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将横向扫描转换为轴向聚焦以加快3D显微镜检查

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在光学显微镜中,高速体积成像受缓慢的轴向扫描速度或z扫描机制引入的像差的限制。为了克服这些限制,UT Southwestern的科学家引入了一种新颖的光学设计,该设计将横向扫描运动转换为三维扫描。他们的显微镜实现了以12 kHz的频率进行激光聚焦,并可以观察斑马鱼胚胎中的细胞和跳动的心脏内部的快速动态。

快速成像在显微镜,计算机视觉和激光加工中非常重要。例如,在神经科学中,高速体积成像对于监视动态生物过程至关重要,包括膜电压活动(时间尺度为1毫秒或更短的动态)或脑血流。可以将图像的速度与可以改变成像系统的焦点位置的速度紧密地联系在一起,尤其是在三维空间中。

传统的重新聚焦方法是通过机械移动显微镜物镜或样品来实现的,这两种方法都会导致三维方向的扫描速度降低,因为移动物理对象的速度受到惯性的限制。解决此问题的一种潜在方法是通过远程聚焦,它可以通过更改光学系统的波前来实现重新聚焦。但是,大多数现有技术都面临着分辨率和速度之间的权衡。这样,仍然需要能够达到多kHz速率同时避免会降低其分辨率的像差的3-D扫描技术。

在《光科学与应用》上发表的手稿中由美国德克萨斯州达拉斯市UT西南医学中心细胞生物学系和Lyda Hill生物信息学系的Reto Fiolka教授领导的一个科学家团队,并且研究人员开发了一种新颖的光学设计来克服这些缺陷。挑战。他们采用了行之有效的横向扫描技术,并将横向扫描运动转换为第三维重新聚焦,以实现高速体积成像。他们采用了无像差远程聚焦的概念,而不是在三维中移动相应的远程反射镜,而是使用高速振镜在固定反射镜上横向扫描了激光点。如果固定镜和物镜之间的距离沿扫描方向不是恒定的,则将引入散焦,这是远程重新聚焦所必需的。此外,在返回路径上,横向扫描分量得到了完美补偿,从而获得了三维的纯扫描运动。因此,研究人员能够利用高速横向扫描技术在第三维中快速移动高分辨率激光焦点。

采用了使用阶梯镜和倾斜平面镜的两种实现方式来实现这一概念。前者允许在有限数量的步骤上任意选择较大的轴向步长,而后者允许任意数量和大小的轴向步骤,并且即使在更有限的扫描范围内,也可以在三维中进行连续扫描。通过这两种实现,科学家介绍了该技术的应用:

然后,我们通过对斑马鱼胚胎的跳动心脏进行成像,证明了我们技术在活体显微镜检查中的潜力。我们相信,这为活体成像打开了重要的应用,特别是在神经科学领域。”

“离散扫描和连续扫描技术都可能会发现许多应用,它们几乎可以同时对大脑的不同层成像或快速获取整个体积以测量神经元的放电模式或脑血流量。重要的是,与以前的技术不同,我们的方法与声库完全兼容光学偏转器,因此理论上能够在三维上以亚微秒为单位进行扫描(例如,> 1 MHz)。因此,使用共振利萨如扫描模式,我们预见了以kHz速率进行体积成像的可能性。” 科学家们预测。

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