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像观看3D电影一样观测微观生物
——西安光机所成功研发微观生物动态立体成像系统
发布时间:2017-03-15 来源:陕西日报 作者:张梅 通讯员 张行勇 曹仲杰 【
    

  

  我们或许都知道,当科研人员或医疗人员在观察研究一种植物花粉的形态或一个细胞体的状态时,需要耗费大量精力,小心翼翼地采取组织,然后进行组织包埋、切片等繁琐的程序,最后才能放到显微镜下进行观察。而且,这样的观察结果还不是立体、动态的效果,在此基础上对其作出全面客观的判断也就更难一些。日前,中国科学院西安光机所瞬态光学与光子技术国家重点实验室(简称:瞬态室)一项科研成果或许将给科研人员观测微观生物带来革命性的突破。  

    科学研究的呼唤   

    “经典生物物种形态分类学历经二百多年的发展,今天要取得突破性进展以解决一些物种演化难题,如没有突破性新技术研发的观察仪器设备是相当困难的。”说起这项成果的价值背景,昆虫分类学家、中科院动物研究所研究员杨星科如是说。    

    依据植物形态特征进行植物学分类等的林奈时代博物学至今将近300个年头。当代生命科学研究的发展水平特别是生物医学的发展要求已对光学显微技术提出了越来越高的要求——即需要更高的空间分辨率、更大的成像深度、更快的成像速度。特别是对于生物活体显微成像来说,生物组织对光的散射使得噪声大大增强,严重影响了空间分辨率和成像深度。   

    为了提高成像深度,自20世纪90年代,一些世界上的光学家提出双光子激发激光扫描荧光显微技术后,已被广泛应用于神经成像等领域。但是,一个难题一直制约其发展应用。那就是因其逐点扫描的成像方式严重制约了成像速度。因为高分辨率光学显微镜的景深很小,要对样品完成三维成像,通常需要数十层乃至上百层的二维图像进行叠加重建得到,图像采集和处理一般需要数分钟甚至数十分钟,要快速实时地获取和显示三维图像非常困难。   

     因此,能拥有一套快速实时地获取和显示三维图像的成像系统成为科研工作者们的梦想。   

    微观生物的三维立体成像    

    中国科学院西安光机所瞬态室超分辨成像团队研制成功的双光子激发激光扫描实时立体显微镜,首次把基于双目视觉的立体显微方法和高分辨率双光子激发激光扫描荧光显微技术结合在一起,实现了对三维荧光样品的高速立体成像系统。  

  “它可以让我们像观看立体电影一样实时地观测动物或植物活个体的动态三维微观世界,无需光切片,无需耗时的三维图像重构。”中国科学院西安光机所瞬态室杨延龙博士介绍。  

  “双目视觉成像是非常高效的三维信息获取方式,但是现有的体视显微镜,空间分辨率和景深互相制约,我们利用三自由度扫描的贝塞尔光束进行非线性荧光激发突破了这种限制。”杨延龙进一步介绍讲。他负责设计和完成了其中的立体扫描和成像显示的关键部分。  

  这一相关研究成果发表在201612月刊的“美国公共科学图书馆”(PLOSONE)杂志上,并被授权国家发明专利(专利号ZL201210384895.4)。这项研究先后在中科院“百人计划”和国家自然科学基金的支持下,从基本原理验证,关键技术突破,到原理样机完成,经历了从基础研究到应用集成的各个环节。 

  新“工具”的诞生    

    瞬态室超分辨成像团队在姚保利研究员和叶彤研究员的带领下,以双目视觉原理和贝塞尔光束产生扩展焦场为基础,提出了由四个振镜组成的激光束立体扫描装置,实现了对贝塞尔光束的横向位置和倾角共三个维度的控制,突破了只有两个自由度的传统激光扫描不能实时切换视角的限制。  

  通过对四振镜立体扫描装置的优化设计和控制,实现了对贝塞尔光束的三自由度快速扫描,可在毫秒量级进行双视角切换,从而解决了激光扫描立体显微成像系统中双光路同时成像的技术难题,首次实现了基于双视角实时激光扫描的立体显微成像和显示系统。  

  这一系列的创新,使系统实现可对样品进行立体动态成像和实时双目立体观测,其三维成像速度比传统的逐点扫描方式提高了一到两个数量级。  

  在此基础上,研发成功的双光子立体显微系统为活体生物的三维实时成像和显示提供了一种新的观测工具。目前,课题组正在与国内外相关科研机构开展生物医学应用的合作研究,期望尽快将该项技术应用于生物活体三维快速成像和显示领域。 

  

 

   

本报记者 张梅 通讯员 张行勇 曹仲杰  
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