科罗拉多州立大学阿难·森 左:鼠肌肉切片的宽视场二次谐波产生强度测量的三维视图
右图:谐波光学断层成像重建后样本组织块的三维视图
学分:科罗拉多州立大学 科罗拉多州立大学和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的合作产生了一种新的三维成像技术，可以在显微镜下观察组织和其他生物样本，有可能帮助癌症或其他疾病的诊断
他们的技术允许样本产生两倍于入射光频率或一半波长的光，这种技术被称为谐波光学断层扫描，它观察样本产生的三维信号
该团队的工作在一篇名为“非线性结构的谐波光学层析成像”的论文中有所描述，该论文发表在6月1日的《自然光子学》在线版上
谐波光学层析成像(HOT)是基于使用全息信息，测量光的强度和相位延迟，通过利用用于获得三维图像的新物理机制来生成样品的三维图像
“我们的实验室专门使用全息数据来研究活细胞和组织，”伊利诺伊大学电气和计算机工程教授、贝克曼高级科学技术研究所定量光成像实验室主任加布里埃尔·波佩斯库说
“我们希望通过结合全息数据和新的物理模型，将这项技术扩展到非线性样本
" 应用范围 通常，像手机摄像头捕捉到的图像，会将三维信息展平为二维图像
可以窥视物体内部的三维成像为各种应用提供了关键信息，例如医学诊断、使用断层x光和超声波方法寻找油井和飞机机翼中的裂缝
在这次合作中，该团队开发了理论模型来描述如何对组织成像，并发现了一种独特的三维成像能力，这种能力是通过用模糊、散焦的激光照射样本而产生的，这与直觉相反
该团队在科罗拉多州立大学设计并建造了一个新系统来收集数据
然后用计算成像算法重建数据
这些实验验证了一种全新形式的光学层析成像，对实验预测产生了出色的验证
“这种新的非线性断层成像实验演示的关键是一种定制的高功率激光器，由加州大学研究生基思·沃辛设计和制造，”加州大学电气与计算机工程系教授、论文合著者兰迪·巴特尔斯说
“这个光源被集成到一个定制的离轴全息显微镜中，该显微镜使用一个大数值孔径的聚光透镜散焦来进行宽视场照明
正是这种特殊的照明条件允许非线性光学产生二次谐波产生信号并获得信息以形成三维图像
这项工作是一个令人兴奋的例子，说明密切的对话如何使理论和实验设计的提炼产生创新的新概念
" 欧洲经委会研究生瓦伦·凯尔卡尔补充道，他曾与论文合著者基马尼·C教授合作
小图桑
:“HOT最初是一个有趣的理论项目，我在研究生院的第一年与波佩斯库教授合作，作为他的研究生水平显微镜课程的一部分
发展这个想法需要综合几个光学子领域的概念，这些概念是我在本科和研究生院学习的
我很兴奋看到它成熟成为一个功能性的实验原型
凯尔卡目前是伊利诺伊大学马克·阿纳斯塔西奥教授计算成像科学实验室的成员
加州州立大学研制的谐波光学层析显微镜
学分:科罗拉多州立大学 两种样品 波普斯库研究小组的研究生程菲·胡说，研究人员使用了两种类型的样本来检验他们的理论
第一种是人造晶体，通常用于产生非线性信号
第二个是生物样本，他们使用了肌肉组织
该技术对于观察用传统成像方法难以研究的物体是有用的
胶原蛋白是一种非常明亮的二次谐波发生器，其过程与激光笔发出绿光的过程相同
波佩斯库说，由于胶原蛋白是人体中最丰富的蛋白质，胶原蛋白非线性特性的能力可以改变他们在这种新的断层成像方法中使用的光的频率
“大多数研究人员用二维而不是三维来观察它，”他说，“使用这种技术，我们可以用胶原纤维的方向来报告癌症的侵袭性。”
" 据加州州立大学显微核心设备主任、电子工程领域的研究科学家杰夫·菲尔德说:“这种新型断层成像对于目前依赖二维图像来了解胶原纤维方向的广泛研究非常有价值，胶原纤维方向已被证明可以预测多种类型的癌症
" 更简单快捷 菲尔德帮助设计和建造了热显微镜，他将这种新的断层扫描策略与其他形式的断层扫描进行了比较
菲尔德解释说:“在大多数断层成像方法中，比如在医院的计算机断层扫描中，样本或照明必须旋转，这在微观尺度上实施起来非常具有挑战性。”
“使用这种新方法，样品只需向一个方向平移，这大大简化了几何形状，并最大限度地减少了失调，使其更容易应用于各种应用
" 菲尔德继续描述了与激光扫描显微镜相比，新的热显微镜获取三维数据的速度有多快
“最常见的三维二次谐波成像方法是激光扫描，将聚焦光束逐像素移动，形成二维图像
他说:“从组织不同深度拍摄的二维图像‘叠加’而成的三维图像。”
“HOT还根据深度收集二维图像，但没有逐像素扫描的缓慢过程
这使得在激光扫描通常所需的一小部分时间内收集三维图像成为可能
" 与典型的激光扫描显微镜不同，“热显微镜的另一个好处是，它的速度使它更不容易受到振动和不必要的显微镜漂移的影响，从而导致更清晰的图像和更高的可重复性，”合著者图桑说，他是伊利诺伊大学工程学院的前教授，现在是布朗大学工程学院的教授
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