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非線性顯微鏡中的複值散射補償


核心概念
本文提出了一種名為 C-DASH 的新型自適應光學算法,用於增強非線性顯微鏡的成像深度和圖像質量,特別是在處理厚實散射介質時,其性能優於傳統的僅相位調製技術。
摘要

非線性顯微鏡中的複值散射補償:研究論文摘要

參考資訊: Sohmen, M., Borozdova, M., Ritsch-Marte, M., & Jesacher, A. (2024). Complex-valued scatter compensation in nonlinear microscopy. arXiv preprint arXiv:2406.19031v2.

研究目標: 本研究旨在開發一種名為 C-DASH 的新型自適應光學 (AO) 算法,該算法利用複值光整形(即振幅和相位的聯合整形)來提高非線性顯微鏡,特別是多光子顯微鏡的成像深度和圖像質量。

方法: 研究人員開發了 C-DASH 算法,作為對其先前開發的 DASH(動態自適應散射補償全息術)方法的擴展。C-DASH 採用迭代反饋方法,通過分析參考光束和測試模式之間的干涉來構建校正模式。與僅相位調製技術不同,C-DASH 通過單次反射相位型空間光調製器實現了振幅和相位的聯合整形。研究人員通過數值模擬和雙光子激發螢光 (TPEF) 成像實驗驗證了 C-DASH 的性能。

主要發現:

  • 與僅相位整形技術(如 DASH)相比,C-DASH 表現出更快的收斂速度,能夠在更少的測量步驟中實現顯著的信號增強。
  • C-DASH 在散射補償能力方面優於僅相位技術,尤其是在處理厚實散射介質時。模擬和實驗結果表明,C-DASH 可以實現更高的信號增強和更好的圖像質量。
  • C-DASH 的性能對校正平面的軸向位置(光瞳共軛與樣本共軛 AO)相對不敏感,這使其成為一種更穩健的技術。
  • C-DASH 即使在散射介質隨時間變化和/或部分吸收的情況下也能有效工作,這突出了其在活體組織成像中的潛在用途。

主要結論: 本研究表明,與僅相位技術相比,複值光整形為非線性顯微鏡中的散射補償提供了顯著的優勢。C-DASH 算法能夠實現更快的收斂速度、更高的圖像質量增強以及對校正平面軸向位置的增強穩健性。此外,C-DASH 具有處理時變和/或吸收性散射介質的能力,使其成為各種生物醫學成像應用的有前途的工具。

意義: C-DASH 的開發是生物組織深層成像領域的一項重大進展。通過有效地補償散射效應,C-DASH 有可能徹底改變生物醫學研究的各個領域,從基礎細胞生物學到疾病診斷和治療。

局限性和未來研究: 雖然 C-DASH 是一種很有前途的技術,但重要的是要注意其局限性。該研究僅限於特定的成像條件和樣本類型。需要進一步研究以全面評估 C-DASH 在各種顯微鏡平台和生物樣本中的性能。此外,探索將 C-DASH 與其他 AO 技術(如多共軛 AO)相結合以實現更大的等平面貼片尺寸和增強的校正能力將是有益的。

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統計資料
C-DASH 在模擬中實現了高達 26 倍的 TPEF 信號增強,而在螢光微珠實驗中實現了 11 倍的增強。 與僅相位 DASH 相比,C-DASH 在模擬中表現出更快的收斂速度,在約 280 次模式測量後達到 75% 的總信號改善,而 DASH 則需要約 350 次測量。 在模擬中,對於厚散射體,樣本共軛 C-DASH 產生了 24 倍的 TPEF 增強,而 DASH 僅產生了 14 倍的增強。 在染料層實驗中,對於三層散射膠帶,C-DASH 的 TPEF 信號與初始值相比增加了 5 到 8 倍,而 DASH 增加了 3 到 7 倍。
引述
"Intuitively, it seems obvious that correcting both – the amplitude as well as the phase part of a scattered light field – should deliver a higher performance than (even ‘perfect’) phase shaping alone." "In this work, we present the first feedback-based multi-photon AO scheme that jointly corrects the amplitude and phase part of a scattered light field." "As we show, joint amplitude and phase shaping is more powerful than phase-only techniques in four main aspects: (1) it converges faster; (2) it can deliver a higher image quality enhancement; (3) it delivers a robust performance that is largely insensitive to the axial placement of the correction plane (pupil- vs sample conjugate AO); (4) it can deal with scatterers that are partially time-varying and/or absorbing, as is the case for most live biological tissues."

從以下內容提煉的關鍵洞見

by Maximilian S... arxiv.org 10-17-2024

https://arxiv.org/pdf/2406.19031.pdf
Complex-valued scatter compensation in nonlinear microscopy

深入探究

C-DASH 如何應用於其他類型的顯微鏡,例如共聚焦顯微鏡或光片顯微鏡?

