编码光片阵列显微术提高3D成像速度

国外研究团队开发了一种新的光学成像技术——编码光片阵列显微术（CLAM），它可以高速进行3D成像，并且具有足够的功率效率和柔和度，能够在扫描过程中以现有技术无法达到的水平保存活体标本。

数十年来，科学家一直在使用荧光显微镜来研究生物细胞和生物的内部运作。但是，这些平台中的许多平台通常太慢，无法跟随3D的生物学作用，并可能在强光照射下对生物样本造成破坏。

为了应对这些挑战，由香港大学（HKU）电气与电子工程学系副教授兼生物医学工程学学士学位课程主任、项目负责人Kevin Tsia博士领导的研究团队开发了一种新的光学成像技术——编码光片阵列显微术（CLAM）。它可以高速进行3D成像，并且具有足够的功率效率和柔和度，能够在扫描过程中以现有技术无法达到的水平保存活体标本。

Kevin Tsia博士（右一）和他的团队开发了一种新的光学成像技术，可以使3D荧光显微镜更高效，更不损坏。

这项先进的成像技术最近发表在《光：科学与应用》上，这项创新已经提交了美国专利申请。

新光学成像技术——编码光片阵列显微术（CLAM）

现有的3D生物显微镜平台速度较慢，因为必须依次扫描标本的全部体积，并逐点、逐行或逐平面成像。在这些平台上，单个3D快照需要在标本上重复照明，标本的光照强度通常是日光的数千倍至百万倍，这很可能会损坏标本本身，因此不利于长期用于各种解剖学、发育生物学和神经科学等领域的生物成像。

此外，这些平台通常很快耗尽有限的荧光“预算”——这是一个基本限制，即荧光灯只能在有限的时间内通过照明产生，然后在一个称为“光漂白”的过程中永久消失，这就限制了在一个样本上可以执行多少图像采集。

编码光片阵列显微镜（CLAM） 香港大学

Tsia博士说：“ 样品上的重复照明不仅会加速光致漂白，而且还会产生过多的荧光，最终无法形成最终图像。因此，荧光'预算'在这些成像平台上被大大浪费了。而CLAM允许以高帧速率进行3D荧光成像，与最先进的技术（每秒约10倍的体积）相当。更重要的是，它比科学实验室中广泛使用的标准3D显微镜更节能，比标准3D显微镜温和1000倍以上，这大大减少了扫描过程中对活体标本造成的损害。”

据介绍，CLAM的核心技术是使用一对平行反射镜将单个激光束转换成高密度的“光片”阵列，以荧光激发的方式将其扩散到整个样品区域。

整个3D体积内的图像可以同时（即并行化）拍摄的，而无需按其他技术的要求逐点、逐行或逐平面扫描样本。这样的CLAM中的3D并行化可产生非常柔和而有效的3D荧光成像，而不会牺牲灵敏度和速度，CLAM在降低光漂白效果方面也胜过普通的3D荧光成像方法。

同时，为了在CLAM中保持图像分辨率和质量，团队转向了码分复用（CDM），这是一种图像编码技术，已广泛应用于电信领域，用于同时发送多个信号。

开发该系统的另一位博士后研究员Queenie Lai博士解释说：“这种编码技术使我们能够使用2D图像传感器同时捕获和数字重建3D中的所有图像堆栈。CDM以前从未在3D成像中使用过，我们采用了这项技术，并取得了成功。”

作为概念验证的演示，该团队应用CLAM以每秒超过10体积的体积速率捕获微流体芯片中快速微粒流动的3D视频。

挑战极限 提高CLAM扫描速度

CLAM对成像速度没有根本的限制，唯一的限制来自系统中使用的检测器（即用于拍摄快照的相机）的速度。随着高速相机技术的不断发展，CLAM始终可以挑战其极限，以达到更高的扫描速度。

该团队进一步采取了行动，将CLAM与HKU LKS医学院新开发的组织清除技术相结合，以高帧频对小鼠肾小球和肠血管系统进行3D可视化。

使用CLAM进行3D高速成像。学分：香港大学

蔡医生说：“我们预计，这种组合技术可以扩展到档案生物学样本的大规模3D组织病理学研究，例如在大脑中绘制细胞组织以进行神经科学研究。由于CLAM成像比其他所有方法都要温和得多，因此它独特地有利于对生物样本以其活体形式进行长期和连续的'监视'。这可能会影响我们对细胞生物学许多方面的基本了解，例如不断跟踪动物胚胎发育成成年形式；实时监测细胞/生物如何被细菌或病毒感染；观察癌细胞如何被药物杀死，以及当今现有技术无法实现的其他挑战性任务。”

CLAM可以通过最少的硬件或软件修改就适用于许多当前的显微镜系统。利用此优势，该团队计划进一步升级当前的CLAM系统，以进行细胞生物学、动植物发育生物学研究。