圖1.基于圖像的干涉焦點(diǎn)感應(yīng)(IBIFS)方法原理圖

自適應(yīng)光學(xué)是一種通過(guò)校正波前畸變來(lái)提升成像質(zhì)量的技術(shù)。干涉焦點(diǎn)感應(yīng)(IFS)作為自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域近年提出的新方法，在深層組織成像中校正復(fù)雜像差方面已證明具有顯著效果。該技術(shù)基于樣本內(nèi)單個(gè)位置的測(cè)量來(lái)確定校正模式。

本文提出了一種基于圖像的干涉焦點(diǎn)感應(yīng)方法(IBIFS)，通過(guò)共軛自適應(yīng)光學(xué)配置，利用圖像質(zhì)量指標(biāo)的反饋信息對(duì)整個(gè)視場(chǎng)范圍內(nèi)的波前進(jìn)行漸進(jìn)式估計(jì)與校正。樣本共軛配置通過(guò)逐點(diǎn)測(cè)量各位置校正模式，實(shí)現(xiàn)了全視場(chǎng)范圍內(nèi)多個(gè)點(diǎn)位的同步校正。我們?cè)谧灾鞔罱ǖ碾p光子顯微鏡系統(tǒng)上，分別以熒光微球和小鼠腦切片為樣本對(duì)方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，與基于感興趣區(qū)域的方法相比，本方法不僅具有更大的有效視場(chǎng)范圍，還能獲得更為穩(wěn)定的優(yōu)化效果。

近日，中科院西安光機(jī)所超快光科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室姚保利研究員團(tuán)隊(duì)在大視場(chǎng)雙光子散射顯微成像領(lǐng)域取得進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表在《納米光子學(xué)》(Nanophotonics)上Nanophotonics。

目前雙光子顯微成像領(lǐng)域最常見(jiàn)的AO方法是Zernike模式分解法，該方法對(duì)于較弱的像差補(bǔ)償效果較好，但受光學(xué)記憶效應(yīng)范圍的限制，校正相位僅僅對(duì)于一個(gè)小區(qū)域視場(chǎng)有較好的效果。

針對(duì)上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種針對(duì)深層組織顯微成像的大視場(chǎng)波前校正方法——基于圖像的干涉焦點(diǎn)感應(yīng)波前校正方法(圖1)。該方法利用全視場(chǎng)圖像信息評(píng)估參數(shù)作為干涉焦點(diǎn)感應(yīng)方法的輸入，獲得了更穩(wěn)定校正效果的同時(shí)，展現(xiàn)出高穩(wěn)定、抗干擾的特點(diǎn)。

在共振掃描振鏡雙光子激發(fā)熒光顯微成像系統(tǒng)中，研究人員首先對(duì)散射體下的熒光小球樣品進(jìn)行了大視場(chǎng)波前校正(圖2)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于小區(qū)域信號(hào)校正的方法(ROI-based)僅對(duì)參考點(diǎn)B1附近的視場(chǎng)有較好的校正效果，而IBIFS方法(MHF-based)可以利用全視場(chǎng)的圖像信息反饋調(diào)節(jié)校正相位，具有全視場(chǎng)的校正效果。

圖2.熒光小球樣品的散射校正實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在小鼠腦神經(jīng)切片樣品散射校正實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖3)顯示ROI-based的校正效果依賴(lài)于參考區(qū)域的樣品結(jié)構(gòu)分布，局部?jī)?yōu)化效果較好而全局優(yōu)化效果較差。而IBIFS方法校正后的圖像總強(qiáng)度增強(qiáng)倍數(shù)比基于小區(qū)域信號(hào)的方法高37%，實(shí)現(xiàn)了更穩(wěn)定的大視場(chǎng)校正。該技術(shù)可應(yīng)用于高速共振掃描雙光子顯微鏡，為腦科學(xué)、發(fā)育生物學(xué)等領(lǐng)域提供增強(qiáng)顯微成像工具。

圖3.小鼠大腦切片樣品的散射校正實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、陜西省重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)鏈等項(xiàng)目的支持。

論文第一作者為西安光機(jī)所2021級(jí)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(jí)實(shí)驗(yàn)師，西安光機(jī)所是第一完成單位和通訊單位。

審核編輯 黃宇