《探索 | 激光扫描显微镜方法实现快速三维成像》

  • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者: husisi
  • 发布时间:2022-03-29
  • 由东北大学和大阪大学的研究人员开发的一项技术可以在不移动观察平面的情况下快速拍摄3D图像,而移动观察平面在传统的激光扫描显微镜中是非常必要的。

    使用激光扫描时的主要问题显微镜学因为3D成像是一个耗时的过程。它涉及重复的2D图像采集,这需要观察平面不断变化。

    通过以下方式实现的轴向分辨检测波阵面光针显微镜工程。在不移动观察平面的情况下快速获取3D图像的激光扫描显微镜技术可以加速各种研究和工业领域中的图像获取

    研究人员开发的方法使用了一种激光,他们称之为“光针”,它沿着轴向方向呈点状拉长,并在激光扫描显微镜中用作照明源。一般来说,使用这种光针是一种常见的方法,可以产生深焦图像,捕捉样本的扩展深度范围而不会模糊。然而,该方法仅提供缺乏关于样本的深度信息的2D图像。

    研究人员使用一种基于计算机生成全息术的技术,从而提出操纵从标本发出的荧光信号。该团队操纵荧光信号的波前,根据其轴向位置横向移动图像位置。利用这种方法,可以以与2D光栅扫描的帧速率相等的速度捕获3D体积图像,这在基于点扫描的成像框架中极大地提高了3D体积成像的采集速度。

    该系统根据光针在20米深度范围内的单次2D扫描构建了一幅3D图像。它还记录了悬浮在水中的微米大小的珠子的动态运动的3D视频,据研究人员称,这是现有的激光扫描显微镜很难实现的。

    测试还实现了厚生物样品的快速三维图像采集,速度比传统模式快10倍以上。研究人员表示,这项技术可以加快各种研究和工业领域的图像获取速度。在在这些领域,3D图像观察和评估必不可缺。该小组计划进一步将所提出方法的适用性扩展到小型化系统,目标是将其用于实际应用。

相关报告
  • 《探索 | 基于双光子荧光显微镜成像系统的快速、即时活检分析技术》

    • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者:husisi
    • 发布时间:2022-11-09
    • 美国罗切斯特大学基于双光子荧光显微镜(TPFM)成功设计了一种实时成像系统,该系统能够通过对未经处理的新鲜组织活检,快速诊断非黑色素瘤皮肤癌。非黑色素瘤皮肤癌的TPFM成像能够在几分钟内得出活检指标,通过该系统获得的组织学特征可与传统组织学相媲美。基于 TPFM 的成像系统也可用于诊断皮肤癌或者其他皮肤病。因为系统的即时性诊断,患者可以在确诊后及时得到治疗,无需长时间等候和复诊。 TPFM 使用的近红外光可以穿透人体组织,从而对形状不规则的活检组织快速成像,有效避免了传统检测技术繁杂的前期准备工作。系统所生成的图像不仅具有高分辨率,而且还能实现虚拟染色,从而便于观察。 图 基于双光子荧光显微镜系统的组织活检图像 传统的皮肤活检获得诊断结果通常需要几天的时间,相比之下,TPFM 成像系统可以同时对多个组织标本进行实时检测,实现快速诊断,能够有效抓住治疗时机,并且降低治疗成本。 Michael Giacomelli 教授表示,自从19世纪末以来,医院一直采用的是传统的活检方式,并且已经完成了数以亿计的活体组织检查。虽然传统的检测技术非常有效,但是速度却很慢。 在临床TPFM 测试中,研究人员使用波长为1040 nm的激光扫描组织标本,并以16 f/ps 的速度激发荧光。此时荧光团发射的荧光被分离并过滤为518- 558 nm和620- 680 nm波段。然后通过两个硅基光电倍增器分别检测两个荧光通道,它能够实现高速、高信噪比成像。 TPFM所使用的显微镜独立安装在一个不透光的外壳中,因此可以在有灯光的房间里进行成像。激光器、显微镜、控制器和计算机被集成在一起并安装在一个移动推车上。 为了比较 TPFM 与传统组织学诊断性能,研究人员对29例接受治疗的非黑色素瘤皮肤癌病变患者新切除的活检进行了测试。他们获得切除后组织切片的数字 TPFM 图像后与相应的H&E切片图像进行比较评估。其中12个共配对图像被用作训练集。15个图像经过皮肤病理学家评估后被用于蒙面评估,2组图像被排除在研究之外。在对15个已知的非黑素瘤皮肤癌活检进行测试时,该技术检测出基底细胞癌,灵敏度和特异性均为 100%,鳞状细胞癌的灵敏度为 89%,特异性为 100%。 研究人员表示,与冷冻切片或石蜡切片相比,TPFM 可以在2到3分钟内完成组织学评估新鲜组织标本,而且不需要组织病理学实验室或专业人员。虽然TPFM 相比其他荧光成像技术能够成像更深,但其仍然限制在大约100微米的组织内。然而,就像传统组织学那样,组织标本可以被分割成两部分平分或面包状,以暴露内部组织进行成像,从而消除了更深层成像的需要。 TPFM成像系统的尺寸比冷冻切片机更小,便于携带,与标准组织处理相比,减少了人员配置。这使得即使在资源匮乏的环境下,也可以实时、即时地对皮肤活检进行测试。而且它的成像是非破坏性的,染色剂通过石蜡化去除;因此,组织样本后续还可以进行组织学或免疫组化。 Giacomelli 认为该系统有望快速提供一系列疾病的活检结果。比如,在前列腺病例中,外科医生从x光片或核磁共振成像能够获得的有效信息非常有限。但是有了这项技术,为随时调整患者治疗方案提供了可能。 研究结果表明,TPFM 有潜力作为一种快速、即时诊断工具,不需要准备大量的组织样本或着专业的图像评估专业人员。尽管如此,仍有必要在更大的群体中进一步验证TPFM成像,以全面评估其诊断准确性。Giacomelli正与Sherrif Ibrahim教授合作进行一项200人的后续研究,使用随机抽取的活检样本。 Giacomelli 表示,他们目标是分析这项技术在实际情况中的应用效果。毕竟实际场景十分复杂,各种各样的情况都可能出现。如果想要保证诊断结果的准确性,必须要确保不能混淆与癌症无关的东西。因为一旦开始对人们进行随机活检,你永远不知道你会发现什么。 与此同时,Giacomelli 还参与了一项平行研究,他想要确认他开发的一种融合了 TPFM 和视频的新系统能否用于指导手术。该系统将组织被切除部位的 TPFM 图像叠加在网络摄像头图像上,将肉眼看到的图像与在幻灯片上处理后的图像进行共同匹配。他提到,“通过这款系统,你可以展示切除的组织是什么样子的,以及肿瘤在切除部位的位置。然后可以将其映射到伤口中,以决定到底切除哪一部分。”
  • 《探索 | 载单光子激光雷达系统实现高分辨率三维成像》

    • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者:胡思思
    • 发布时间:2024-10-16
    • 随着遥感探测技术领域的飞速发展,对于更精确、更轻便的测绘工具的需求日益增长。激光雷达技术因其能提供高精度的空间数据而受到广泛关注,但传统激光雷达体积大且耗能高,限制了其在资源受限的无人机或卫星上的应用。为解决这些问题,中国科学技术大学徐飞虎教授研究团队开发出一种新型的紧凑且轻便的单光子机载激光雷达系统(DOI: doi.org/10.1364/OPTICA.518999)。该系统采用低功率激光器,不仅大幅降低了能耗,同时通过创新的单光子检测技术和先进的3D成像算法,实现了高分辨率的三维地形测绘。此技术的突破为激光雷达技术在航空和太空应用中提供了新的可能性,从而有助于更精细地理解和监控我们的自然环境和城市结构。 研究团队开发了一种紧凑且轻便的单光子机载激光雷达系统,此系统使用低功率激光器来捕捉高分辨率的3D图像,这使得单光子激光雷达在空中及太空环境中的应用变得更为实用,例如在环境监测、3D地形测绘及物体识别等方面。单光子激光雷达利用单光子检测技术来计算激光脉冲触及物体并返回的时间,这对于机载应用尤其重要,因为即便是在密集植被或城市等复杂环境下,也能进行高精度的3D映射。 图1 一种新的紧凑和轻型单光子机载激光雷达系统可以使单光子激光雷达实用于空中和空间应用 徐飞虎教授表示:“在资源受限的无人机或卫星上使用单光子激光雷达技术,需要缩减系统体积并降低能耗。我们能够将最新的技术进展融入到一个系统中,与其他最先进的机载激光雷达系统相比,该系统在保持较低激光功率和最小光学孔径的同时,在检测范围和成像分辨率方面仍然保持良好的性能。” 研究人员表明,结合亚像素扫描技术和新的3D反卷积算法,该系统能够实现超越光衍射极限的成像分辨率。他们还演示了该系统如何在白天使用小型飞机在大范围内捕获高分辨率的3D图像。 徐飞虎教授进一步说道:“最终,我们的研究有望增进对世界的理解,并为所有人创造一个更可持续、更明智的未来。例如,我们的系统可以被部署在无人机或小型卫星上,监测森林景观的变化,如森林砍伐或其他对森林健康的影响。它还可以在地震后用于生成3D地形图,助力评估损害程度并指导救援工作,从而有可能挽救生命。” 新型机载单光子激光雷达系统 新的机载单光子激光雷达系统工作原理是:通过向地面发射激光脉冲,并捕获这些脉冲从地面物体反射回来的信号。这些反射信号由一种称为单光子雪崩二极管(SPAD)阵列的高度灵敏的探测器捕获。这些探测器极大提升了对单光子的灵敏度,使得系统即使在使用低功率激光器的情况下也能有效检测反射的激光脉冲。 为了缩小系统的体积,研究人员采用了直径为47 mm的小型望远镜作为接收光学元件。 通过测量反射光子的飞行时间,系统能够计算光从发射到接收所需的总时间。利用这些数据,结合高级的计算成像算法,便能重构地面的精确3D图像。 徐飞虎教授解释说:“新系统的一大亮点是采用了特殊的扫描镜,它能进行连续而精细的扫描,从而捕获地面目标的亚像素级信息。此外,我们还开发了一种新的高效光子计算算法,该算法能够从数量有限的原始光子探测中提取亚像素信息。尽管面临弱信号和强烈太阳噪声的挑战,这种算法仍然能够实现超高分辨率的3D成像。” 地面和空中测试 研究团队开展了一系列测试,以验证新系统的性能。通过飞行前的地面测试,技术的有效性得到了证实,测试结果显示该系统在默认设置下可从1.5 km距离实现15 cm的激光雷达成像分辨率。 图2 研究人员通过在一架小型飞机上使用该系统在白天拍摄大面积的高分辨率3D图像 在实施亚像素扫描和3D反卷积技术后,研究人员进一步证明了系统从同一距离能够达到6 cm的有效分辨率。 此外,研究人员还在浙江义乌使用一架小型飞机进行了为期数周的日间实验。这些实验成功展示了各种地形和物体的详细特征,进一步证明了该系统在实际环境中的功能性和可靠性。 目前,该研究团队正致力于提升系统的性能和集成度,其长期目标是将此技术部署在小型卫星等星载平台上。在系统商业化之前,还需进一步提升其稳定性、耐用性和成本效益。