《光:科学与应用》报道我校计算光学显微成像领域重要进展

2022-06-21来源:电子工程与光电技术学院作者:左超 李加基审核人:徐峰编辑:李英阅读:46

近日,我校电子工程与光电技术学院陈钱、左超教授研究团队在国际顶级光学期刊《Light: Science & Applications》上发表了题为:Transport of intensity diffraction tomography with non-interferometric synthetic aperture for three-dimensional label-free microscopy 的研究论文。南京理工大学博士后李加基为论文的第一作者,陈钱教授与左超教授为论文的共同通讯作者,南京理工大学为本研究工作的唯一通讯单位。文章链接:https://www.nature.com/articles/s41377-022-00815-7.

21世纪以来,生物医学与生命科学得到了快速的发展,人们对各种生命过程有了更深入的研究,极大推动了人类文明的进程。而该领域的不断发展离不开显微成像技术的支持,显微镜作为人类观察微观世界的重要工具,能够在细胞甚至分子尺度上观测和解释各种生命过程。尽管经历漫长的发展历程,显微成像领域至今一直在不断扩展,新的成像方法层出不穷。但随着微观成像分辨率的提升以及成像维度的限制,传统基于化学染色及明场显微成像方法依然受到侵入式手段所带来的光漂白和光毒性等影响,且成像维度的拓展需要消耗大量的扫描时间,不利于三维动态生物样品的成像。 

1 生物医学中标记成像与无标记成像方法的对比。荧光染色等侵入式方法会带来光漂白等问题,泽尼克相衬、微分干涉相衬及定量相位成像等无标记方法可以实现无标记高衬度成像

而以泽尼克相衬、微分干涉相衬及定量相位成像等为代表的无标记显微成像技术可以实现生物样品的无标记高衬度成像。但这一类方法面临着重构频谱缺失、成像质量差以及成像速度慢等问题,严重制约着成像技术的发展,是目前无标记显微成像领域中亟待解决的难题,也受到了相关研究领域内专家学者的广泛关注。

计算光学成像作为近年来发展起来的一种新兴成像技术,为突破传统成像的诸多限制性因素提供了新手段与新思路:其通过将光学调控与信息处理有机结合,使成像系统在信息获取能力、功能、性能指标等方面的获得显著提升;而基于计算光学成像技术的非干涉定量相位及强度衍射层析显微技术则可以较好地解决传统显微成像所面临的频谱缺失、成像质量差以及成像速度慢等问题。国际顶级光学期刊《Light: Science & Applications》报道了我校陈钱、左超教授研究团队在计算光学显微成像领域重要进展,研究团队所提出的非干涉合成孔径光强传输衍射层析技术(Transport of intensity diffraction tomography with non-interferometric synthetic aperture, TIDT-NSA)是一种基于计算光学成像框架下的新型三维无标记显微成像技术,该项工作推导出了针对二维定量相位与三维衍射层析成像的普适传递函数理论表达式,并首次建立了统一化定量相位成像理框架,具有重要的理论意义。

 

2 TIDT-NSA的硬件配置图以及算法流程图

该方法有机地结合了基于轴向离焦的光强传输与基于多角度照明合成孔径的思想,不仅将三维衍射层析的成像分辨率拓展至非相干衍射极限,还保持了对复杂厚样品的高衬度、抗散射、高轴向层析的成像能力。最后通过多组仿真与生物样品实验,展示了该技术创新在计算光学成像研究领域中的突出贡献和生物医学成像及生命科学等领域中的广泛应用前景。

 3 固定线虫的折射三维RI层析重建以及三维渲染结果 

4  HeLa细胞动态衍射层析分布及三维折射率分布渲染结果

该工作得到了国家自然科学基金 (U21B2033, 61905115, 62105151);江苏省基础研究计划前沿引领专项(BK20192003);江苏省青年基金项目(BK20190445, BK20210338);中央高校科研专项资助项目(30920032101);江苏省光谱成像与智能感知重点实验室开放基金(JSGP202105)等项目的支持。