近日，超快光科學與技術全國重點實驗室姚保利研究員團隊在大視場雙光子散射顯微成像領域取得進展，相關研究成果發表于光學類國際知名期刊Nanophotonics。論文第一作者為中國科學院西安光機所2021級博士研究生楊睿文，通訊作者為姚保利研究員和楊延龍正高級實驗師，中國科學院西安光機所是第一完成單位和通訊單位。
在生物醫學成像領域，尤其是深層組織成像中，樣品的散射和系統的像差會嚴重降低圖像質量并限制成像深度。自適應光學(AO)技術通過補償波前畸變來提高成像質量，最早在天文學中用于校正大氣湍流的影響，后被引入顯微成像領域以校正像差和生物組織的散射。目前雙光子顯微成像領域最常見的AO方法是Zernike模式分解法，該方法對于較弱的像差補償效果較好，但受光學記憶效應范圍的限制，校正相位僅僅對于一個小區域視場有較好的效果。
針對上述問題，研究團隊提出了一種針對深層組織顯微成像的大視場波前校正方法——基于圖像的干涉焦點感應波前校正方法(圖1)。該方法利用全視場圖像信息評估參數作為干涉焦點感應方法的輸入，獲得了更穩定校正效果的同時，展現出高穩定、抗干擾的特點。
圖1 基于圖像的干涉焦點感應(IBIFS)方法原理圖
在共振掃描振鏡雙光子激發熒光顯微成像系統中，研究人員首先對散射體下的熒光小球樣品進行了大視場波前校正(圖2)，實驗結果表明，基于小區域信號校正的方法(ROI-based)僅對參考點B1附近的視場有較好的校正效果，而IBIFS方法(MHF-based)可以利用全視場的圖像信息反饋調節校正相位，具有全視場的校正效果。
圖2 熒光小球樣品的散射校正實驗結果
在小鼠腦神經切片樣品散射校正實驗中，實驗結果(圖3)顯示ROI-based的校正效果依賴于參考區域的樣品結構分布，局部優化效果較好而全局優化效果較差。而IBIFS方法校正后的圖像總強度增強倍數比基于小區域信號的方法高37%，實現了更穩定的大視場校正。該技術可應用于高速共振掃描雙光子顯微鏡，為腦科學、發育生物學等領域提供增強顯微成像工具。
研究受到國家自然科學基金委員會國家重大科研儀器研制項目、國家重點研發計劃、陜西省重點產業鏈等項目的支持。
圖3 小鼠大腦切片樣品的散射校正實驗結果
姚保利團隊近年來在利用超短脈沖激光的顯微成像領域進行了深入研究，利用光場調控技術實現了具有高景深的類貝塞爾光束的快速立體掃描成像，先后承擔了中國科學院科研裝備研制項目和國家重大科研儀器研制項目，并與多家科研院所和高校開展了合作研究。此外，團隊在基于光場調控的光學顯微成像和光學微操縱方面開展了長期的理論和實驗研究工作，在PNAS、Nature Com.、PRL、Rep. Prog. Phys.、Adv. Opt. Photon.等期刊發表論文300余篇，授權多項國家發明專利，曾獲陜西省科學技術一等獎、二等獎和陜西省重點科技創新團隊等獎勵和榮譽。
