作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 在线封面——计算微型中尺度(CM2)
影像学分:薛等
，科学进步，doi:10
1126/sciadv
abb7508 本周《科学进展》的在线专题封面照片展示了带有计算微型中观(CM2)的荧光成像
荧光成像技术是生物学家和神经科学家的重要工具；然而，传统显微镜和微型显微镜受到有限的空间带宽积的限制，空间带宽积是对光学系统信息容量的测量，景深较浅，并且不能分辨三维(3-D)分布式发射器
为了克服现有的限制，美国波士顿大学的·薛和一组电子和计算机工程、生物学、神经光子学和生物医学工程的研究人员
S
，开发了一种被称为计算微型中尺度(CM2)的轻便而紧凑的中尺度
新平台在同一设置中集成了用于成像的微透镜和用于激发的发光二极管阵列
与现有的微型望远镜相比，该设备可以进行单次三维成像，视野增益提高了10倍，景深提高了100倍
薛等
用荧光珠和纤维测试该装置，同时进行体模实验，以测量整体散射和背景荧光的影响
该团队讨论了这种介观在生物医学和三维神经记录中的广泛应用的实用性
先进的荧光显微镜 荧光显微术是基础生物学和系统神经科学中的一项关键技术
最近的技术发展旨在克服规模障碍，研究只有几微米大小的单个神经元
比如宏观镜、中透镜显微镜、双光子显微镜等已经开始跨越这个尺度；然而，这种成像系统的发展受到光学元件的尺度相关几何像差的限制
在许多生物成像应用中，可实现的视场(FOV)也受到系统的浅景深的限制
研究人员还致力于使这项技术小型化，以便对自由行为的动物进行体内成像
例如，被称为“微型显微镜”的微型显微镜已经获得了前所未有的获取神经信号的途径，尽管这种系统仍然受到它们的光学系统的限制，就像它们的荧光显微镜一样
薛等
因此，我们引入并演示了一种计算微型显微镜(CM2)，它可以在一个紧凑、重量轻的平台上进行大规模的三维荧光测量
单次3D荧光CM2
CM2将多层光学和发光二极管阵列激发结合在一个紧凑而轻便的平台上
(二)CM2样机图片(省略电线和传感器驱动器)
图片来源:薛，波士顿大学
(三)CM2对悬浮在透明树脂中的100-微米荧光粒子的测量
(四)CM2重建体投影图(7
0毫米乘7毫米
3毫米乘2毫米
5毫米)和三个具有正交视图的放大区域
比例尺，500微米
互补金属氧化物半导体
学分:科学进步，doi: 10
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abb7508 计算微型中尺度(CM2)的作用机制 该团队在设置中使用简单的光学器件来实现空间带宽产品(SBP)的改进和三维成像能力，而不需要机械扫描
该技术通过联合设计硬件和算法，绕过了集成光学的物理限制
CM2成像方法结合了显微成像的几种不同特征，例如积分成像、光场显微术和编码孔径成像
在其作用机制中，显微镜使用微透镜阵列收集单个二维测量值，用于随后的三维荧光分布的计算重建
CM2使用微透镜阵列作为唯一的成像元件，并允许该装置克服由传统显微镜的物镜施加的视场(FOV)限制
CM2算法解决了二维到三维的反卷积问题，以提供深度分辨的重建
薛等
通过类比频分复用(FDM)解释了CM2单次三维成像能力的原理
然后，研究小组通过计算系统的三维调制传递函数并分析横向分辨率，量化了CM2可达到的分辨率
CM2成像原理、偏移变化和分辨率的表征
(一)CM2产生轴向变化的阵列光子晶体光纤，以实现光学切片
研究中提出的几何模型很好地表征了侧焦点中的轴向剪切
轴向扫描光子晶体光纤的光子晶体光纤量化了预期的轴向分辨率
电磁，发射
(二)三维调制传递函数(以对数刻度显示)显示CM2捕捉到了扩展的轴向频率信息，并放大了系统的SBP
实验MTF的支持与理论相符(虚线曲线)
MTF中每个倾斜“带”的角度由对应的微透镜αMLA的角度位置(虚线)设定
(3)横向位移方差的特征是横向扫描的峰值功率因数的脉冲耦合系数
FOV中部的PSF(用橙色边界线标出)包含3 × 3个焦点；外FOV的PSF(用蓝色边界线标出)包含2 × 3或3 × 2个焦点；FOV角的点光源(用黄色边界线标出)包含2 × 2个焦点
(4)FOV不同区域的分辨率通过使用CM2的移位不变模型重建5-微米针孔物体来表征
