【摘要】：本文介紹了一種高時空分辨率的三維顯微成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有多功能性,可以根據(jù)不同的生物研究需要切換不同的成像模式,完成相應(yīng)的成像要求。該系統(tǒng)結(jié)合了光片熒光顯微鏡與光場顯微鏡的優(yōu)勢,通過將光片照明的方式引入光場成像,提高了光場顯微鏡的成像性能,實現(xiàn)了對厚樣品生物動態(tài)過程的實時三維成像,拓展了光場顯微鏡的應(yīng)用領(lǐng)域。該系統(tǒng)依托商用的奧林巴斯BX-51正置顯微鏡設(shè)計并實現(xiàn)。在保留原有顯微鏡功能不改變的同時,可以實現(xiàn)在光片熒光顯微鏡和光場顯微鏡之間的切換。通過小型化、模塊化的設(shè)計,使得系統(tǒng)具有較小的體積,易于搭建和推廣。同時,保留了一定的可拓展性�？梢愿鶕�(jù)不同的需要對系統(tǒng)進(jìn)行拓展。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)細(xì)胞級別的分辨率和高達(dá)100FPS的體成像速率,解決了生物成像問題中對分辨率、成像速度以及通量的需求。并從現(xiàn)實的生物應(yīng)用出發(fā),以秀麗隱桿線蟲和斑馬魚心臟為例,實現(xiàn)了高分辨率的線蟲成像、線蟲運動過程和斑馬魚心臟跳動過程的三維重構(gòu),分析了其在生物研究中的作用和意義。該系統(tǒng)的設(shè)計從現(xiàn)實的生物醫(yī)學(xué)問題出發(fā),旨在為相關(guān)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究者提供一種有力的、易于使用的工具,為顯微成像技術(shù)的發(fā)展提供一種新的思路。希望該系統(tǒng)通過不斷地改進(jìn),能夠得到廣泛的應(yīng)用。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP391.41;TH742
【圖文】：

領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用[9-12]。傳統(tǒng)的落射式寬場熒光顯微鏡采用落射式的寬場照明方式，照明光路與探測光路部分重合，照明光經(jīng)由物鏡聚焦于樣本上激發(fā)熒光，所激發(fā)的熒光信號再經(jīng)由物鏡成像[5, 13, 14]，如圖 1-1(a)所示。雖然激發(fā)光的波長與發(fā)射光的波長不同，經(jīng)由濾色塊濾波后，兩者并不會互相干擾。但是位于照明探測光路上的樣本熒光均被激發(fā)，在最終所成的熒光圖像上，非焦平面上的信號所產(chǎn)生的離焦圖像會對有效的焦面信號產(chǎn)生干擾，從而降低圖像的信噪比和分辨率。對諸如鼠腦、斑馬魚等大樣本成像時，寬場照明所帶來的圖像降質(zhì)尤為嚴(yán)重和明顯，在最終的圖像中甚至不能分辨出有效的結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)信息。對于三維成像而言，一般的方法是沿探測方向?qū)φ麄�樣本進(jìn)行掃描，分別在不同的焦平面上進(jìn)行成像，最后將所成圖像堆疊重構(gòu)成樣本的三維圖像。對于較大的樣本，掃描需要耗費較長的時間。采用落射式照明的寬場顯微鏡在三維成像中，由于樣本在整個三維成像的過程中都處于被激發(fā)的狀態(tài)，長時間的照明會導(dǎo)致樣本熒光信號的漂白，同時較強(qiáng)的光毒性容易導(dǎo)致活體樣本的死亡，不利于對活體樣本進(jìn)行三維成像。

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文常規(guī)的光場顯微鏡如圖 1-2(a)所示，放大區(qū)域為微透鏡陣列。一般的寬場探測僅能夠探測光的強(qiáng)度信息，對點光源進(jìn)行成像時，僅在焦平面上可以探測到最小的光斑(艾里斑)，而在不同的離焦位置則探測到半徑不同的擴(kuò)散斑。而添加了 MLA 之后，不同角度光線經(jīng)由 MLA 會打在探測器的不同位置上。因而處在不同焦平面的點除了在擴(kuò)散大小上有差異，其所呈現(xiàn)的形狀也有算不同，如圖 1-2(c)所示。通過去卷積或光場渲染等方法即可恢復(fù)所探測的三維圖像信息[13, 19, 21, 22]。圖 1-2(d)對比了寬場探測與光場探測沿 z 軸的成像結(jié)果。

渲染等方法即可恢復(fù)所探測的三維圖像信息[13, 19, 21, 22]。圖 1-2(d)對比了寬場探測與光場探測沿 z 軸的成像結(jié)果。圖 1-2 (a)常規(guī)的光場顯微鏡.[22] (b)寬場探測示意圖. (c)光場探測示意圖. Sensor:探測器. FP:物鏡焦平面. OBJ:顯微物鏡. TL:顯微鏡筒鏡. MLA:微透鏡陣列. (d)樣品處于不同軸向位置時,寬場探測與光場探測的成像結(jié)果對比.左列為寬場探測結(jié)果,右列為光場探測結(jié)果.光場顯微鏡僅需通過單次曝光即可恢復(fù)出樣品的三維信息，相比較光片顯微鏡或共聚焦顯微鏡通過掃描重構(gòu)三維圖像的方式而言在成像速度上具有極大的優(yōu)勢，特別適用于拍攝活體樣本的三維運動過程或三維信號的變化過程。但對角向信息的提取增加勢必導(dǎo)致所提取到的強(qiáng)度信息的減少，光場顯微鏡的橫向分辨率與軸向分辨率是相矛盾的關(guān)系，其橫向分辨率主要決定于所使用 MLA 的透鏡元大小、顯微系統(tǒng)的放大倍率和波長，其在軸向上的分辨率分布也并非各向同性。橫向分辨率的經(jīng)驗公式為[22]：υ(z) = 0.94 | |

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 聶云峰;相里斌;周志良;;光場成像技術(shù)進(jìn)展[J];中國科學(xué)院研究生院學(xué)報;2011年05期

本文編號：2792603