Nat. BME | 基于相位掩膜成像技术的生物无镜显微镜
撰稿人|韩良智
导读
近日，美国Rice大学计算成像实验室的Jacob Robinson教授和Ashok Veeraraghavan教授为共同通讯作者在Nature. BME上发表了一篇关于生物无镜显微镜的论文，该生物无镜显微镜在文中被称为Bio-FlatScope，采用相位掩膜成像技术作为成像基本原理，与普通的有镜成像不同的是，该技术无须使用镜头，利用光在经过物体后发生相位变化，再将相位变化通过多次转化为图片信息。在活体实验极端条件下，与有镜显微镜相比，Bio-FlatScope在重量体积，灵敏性，视场范围，采用算法重新聚焦性能，以及对比度上具有明显优势，是小型化显微技术领域的突破性进展，适合于生物学和生物医学研究。
研究亮点
如上图所示，Bio-FlatScope的成像模组紧凑高效，重量仅为5克，可以直接集成在一小块PCB上，使其能够直接佩戴在小鼠的头部，捕捉小鼠在运动时的脑神经信息。最关键部件为相位掩膜，其精度会影响整个显微镜系统的分辨率，该相位掩膜的加工设备是Nanoscribe的双光子微纳三维加工系统Photonic Professional GT，采用IP-Dip负型光刻胶，整个掩膜的高度在1μm以内，4阶，阶差为200nm，像素为1~2μm。
在无镜成像过程中，光场信息通过掩膜调制后，传达到图像传感器上，积卷为点扩散函数，需要尽可能大的频率谱来减少所生成图片的噪点。为此研究人员发明了一种采取仅积卷图像轮廓的调制型点扩散函数，发现更适合于获得完整的频谱，有效降低了所生成图片的噪点，总结来说就是计算上的改动用来增强装置的鲁棒性，上图是搭载调制型算法后的Bio-FlatScope，与其他类型的显微镜相比噪点明显少。
上图是一种叫作水螅的无脊椎生物，通常体长仅有几毫米，Bio-FlatScope能够以1Hz频率，采用动态捕捉的方式对4mm³体积内进行三维拍摄，是经过相位信息进行色彩复原后生成的彩色图片（上右），为了方便对比，特意又使用共聚焦显微镜进行拍摄并生成图片（上右），图中比例尺为500微米。通过对比可以发现，虽然细节上比不过共聚焦图片，但是依然保持了完整的轮廓，在小型化上Bio-FlatScope具有明显优势，适合于这种幽暗环境的生物或生物医学研究。
上图是使用活体小鼠脑部运动过程中钙离子成像技术，Bio-FlatScope集成在为小鼠特制的头盔上，放小鼠在跑步机上奔跑，采集跑步过程中的脑运动信息。深度为4.05mm处，与传统荧光显微镜的效果最接近。
综上可以明显看出，高精度光学元件相位掩膜是制作出紧凑而高效的Bio-FlatScope的关键，Nanoscribe双光子聚合系统有助于计算成像领域以及生物学和生物医学研究实现关键性突破。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41551-022-00851-z
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