半最大横向全宽(FWHM)始终低于7微米
轴向FWHM在FOV中部约为139微米，在外视场和角视场分别退化至约172°和约189°微米
(五)对倾斜荧光目标成像的几何学
(六)原始CM2测量
重建体积的分子印迹(8
1毫米乘5毫米
5毫米乘1
8毫米)
7-微米特征(组6，元素2)可以按放大xy投影中所示进行解析
轴向剖切能力以xz投影为特征，验证了特征尺寸相关的轴向分辨率
学分:科学进步，doi: 10
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abb7508 概念证明实验 薛等
通过使用切片方式的移位不变模型来近似CM2设置的图像形成
在实验成像之前，他们对装置的分辨率和横向偏移变化进行了表征，并对荧光分辨率目标进行了成像，以验证CM2的横向分辨率
他们使用Zemax模拟测量验证了观察结果，发现模拟和实验之间有很好的一致性
新平台允许科学家定位分布在大体积区域的荧光发射器
他们在特征尺寸类似于单个神经元的样本上测试了CM2的表现
在这些实验中，CM2算法能够容忍信号降级，例如降低信噪比，从而实现高质量的全视场重建
研究小组比较了CM2重建和物镜获得的轴向叠加，以证明单个粒子单次定位的准确性
清晰体积中10微米荧光粒子的单次3D成像
重建体积的xy最小均方误差跨越5
7毫米乘6毫米
0毫米乘1
0毫米
左上插图:原始CM2测量
CM2is的FOV相当于2倍物镜(红色边界框)，比10倍物镜(蓝色边界框)宽约25倍
(二)CM2三维重建的放大图，以10×0的轴向叠加为基准
25纳米物镜
回收的10-微米粒子的横向和轴向截面
通过与标准宽场荧光显微镜的测量结果进行比较，CM2忠实地恢复了粒子的横向轮廓，并实现了单次深度切片
A
U
，任意单位
与从2×和10×物镜获得的轴向堆相比，重构荧光粒子的xz截面图
(5)为了表征重建的空间变化，为中心、外部和角落FOV绘制了重建粒子的横向和轴向FWHMs的统计
横向宽度仅略有变化(~0
9%)，但在FOV角增加(~13
9%)
轴向伸长分别从FOV中部的约246微米下降到FOV外围和角部的约292和约299微米
学分:科学进步，doi: 10
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abb7508 曲面上荧光纤维和受控散射模型的实验
接下来，科学家们测试了在荧光纤维上成像复杂体积荧光样本的能力，荧光纤维分布在三维印刷曲面上，模拟老鼠皮层的表面轮廓，覆盖广阔的视野和延伸的深度
该算法精确地恢复了聚焦结构并求解了三维物体，同时解决了大部分单个纤维
该小组还在八个成像模型上进行了实验，以测试CM2在体散射和强背景荧光下的性能
在实验过程中，他们用相同浓度的目标荧光粒子接种所有的模型，并将重建的差异归因于整体散射和背景荧光
该团队随后包括1
1- m背景荧光粒子，模拟生物样品上常见的不可溶解的荧光源；比如大脑中的中性粒细胞
他们量化了每个体模的散射水平，对每个散射体模执行三维重建，并使用相同的计算设置执行所有的去卷积
估计的重建深度范围随着每个体模中存在的表面变化而变化
荧光纤维的重建
电影文件可视化了曲面上荧光纤维的体积重建
为了进行比较，深度图是从具有2×0
显示1个物镜
学分:科学进步，doi: 10
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abb7508 通过这种方式，薛和他的同事开发了一种新的小型化荧光成像系统，允许单次拍摄的介观三维成像
计算微型介观(CM2)方法将荧光成像和激发模块集成在同一个紧凑的平台上
该小组展示了模拟和实验，以建立CM2的作用机制和三维成像能力
他们模拟了血管网络的全脑成像，初步结果是有希望的
CM2的原型还不能与神经科学实验室的头戴式体内应用(在动物模型上)相提并论，尽管该团队设想对该设备进行优化，以便在自由活动的小鼠体内进行全皮层成像
成像设备可以随着硬件和算法的进一步发展而进一步改进，以在体内神经记录和生物医学应用中开辟新的令人兴奋的机会
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