西安光机所：大视场双光子散射显微成像技术新进展

自适应光学是一种通过校正波前畸变来提升成像质量的技术。干涉焦点感应（IFS）作为自适应光学领域近年提出的新方法，在深层组织成像中校正复杂像差方面已证明具有显著效果。该技术基于样本内单个位置的测量来确定校正模式。本文提出了一种基于图像的干涉焦点感应方法（IBIFS），通过共轭自适应光学配置，利用图像质量指标的反馈信息对整个视场范围内的波前进行渐进式估计与校正。样本共轭配置通过逐点测量各位置校正模式，实现了全视场范围内多个点位的同步校正。我们在自主搭建的双光子显微镜系统上，分别以荧光微球和小鼠脑切片为样本对方法进行了实验验证。结果表明，与基于感兴趣区域的方法相比，本方法不仅具有更大的有效视场范围，还能获得更为稳定的优化效果。

近日，中科院西安光机所超快光科学与技术全国重点实验室姚保利研究员团队在大视场双光子散射显微成像领域取得进展，相关研究成果发表在《纳米光子学》（Nanophotonics）上Nanophotonics。

目前双光子显微成像领域最常见的AO方法是Zernike模式分解法，该方法对于较弱的像差补偿效果较好，但受光学记忆效应范围的限制，校正相位仅仅对于一个小区域视场有较好的效果。

针对上述问题，研究团队提出了一种针对深层组织显微成像的大视场波前校正方法——基于图像的干涉焦点感应波前校正方法（图1）。该方法利用全视场图像信息评估参数作为干涉焦点感应方法的输入，获得了更稳定校正效果的同时，展现出高稳定、抗干扰的特点。

图1.基于图像的干涉焦点感应（IBIFS）方法原理图

在共振扫描振镜双光子激发荧光显微成像系统中，研究人员首先对散射体下的荧光小球样品进行了大视场波前校正（图2），实验结果表明，基于小区域信号校正的方法（ROI-based）仅对参考点B1附近的视场有较好的校正效果，而IBIFS方法（MHF-based）可以利用全视场的图像信息反馈调节校正相位，具有全视场的校正效果。

图2.荧光小球样品的散射校正实验结果

在小鼠脑神经切片样品散射校正实验中，实验结果（图3）显示ROI-based的校正效果依赖于参考区域的样品结构分布，局部优化效果较好而全局优化效果较差。而IBIFS方法校正后的图像总强度增强倍数比基于小区域信号的方法高37%，实现了更稳定的大视场校正。该技术可应用于高速共振扫描双光子显微镜，为脑科学、发育生物学等领域提供增强显微成像工具。

图3.小鼠大脑切片样品的散射校正实验结果

研究受到国家自然科学基金委员会国家重大科研仪器研制项目、国家重点研发计划、陕西省重点产业链等项目的支持。

论文第一作者为西安光机所2021级博士研究生杨睿文，通讯作者为姚保利研究员和杨延龙正高级实验师，西安光机所是第一完成单位和通讯单位。

论文链接：https://doi.org/10.1515/nanoph-2024-0738