C-DASH 作為一種基於反饋的多光子自适应光學技術,其核心優勢在於能夠有效地補償生物組織深層成像中的散射效應。 雖然文中主要展示了 C-DASH 在雙光子激發螢光顯微鏡(TPEF)中的應用,但其原理可以拓展到其他同樣受散射影響的顯微成像技術,例如共聚焦顯微鏡和光片顯微鏡。 共聚焦顯微鏡: C-DASH 可以整合到共聚焦顯微鏡中,通過校正激發光束的波前畸變來提高成像深度和分辨率。 與 TPEF 類似,共聚焦顯微鏡也依赖於點掃描方式,因此可以採用逐點校正的策略,利用 C-DASH 优化每個掃描點的激發光。 共聚焦顯微鏡通常使用針孔來降低非焦平面信息的干擾,而 C-DASH 可以與針孔协同工作,进一步提高图像质量。 光片顯微鏡: 光片顯微鏡利用薄片光束來激發樣品,相較於點掃描方式,光片顯微鏡可以更快地獲取三維图像信息。 C-DASH 可以用於校正光片在穿過生物組織時產生的散射和畸變,從而保持光片的薄度和均勻性,提高成像深度和分辨率。 由於光片顯微鏡通常需要對較大的樣品區域進行成像,因此需要進一步研究如何將 C-DASH 與多共軛自适应光學技術相結合,以擴大校正範圍。 總之,C-DASH 作為一種通用的散射補償技術,具有廣泛的應用前景。通過針對不同類型顯微鏡的特点进行优化,C-DASH 有望在更广泛的生物醫學成像领域发挥重要作用。

複值光整形技術的成本和複雜性是否會阻礙其在生物醫學成像中的廣泛應用?

複值光整形技術,例如文中提到的 C-DASH,相較於傳統的僅相位調製技術,確實存在成本和複雜性方面的挑戰。然而,隨著技術的進步和市場需求的增加,這些挑戰正在逐漸得到克服。 成本方面: 複值光整形通常需要使用更昂貴的空間光調製器(SLM),例如液晶 SLM 或數字微鏡陣列(DMD)。 然而,隨著 SLM 技術的發展和市場規模的擴大,其價格正在逐漸下降。 此外,一些新的複值光整形技術,例如文中提到的基於單個相位型 SLM 的實現方法,可以有效降低成本。 複雜性方面: 複值光整形需要更複雜的算法和控制系統,以實現對光場的精確調控。 然而,隨著計算機技術的發展和開源軟件的普及,這些算法和控制系統的開發和使用變得越來越容易。 此外,一些商業化的自适应光學顯微鏡系統已經開始集成複值光整形功能,进一步降低了使用门槛。 總體而言,複值光整形技術的成本和複雜性正在逐漸降低,其在生物醫學成像中的應用前景十分廣闊。 未來發展方向: 開發更低成本、更高效的複值光整形器件。 研發更智能、更易用的自适应光學顯微鏡系統,简化操作流程,降低使用门槛。 拓展複值光整形技術在其他生物醫學成像领域的应用,例如光遗传学、光动力疗法等。

如果我們可以完全消除散射,生物組織的深層成像會揭示出哪些新的生物學過程或現象?

完全消除生物組織深層成像中的散射,將為生物醫學研究帶來革命性的突破,使我們能够以前所未有的清晰度观察和理解生命活動的過程。 細胞和亞細胞結構: 可以實時觀察細胞器之間的相互作用,例如線粒體和內質網之間的動態接觸。 可以追踪单个分子的运动轨迹,例如蛋白质在细胞内的运输过程。 可以研究細胞核內部的精細結構,例如染色質的組織和基因的表達調控。 組織和器官水平: 可以觀察神經元之間的突觸連接,以及神經信號的傳遞過程。 可以研究血管网络的形成和功能,以及血液循环的动态变化。 可以观察肿瘤的生长和转移过程,以及免疫细胞与肿瘤细胞之间的相互作用。 疾病診斷和治療: 可以更早地發現和診斷疾病,例如癌症的早期诊断。 可以更精準地靶向病變組織,提高治疗效果并减少副作用。 可以實時監測治療效果,以及時調整治療方案。 全新研究領域: 可以研究生物組織的光學特性,例如散射和吸收的機制。 可以開發新的成像技術,例如基於非线性光學效應的成像方法。 可以探索新的生物物理學和生物化學現象,例如細胞內部的光操控和光催化。 總之,完全消除散射將為生物醫學研究打開一扇全新的大門,揭示出前所未有的生物學過程和現象,推動生命科學和醫學的發展。
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