无透镜生物平板显微镜是一种小型、廉价的相机，用于监测传统仪器无法捕捉的生物活动。该设备最终可以用于寻找癌症或败血症的迹象，或者成为一种有价值的内窥镜检查工具。鸣谢:罗宾逊实验室/莱斯大学想监测一只奔跑的老虎的大脑？首先，抓老虎。
然后附上生物平板显微镜，这是莱斯大学正在开发的最新无透镜显微镜。
莱斯大学乔治·布朗工程学院的电气和计算机工程师雅各布·罗宾逊认为，这种特殊的用途很有想象力，但并不牵强。他最近领导了在生物体内测试生物平板显微镜的工作。
该研究小组的FlatCam是一种无透镜设备，它通过一个面具将光线直接引导到相机传感器上，主要针对外部世界。原始图像看起来像静态的，但一种定制的算法使用它们包含的数据来重建相机看到的东西。
新设备向内看，以成像体内的细胞和血管等微米级目标，甚至通过皮肤。生物平板显微镜可以捕捉任何带镜头的相机都无法看到的图像——例如，显示奔跑中老鼠的荧光标记神经元的动态变化。
与其他显微镜相比，它的一个优势是，生物平板显微镜捕捉到的光线可以在事后重新聚焦，以显示3D细节。没有透镜，瞄准镜的视野是传感器的大小(在目标附近)或者更宽，没有失真。
一种小型、低成本的生物平板内窥镜最终可能会寻找癌症或败血症的迹象，或者成为内窥镜检查的一种有价值的工具，Robinson说，他与赖斯神经工程倡议的同事们在这个项目上合作。
该团队的概念验证研究还拍摄了植物、水螅，甚至在一定程度上拍摄了人类。他们的结果发表在《自然生物医学工程》上。
据研究人员称，该机制结合了一种复杂的相位掩模，以产生直接落在芯片上的光图案。原始平板相机中的掩模看起来像条形码，限制了通过相机传感器的光量。但是对于生物样本效果不好。
莱斯大学的生物平板显微镜(左)和原始平板显微镜(右)的图像对比显示了新设备捕捉到的铃兰细胞图像的细节。Bio-FlatScope的随机相位掩模被证明在弯曲结构成像方面更好。鸣谢:罗宾逊实验室/莱斯大学Bio-FlatScope相位掩模看起来更像自然景观的随机地图，没有直线。“我们不得不从头开始，考虑如何让它在现实的生物环境中发挥作用，”罗宾逊说。
这项研究的四位主要作者之一、博士后研究员Vivek Boominathan说:“随机使得面具在收集来自各个方向的光线方面非常多样化。”“然后我们采用被称为柏林噪声的随机输入，并进行一些处理，以获得这些高对比度的轮廓。”
在传感器上，穿过掩模的光表现为点扩散函数，这是一对看似无用的模糊斑点，但实际上是获取衍射极限以下物体细节的关键，这些物体太小，许多显微镜都无法看到。斑点的大小、形状和彼此之间的距离表明主体离焦平面有多远。软件将数据重新解释成可以随意重新聚焦的图像。
一只老虎有点超出了他们的预算，所以研究人员从小处着手，首先在山谷百合中捕捉细胞结构，然后在微小的水母状水螅中捕捉钙活动。他们转而监测一只奔跑的啮齿动物，将生物平视仪附在一只啮齿动物的头骨上，并将其放在一个轮子上。数据显示，在动物大脑的一个区域中有荧光标记的神经元，将运动皮层的活动与运动联系起来，并解析直径小到10微米的血管。
在与Rice Bioengineering的Rebecca Richards-Kortum和研究科学家Jennifer Carns的合作中，该团队将血管成像确定为生物平板镜的潜在临床应用。研究生和共同主要作者吴继民提供了他的下唇，看看光线通过相机是否可以传递内部血管的结构细节。
“这是一种工程挑战，因为很难将生物平板镜定位在正确的位置并保持在那里，”吴说。“但它向我们展示了它可能是一种观察败血症迹象的好工具，因为败血症前期会改变脉管系统的密度。癌症还会改变微血管的形态。
“我们可以想象很难将显微镜固定在那个位置，但也许你放在嘴唇上的一个小夹子能够在口腔粘膜中寻找败血症或肿瘤等东西，”罗宾逊说。
从长远来看，该团队看到了一种相机的潜力，这种相机可以围绕其主题弯曲，如脑组织，“因此它可以与你正在观看的形态学相匹配，”罗宾逊说。“或者你可以把它折叠起来，固定在适当的位置，然后展开。
“你也可以通过弯曲它来获得鱼眼效果，或者你可以向内弯曲它，并具有非常高的光收集效率，从而实现真正有趣的事情，”他说。
这项研究的共同主要作者包括莱斯大学校友杰西·亚当和应用物理学研究生颜东。合著者是Rice研究生Sibo Gao和Soonyoung Kim博士后校友A·罗德里格兹；电子和计算机工程及生物工程副教授Caleb Kemere电子和计算机工程教授Ashok Veeraraghavan。
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