计算机显微镜实现宽视场高分辨率三维成像

研究人员报告了一种新的微型计算内窥镜的升级，该内窥镜可以实现单次、宽视野的高分辨率3D成像。这种简单、低成本的微型仪器可能对广泛的大规模3D荧光成像和神经记录应用有用。

波士顿大学的杨前万将在光学成像大会上展示这项研究。混合会议将于2023年8月14日至17日在马萨诸塞州波士顿举行。

杨解释说：“随着动机和行为的改变，功能性大脑交互的变化，自由移动的动物神经记录至关重要。内窥镜旨在测量小鼠皮层的全部活动，以细胞分辨率，因为动物从事复杂的、认知要求高的行为。荧光显微镜通常用于研究生物结构和动力学，但大多数显微镜需要在视野、分辨率和系统复杂性之间进行权衡。”

为了克服显微镜的限制，波士顿大学的田教授和他的团队开发了一种计算微型显微镜(CM2)——一种具有高空间分辨率和大视场范围的显微镜。该仪器基于计算成像，将成像硬件和计算算法相结合，以实现否则不可能的成像能力。

研究人员最近升级了他们的细观镜，增加了新的微型光学，大大提高了光通量和图像对比度。他们还开发了研究人员最近升级了他们的细观镜，增加了新的微型光学，大大提高了光通量和图像对比度。他们还开发了一种新的深度学习模型，显著提高了轴向分辨率和重建速度。由于使用了现成的和3D打印的组件，因此产生的系统简单、成本低。

硬件升级包括基于自由光学的微型LED准直器，并使用透明树脂和桌面3D打印机制造。通过将新的准直器(每个仅重0.03克)添加到仪器的四LED阵列照明器中，光效率达到约80%。这一更新还产生了高度受限的均匀照明，在直径8毫米的圆形区域内激发功率高达75 mW。研究人员通过引入一种新的混合发射滤波器(结合干扰和吸收滤波器)提高了图像对比度。

新的深度学习模型优化了图像形成的计算方面，以实现在宽视野范围内的高质量3D成像。该算法将轴向分辨率提高到约25 μm，比之前用于重建的方法好约8倍，同时将重建时间减少到4秒以下，用于视野为7 mm、深度为0.8 mm的体积。

Yang补充说：“未来的工作将专注于解决组织散射的突出挑战。我们设想探索有前途的解决方案，如微型结构照明技术和散射合并的3D重建框架，以扩大CM2的实用性。”

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