影像技术是现代医学和早期诊断的关键，可能改善患者的预后。而研究人员和从医工作者可以通过显微成像直接观察细胞，看见了曾经见不到的结构和过程。然而，当前技术存在一个“卡脖子”的限制，即高分辨率的显微成像仅限于在显微载玻片上的二维图像，而组织结构是立体的。数十年来，科学家们一直在寻找一种方法来突破局限，以获得细胞的3D显微成像。
图1 A. 新型高分辨率3D显微成像的超薄光学元件；B. 局部放大图
近日，加拿大女王大学电子和计算机工程系Majid Pahlevani助理教授，与哈佛大学合作，在目前最先进的显微镜基础上，共同开发了一种增强型显微镜技术，它在提高图像分辨率的同时，实现3D成像，研究成果发表在期刊《Nature Photonics》上。
微尺度成像的主要挑战之一是衍射极限问题（一般为200 nm，而对于生命科学来说，需要数十纳米的分辨率）——紧密聚焦的光束快速穿过介质（透镜），不可避免的散射阻碍了高分辨率成像。在该研究中，研究人员表明，以玻璃作为基底，由特定排列的纳米柱组成的超薄光学元件（如图1）可以突破“衍射极限”，从而解决分辨率问题。因此，该光学镜头结构可用于下一代显微成像设备。
“这种方法被称为双光源采集成像（Bijective Illumination Collection Imaging，以下简称BICI），与当下最先进的成像技术相比，它能够扩大高分辨成像面积12倍及以上。”能源电力电子技术和医疗保健应用领域的专家，女王大学能源和电力电子研究中心（ePOWER）Pahlevani博士说，“与传统成像技术的差别在于BICI利用纳米结构，使深入其中的光线根据特定光路照射目标，并且回收反射光线，基于此，光线沿着组织纵横的同时，并保持高分辨率。”
图2 新颖的双光源采集成像概念图
三维显微成像技术拓展了生物学和临床医学应用等领域，例如深入了解细胞间机制，为癌细胞检测以及在体内实时诊断提供了新思路。
新技术的另一个优点在于处理速度快。“一般的高强度计算技术成像速度慢，因此，不适用于活体成像，”Pahlevani博士解释道，“活体病人的器官不是静止的，它们会移动，使得成像出现伪影，这就对体内成像技术的速度有要求。”因为新技术通过提高光学性能来提高微观成像的分辨率，因此，它不需要额外的计算力。
此外，该《Nature Photonics》论文强调了癌症诊断是其主要应用之一：“在癌症等疾病的早期阶段，其病理变化过程往往非常微妙，极容易被忽视。在活体内，具有深度要求的高分辨率成像使癌症有可能被早期诊断和准确检测。”
