圖1.基于圖像的干涉焦點感應(IBIFS)方法原理圖

自適應光學是一種通過校正波前畸變來提升成像質量的技術。干涉焦點感應(IFS)作為自適應光學領域近年提出的新方法，在深層組織成像中校正復雜像差方面已證明具有顯著效果。該技術基于樣本內(nèi)單個位置的測量來確定校正模式。

本文提出了一種基于圖像的干涉焦點感應方法(IBIFS)，通過共軛自適應光學配置，利用圖像質量指標的反饋信息對整個視場范圍內(nèi)的波前進行漸進式估計與校正。樣本共軛配置通過逐點測量各位置校正模式，實現(xiàn)了全視場范圍內(nèi)多個點位的同步校正。我們在自主搭建的雙光子顯微鏡系統(tǒng)上，分別以熒光微球和小鼠腦切片為樣本對方法進行了實驗驗證。結果表明，與基于感興趣區(qū)域的方法相比，本方法不僅具有更大的有效視場范圍，還能獲得更為穩(wěn)定的優(yōu)化效果。

近日，中科院西安光機所超快光科學與技術全國重點實驗室姚保利研究員團隊在大視場雙光子散射顯微成像領域取得進展，相關研究成果發(fā)表在《納米光子學》(Nanophotonics)上Nanophotonics。

目前雙光子顯微成像領域最常見的AO方法是Zernike模式分解法，該方法對于較弱的像差補償效果較好，但受光學記憶效應范圍的限制，校正相位僅僅對于一個小區(qū)域視場有較好的效果。

針對上述問題，研究團隊提出了一種針對深層組織顯微成像的大視場波前校正方法——基于圖像的干涉焦點感應波前校正方法(圖1)。該方法利用全視場圖像信息評估參數(shù)作為干涉焦點感應方法的輸入，獲得了更穩(wěn)定校正效果的同時，展現(xiàn)出高穩(wěn)定、抗干擾的特點。

在共振掃描振鏡雙光子激發(fā)熒光顯微成像系統(tǒng)中，研究人員首先對散射體下的熒光小球樣品進行了大視場波前校正(圖2)，實驗結果表明，基于小區(qū)域信號校正的方法(ROI-based)僅對參考點B1附近的視場有較好的校正效果，而IBIFS方法(MHF-based)可以利用全視場的圖像信息反饋調(diào)節(jié)校正相位，具有全視場的校正效果。

圖2.熒光小球樣品的散射校正實驗結果

在小鼠腦神經(jīng)切片樣品散射校正實驗中，實驗結果(圖3)顯示ROI-based的校正效果依賴于參考區(qū)域的樣品結構分布，局部優(yōu)化效果較好而全局優(yōu)化效果較差。而IBIFS方法校正后的圖像總強度增強倍數(shù)比基于小區(qū)域信號的方法高37%，實現(xiàn)了更穩(wěn)定的大視場校正。該技術可應用于高速共振掃描雙光子顯微鏡，為腦科學、發(fā)育生物學等領域提供增強顯微成像工具。

圖3.小鼠大腦切片樣品的散射校正實驗結果

研究受到國家自然科學基金委員會國家重大科研儀器研制項目、國家重點研發(fā)計劃、陜西省重點產(chǎn)業(yè)鏈等項目的支持。

論文第一作者為西安光機所2021級博士研究生楊睿文，通訊作者為姚保利研究員和楊延龍正高級實驗師，西安光機所是第一完成單位和通訊單位。

審核編輯 黃宇