2022-03-31

Nat Biomed Eng | 基于相位掩模衍射图案的体内无透镜显微镜

原创 图灵基因 图灵基因 2022-03-31 07:03

收录于话题#前沿分子生物学技术

无透镜显微镜具有简单紧凑的光学元件，加上相关的计算算法，允许大视场和捕获图像的重新聚焦。现有无透镜技术的一个限制是光学致密生物组织图像的精确重建。

最新一代的无透镜显微镜是Bio FlatScope。该设备可以向内对人体内部的细胞和血管等微米级目标进行成像——甚至透过皮肤。Bio FlatScope可捕捉镜头相机无法看到的图像。例如，在奔跑的小鼠中显示荧光标记神经元的动态变化。

与其他显微镜相比，Bio FlatScope的一个优势是，在拍摄完成后，可以重新聚焦Bio FlatScope捕捉到的光，以显示3D细节。在没有镜头的情况下，示波器的视野是传感器的大小（在接近目标的距离）或更宽，没有失真。

莱斯大学电气与计算机工程及生物工程副教授Jacob Robinson博士最近领导了一项在生物中测试Bio-FlatScope的工作。该团队的概念验证研究还对植物、水螅以及在一定程度上的人类进行了成像。

这种小型、低成本的Bio-FlatScope可能会被用于临床，尤其是对难以触及的身体部位进行成像。

研究结果发表在《Nature Biomedical Engineering》上的一篇题为“In vivo lensless microscopy via a phase mask generating diffraction patterns with high-contrast contours”的论文中。

研究人员称，Bio FlatScope机制结合了一个复杂的相位掩模，以产生直接落在芯片上的光模式。相位掩模看起来更像是自然景观的随机地图，没有直线。“我们必须从头开始，思考如何让它在现实的生物环境中发挥作用。”Robinson说。

“随机性使面罩在收集来自各个方向的光时变得非常多样化。”由莱斯大学电气和计算机工程教授、FlatCam（一种带有遮罩的薄传感器芯片，可以取代传统相机中的镜头）的联合开发者Ashok Veeraraghavan博士领导的计算成像小组的博士后研究助理Vivek Boominathan博士说，“然后我们采用称为Perlin噪声的随机输入，并进行一些处理以获得这些高对比度的轮廓。”

在传感器上，穿过遮罩的光看起来像一个点扩散函数——一对模糊的斑点，看起来没用，但实际上是获取衍射极限以下物体细节的关键，这些物体太小，许多显微镜看不见。这些斑点的大小、形状和彼此之间的距离表明了物体离焦平面的距离。软件将数据重新解释成可以随意重新聚焦的图像。

研究人员从小处着手，首先捕获铃兰中的细胞结构，然后捕获微小水螅中的钙活性。他们接着监视一只正在奔跑的啮齿动物，将Bio-FlatScope连接到啮齿动物的头骨上，并将其放在轮子上。数据显示动物大脑区域的荧光标记神经元将运动皮层的活动与运动联系起来，并解析直径小至10微米的血管。

该团队将血管成像确定为Bio-FlatScope的潜在临床应用。研究生Jimin Wu用她的下唇观察通过相机的光线是否可以传递内部血管的结构细节。

“这是一项工程挑战，因为很难将Bio-FlatScope定位在正确的位置并保持在那里。”Wu说，“但它向我们展示了它可能是一个观察败血症迹象的好工具，因为败血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。”

从长远来看，研究小组认为有可能研制出一种能够像脑组织一样围绕拍摄对象弯曲的相机，“这样它就可以与你所看到的物体的形态相匹配。”Robinson说，“或者你可以把它折叠起来，固定在适当的位置，让它展开并有效利用。”

“你也可以通过弯曲它以获得鱼眼效果来做非常有趣的事情，或者你可以将它向内弯曲，从而获得非常高的光收集效率。”他说。