學衍射極限，深度方向實現超分辨。該技術有望在其它三維成像技術中獲得應用。

圖 2 （a）腎管的傳統 z 掃描成像；（b）腎管的 ATM 成像；（c）、（d）腎管 ATM 成像三維結構圖和切面圖；（e）腎小球的雙色 z 掃描成像（上 568nm；下 488nm）；（f）腎小球的雙色 ATM 成像（上 568nm；下 488nm）；（g）雙色合成圖像；（h）圖（g）中管狀結構放大圖；（i）、（j）、（k）管狀結構三個維度的半

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