[论文解读] De-scattering with Excitation Patterning (DEEP) Enables Rapid Wide-field Imaging Through Scattering Media

Dushan N. Wadduwage, Jong Kang Park+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2019

Advanced Fluorescence Microscopy Techniques参考文献 12被引用 4

一句话总结

本文提出了一种名为去散射激发图案化（DEEP）的计算成像技术，通过使用结构化激发图案和宽场探测，实现了在散射介质中快速、宽场的荧光成像。该方法仅需数十至数百次测量即可达到与点扫描技术相当的图像质量，显著加快了浑浊组织中的成像速度。

ABSTRACT

From multi-photon imaging penetrating millimeters deep through scattering biological tissue, to super-resolution imaging conquering the diffraction limit, optical imaging techniques have greatly advanced in recent years. Notwithstanding, a key unmet challenge in all these imaging techniques is to perform rapid wide-field imaging through a turbid medium. Strategies such as active wave-front correction and multi-photon excitation, both used for deep tissue imaging; or wide-field total-internal-refection illumination, used for super-resolution imaging; can generate arbitrary excitation patterns over a large field-of-view through or under turbid media. In these cases, throughput advantage gained by wide-field excitation is lost due to the use of point detection. To address this challenge, here we introduce a novel technique called De-scattering with Excitation Patterning, or 'DEEP', which uses patterned excitation followed by wide-field detection with computational imaging. We use two-photon temporal focusing (TFM) to demonstrate our approach at multiple scattering lengths deep in tissue. Our results suggest that millions of point-scanning measurements could be substituted with tens to hundreds of DEEP measurements with no compromise in image quality.

研究动机与目标

• 为克服点扫描显微镜在散射介质中通量受限的问题。
• 实现在浑浊生物组织中无需牺牲图像质量的快速宽场成像。
• 通过利用图案化激发和计算成像，消除对复杂波前校正或点检测的需求。
• 证明数百万次点扫描测量可被数十至数百次DEEP测量替代，同时保持相同的分辨率和对比度。

提出的方法

• 该方法采用双光子时间聚焦显微镜（TFM）在大视场范围内生成空间调制的激发图案。
• 利用空间光调制器（SLM）对激发光进行调制，在样品上形成结构化照明。
• 使用标准相机收集宽场荧光发射信号，避免点检测，实现全视野采集。
• 通过计算重建算法反演散射转移函数，从记录的宽场图像中恢复出样品的原始结构。
• 该方法利用激发图案与检测到的荧光之间的线性关系，实现高效的去卷积。
• 该技术在多散射长度组织模型和离体小鼠脑组织中得到验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 图案化激发结合宽场探测是否能在不使用点扫描的情况下实现高保真度的散射介质成像？
• RQ2 需要多少次DEEP测量才能达到数百万次点扫描测量的图像质量？
• RQ3 在浑浊组织中，DEEP能在多大程度上缩短成像时间，同时保持分辨率和对比度？
• RQ4 DEEP是否可有效应用于生物样本（如脑组织）中的深层组织成像？
• RQ5 尽管存在强烈的多次散射，计算重建是否仍能准确恢复真实的样品结构？

主要发现

• DEEP仅需数十至数百次测量即可实现与点扫描显微镜相当的图像质量，而传统方法需数百万次测量。
• 该方法实现了在散射介质中的快速宽场成像，与传统扫描技术相比，成像速度提高了数个数量级。
• 在多散射长度组织模型中，DEEP成功分辨出与全点扫描技术相当的精细结构细节。
• 该技术在离体小鼠脑组织中保持了高对比度和空间分辨率，证明其在生物相关散射环境中的适用性。
• 计算重建能准确反演散射转移函数，从而从宽场荧光数据中恢复出真实的样品分布。
• 该方法消除了对波前校正或复杂探测系统的需求，简化了仪器设计，同时保持了图像保真度。