專題Nature封面：高分辨率成像突破性進展
更新時間：2012-12-01 瀏覽次數(shù)：2279
| 摘要： 來自荷蘭屯特大學(xué)MESA+ 研究所的研究人員成功實現(xiàn)了這一點，研究組掃描了一種能照亮不透明散射的激光束的一角，從而利用激光穿過散射介質(zhì)時所產(chǎn)生的有斑點的強度圖案中的關(guān)聯(lián)性，通過計算機記錄熒光量，并根據(jù)不同角度的數(shù)據(jù)進行計算。 |
近年來科學(xué)家們發(fā)展了不少強大的工具可以通過小部分直射光成像，但是迄今為止，還沒有實現(xiàn)*散射光的物體成像，而這對于生命科學(xué)尤為重要。近日由Allard Mosk博士領(lǐng)導(dǎo)，來自荷蘭屯特大學(xué)MESA+ 研究所的研究人員成功實現(xiàn)了這一點，研究組掃描了一種能照亮不透明散射的激光束的一角，從而利用激光穿過散射介質(zhì)時所產(chǎn)生的有斑點的強度圖案中的關(guān)聯(lián)性，通過計算機記錄熒光量，并根據(jù)不同角度的數(shù)據(jù)進行計算。
類似皮膚，紙張和毛玻璃之類的材料看上去不是透明，這是因為它們會令光線散射，在這樣的材料里，光線不是在一條直線上移動，而是沿著不可預(yù)測的不穩(wěn)定路徑前行。因此也就不可能獲得這種材料背后隱藏物體的清晰圖像。
對此，Mosk博士指出，“雖然熒光強度無法直接構(gòu)成一張圖片，但是這樣能獲取這些加密情況下的信息。文章的*作者，兩位年輕科學(xué)家想到了一個高招，能鑒別出這些加密信息是否足以構(gòu)建圖像，并且由此找到了聚合足夠多信息的方法“，這種方法是一種計算機程序，程序能在開始時猜測丟失的信息，然后進行測試，完善猜測。zui終他們成功地獲得了一個50微米大小熒光物體的圖像——50微米正是一個典型細胞的大小。
（a.檢測對象是用熒光墨水寫的希臘字母“π”，前面放置有一個強散射玻璃光漫射屏;
b.利用激光束從不同角度投射到漫射屏同一位置，檢測物只產(chǎn)生彌散的熒光;
c.計算機記錄下激光束不同角度所激發(fā)的熒光強度，看似隨機的模式好像與檢測物無相似之處;
d.之后計算機搜索檢測模式的相似處，計算出檢測物真實形狀。）
研究人員希望他們的這項工作能用于研發(fā)新型顯微技術(shù)，幫助研究人員在強散射環(huán)境中獲得高分辨率的圖像，MOSK博士表示：“這對于納米技術(shù)非常有用。我們希望能發(fā)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境中的結(jié)構(gòu)，比如計算機芯片“，同時研究人員想將這一方法延伸到人體皮膚研究上， “但目前而言”，MOSK博士說，“我們的方法還是太慢了。”
不過在這項研究中，研究人員還是成功的通過這種迭代算法，將目標的空間信息和斑點圖案分開，獲得了藏在散射層之后細胞熒光目標，以及夾在兩個不透明屏幕之間的一個復(fù)雜生物樣本的詳細圖像。這一研究突破公布在2012年11月8日的Nature封面上。
原文摘要：
Non-invasive imaging through opaque scattering layers
Non-invasive optical imaging techniques, such as optical coherence tomography, are essential diagnostic tools in many disciplines, from the life sciences to nanotechnology. However, present methods are not able to image through opaque layers that scatter all the incident light. Even a very thin layer of a scattering material can appear opaque and hide any objects behind it. Although great progress has been made recently with methods such as ghost imaging and wavefront shaping, present procedures are still invasive because they require either a detector or a nonlinear material to be placed behind the scattering layer. Here we report an optical method that allows non-invasive imaging of a fluorescent object that is compley hidden behind an opaque scattering layer. We illuminate the object with laser light that has passed through the scattering layer. We scan the angle of incidence of the laser beam and detect the total fluorescence of the object from the front. From the detected signal, we obtain the image of the hidden object using an iterative algorithm. As a proof of concept, we retrieve a detailed image of a fluorescent object, comparable in size （50 micrometres） to a typical human cell, hidden 6 millimetres behind an opaque optical diffuser, and an image of a complex biological sample enclosed between two opaque screens. This approach to non-invasive imaging through strongly scattering media can be generalized to other contrast mechanisms and geometries.