一种新颖的超快3D成像技术

EventLFM

高速体积成像是研究动态生物过程不可或缺的工具。传统的基于扫描的3D成像技术，如共聚焦显微镜、双光子显微镜和光片显微镜，具有很高的空间分辨率。

然而，它们的数据采集速度受到光束扫描需要的限制，在时间分辨率和空间带宽乘积(SBP)之间存在固有的权衡问题，空间带宽乘积是以三维视场(FOV)与空间分辨率之比来衡量的。

通过在傅立叶域记录光场信息，傅立叶光场显微镜(LFM)可在整个恢复体积内实现稳定的高空间分辨率。然而，传统 CMOS 相机的同步读出限制构成了一个瓶颈，将现有的单镜头三维宽视场技术限制在全帧分辨率 100 Hz 以下。

这种限制阻碍了它们在捕捉可能超过千赫兹(kHz)的超快动态生物过程(如哺乳动物大脑中的电压信号、血流动态和肌肉组织收缩)中的应用，从而留下了有待弥补的巨大技术差距。

发表在《光：科学与应用》(Light：Science & Applications)上的一篇新论文中，波士顿大学电子与计算机工程系Lei Tian教授领导的团队及其合作者开发出了一种新颖的超快单次三维成像技术——EventLFM，该技术将事件相机集成到傅立叶低频成像系统中，以千赫速度促进容积成像。

研究小组展示了 EventLFM 在 1 kHz 时间分辨率下重建快速移动三维物体复杂动态的能力。通过受控照明实验，他们展示了该技术对脉冲宽度短至 1 毫秒的高频三维闪烁物体进行成像的能力。

此外，该技术还能有效捕捉散射组织内的快速动态信号，通过对小鼠大脑切片中的神经元活动进行成像，模拟了一系列 DMD 模式，以千赫速率诱导出独特的时空足迹。

该团队还成功地在三维空间内对自由移动的秀丽隐杆线虫体内表达GFP的神经元进行了成像和跟踪，帧频达到500赫兹。深度学习重建网络与 EventLFM 的整合大大提高了成像质量，增强了三维分辨率。

这项报告工作为研究人员提供了一种以千赫速度观察三维动态生物过程的新工具。

研究人员说：“我们设计的 EventLFM 将事件相机与傅立叶 LFM 系统集成在一起，从而能够以千赫速度对复杂、快速的生物过程进行成像，并具有较高的三维分辨率。”

他们补充说：“应该指出的是，我们的实验结果所显示的千赫兹帧速率是由累积时间决定的，而累积时间可在后处理步骤中调整，不会影响数据捕获速度。通过进一步缩短累积时间，我们可以增强系统捕捉超过千赫兹速率的动态过程的能力。”

科学家们预测：“我们重点介绍了 EventLFM 对散射小鼠脑组织中闪烁神经元信号的成像能力，以及对自由移动的秀丽隐杆线虫中 GFP 标记神经元的追踪能力。鉴于其简单性、超快三维成像能力以及在散射环境中的稳健性，EventLFM 有潜力成为各种生物医学应用中可视化复杂、动态三维生物现象的宝贵工具。”

审核编辑 黄宇