中大新聞中心

香港中文大學（中大）工程學院機械與自動化工程學系陳世祈教授及其團隊，結合壓縮感知演算法與數碼全息顯微鏡，開發了一種高速成像方法，在1秒內即可完成對三維樣品的雙光子螢光成像，速度是傳統點掃描方法的3至5倍。相關研究成果近日於著名期刊《Optics Letters》發表。

由於神經活動一般在十毫秒量級的時間內完成，傳統的顯微鏡難以直接觀察這些現象；而這種新型並基於壓縮感知的雙光子顯微鏡，則可以用於對生物的神經分布進行三維成像，並同時觀察幾百個神經元的活動。 

新多焦點鐳射掃描法 打破雙光子顯微鏡掃描速度限制

雙光子顯微鏡利用匯聚的紅外超快脈衝鐳射在樣品中，與螢光標貼互動以製成圖像，並已經廣泛應用於生物學研究中。與常規顯微鏡比較，雙光子顯微鏡能夠在深達1毫米的活體組織中進行高解析度三維成像。然而，由於螢光訊號十分微弱，使雙光子顯微鏡的成像速度受到限制。 

為了提升掃描速度，研究團隊開發了基於數字微鏡器件的多焦點鐳射掃描方法。這項研究解決了數位微鏡器件無法調製超快鐳射的問題，使之能被集成及應用於超光鐳射光束整形、脈衝整形，以及雙光子成像中。 

數字微鏡器件將鐳射匯聚到樣本隨機選擇的30個光點位置上，每個光點的位置和強度由數字微鏡器件上投射的二進位全息圖控制。在每次測量時，數字微鏡器件更新其投射的二值全息圖以改變每個焦點的位置，並使用單像素檢測器記錄雙光子螢光的強度。數字微鏡多焦點掃描較傳統機械式掃描更靈活快捷，惟掃描速度仍然受制於數字微鏡器件的刷新率。 

結合壓縮感知演算法 進一步提升成像速度

研究人員在這個研究中，通過結合壓縮感知演算法與數碼全息顯微鏡，進一步提高了成像速度。這種方法將圖像測量和壓縮「同步進行」，在較少的測量次數下即可完成圖像採集，隨後使用算法從測量結果中重建圖像。這種方法用於雙光子顯微鏡時，可以將測量次數減少70%至90%。 

通過模擬實驗確定新方法的效果與參數後，研究人員用雙光子成像實驗測試了這種新的方法，證明了該技術能夠實現高速及高品質的三維成像。例如，此方法只需0.55秒對花粉進行三維成像，相比之下傳統的逐點掃描相同圖像則只需2.2秒。 

陳世祈教授表示：「這個方法可以將成像速度提升3至5倍，並保持同等的解析度。我們相信這種新方法可以讓生物與醫學領域例如光遺傳學有新發現。團隊正努力進一步提高重建演算法的速度和圖像質素，並計劃將數字微鏡器件與其他先進的成像技術結合使用，以進行對更深層組織的成像。」