PhotoniX 论文集锦：生物成像与检测专题

NO.1 

Enhancing image resolution of confocal fluorescence microscopy with deep learning

利用深度学习提高共聚焦显微的空间分辨率实现超分辨成像

作者

黄博懿，李佳，姚博文，杨志刚，林彦民，张佳*，严伟*，屈军乐*

单位

深圳大学，香港大学

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PhotoniX4, 5 (2023). https://doi.org/10.1186/s43074-023-00083-7

概述

光学超分辨成像能突破衍射极限，是生命科学研究的重要工具。但常规荧光超分辨显微成像受限于特殊的荧光探针、复杂的光学系统、较长的图像采集和处理时间，以及成像过程中光漂白和光毒性等，阻碍了其在活细胞和活体成像中的应用。为克服这些缺陷，本文提出在共聚焦显微中利用深度学习提高图像分辨率，实现超分辨成像。设计了一个双通道注意力网络，通过学习空域和频域中的信息表示将不同的生物结构以及微丝和微管的双色共聚焦图像的空间分辨率从~230 nm 提高到~110 nm，并最终实现了活细胞微管的动态超分辨成像。由于本文所提出的方法在普通共聚焦显微系统上就可以实现，对成像系统和荧光探针没有特殊要求，因此具有广阔的应用前景。

NO.2

Visualizing the ultra-structure of microorganisms using table-top extreme ultraviolet imaging

揭示微生物超微结构和组分的台式极紫外显微系统

作者

Chang Liu (刘畅*)， Wilhelm Eschen, Lars Loetgering, Daniel S. Penagos Molina, Robert Klas, Alexander Iliou, Michael Steinert, Sebastian Herkersdorf, Alexander Kirsche, Thomas Pertsch, Falk Hillmann, Jens Limpert, Jan Rothhardt

单位

耶拿亥姆霍兹研究所，耶拿大学，莱布尼兹自然产物与传染生物学研究所

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PhotoniX4, 6 (2023). https://doi.org/10.1186/s43074-023-00084-6

概述

台式极紫外叠层扫描显微镜为生物样本的无标记高材料对比度成像提供了可能性。来自德国耶拿大学Jan Rothhardt领导的联合研究团队将自研的高度稳定的高光子通量EUV光源（波长13.5 nm）与干涉稳定的叠层扫描成像（ptychography）技术相结合，对干燥未染色的微生物样本——构巢曲霉真菌幼体和大肠杆菌细胞进行了高精度和材料特异性成像。同时，提出了位置相关的红外照明叠层扫描方法，实现了毫米级的大视场成像与针对选定区域的纳米级分辨率（< 60 nm）。最后，通过分析采集的图像散射振幅和相位，提取并鉴别生物样本内部材料组分信息，从而实现了对微生物亚细胞特征（如真菌的顶体）的识别。PhotoniX 期刊于2022年1月24日在线发表了相关研究成果。

NO.3

Multi-focus light-field microscopy for high-speed large-volume imaging

多焦点光场显微成像技术

作者

张亿、王昱灵、王鸣瑞、郭钰铎、李欣阳、陈一帆、卢志、吴嘉敏*、季向阳*、戴琼海*

单位

清华大学

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PhotoniX3, 31 (2022). https://doi.org/10.1186/s43074-022-00081-1

概述

来自清华大学脑与认知科学研究院、自动化系的研究团队提出了一种多焦点同步采集的球差辅助扫描光场成像方法(Spherical-Aberration-assisted scanning LFM, SAsLFM)。在先前提出的扫描光场技术的基础上，研究人员利用折射率不匹配引入球差相位调制，对不同子孔径分量焦点的空间位置进行再分配，从而实现同步多焦点体数据采集。通过相空间分块融合的重建算法，可以从SAsLFM采集所得的高维光场数据中抽离出不同深度的高分辨信息并进行匹配融合，以此还原大尺度高分辨的三维体信息。定量实验证明：在不需要额外硬件辅助的情况下，SAsLFM可以将成像体的高分辨轴向范围扩展3倍。同时，文章进行了大量的生物实验展示了SAsLFM的成像性能：包括对300 μm厚的活体小鼠脑进行高信噪比钙信号提取，以22Hz的体成像速率在2000×2000×500 μm³的视野范围内对自由移动水母进行动态追踪等等。进一步的，该研究还通过深度学习方法将重建速度提升3个数量级，实现了大通量三维信息实时可视化。该研究于2022年11月30日发表于PhotoniX。

NO.4

Adaptive optical quantitative phase imaging based on annular illumination Fourier ptychographic microscopy

自适应光学定量相位成像——基于环形照明傅里叶叠层显微成像的实现

作者

束业峰，孙佳嵩，刘家明，范瑶，周宁，叶燃，郑国安*，陈钱*，左超*

单位

南京理工大学，上海理工大学，南京师范大学，美国康涅狄格大学

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PhotoniX 3, 27 (2022). https://doi.org/10.1186/s43074-022-00073-1

概述

定量相位成像是一种针对透明样品的无标记成像方法，无需荧光染色就可以对细胞的生命活动进行观测。南京理工大学陈钱、左超教授团队联合美国康涅狄格大学郑国安教授团队在 PhotoniX 上发表封面论文“Adaptive optical quantitative phase imaging based on annular illumination Fourier ptychographic microscopy”。文中，作者提出了一种自适应光学定量相位成像（AO-QPI）方法，首次在动态成像中引入了自适应的像差校正，对未染色HeLa细胞实现了长达51小时的稳定高质量成像，其间始终保持了衍射受限的成像分辨率。该方法不需要在成像系统中引入额外自适应光学硬件，在生物医学领域具有广泛的应用场景。

NO.5 

Adaptive optical microscopy via virtual-imaging-assisted wavefront sensing for high-resolution tissue imaging

基于虚拟成像的自适应光学显微成像方法及高分辨组织成像

作者

周舟，黄江枫，李翔，高秀娟，陈忠云，焦振飞，张智红，骆清铭，付玲*

单位

武汉光电国家研究中心

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PhotoniX3, 13 (2022). https://doi.org/10.1186/s43074-022-00060-6

概述

生物组织引入的像差往往会导致光学显微技术的成像性能劣化。利用自适应光学技术对像差进行探测与校正是实现生物组织中高分辨成像的重要途径。武汉光电国家研究中心付玲教授团队在 PhotoniX 发表论文“Adaptive optical microscopy via virtual-imaging-assisted wavefront sensing for high-resolution tissue imaging”。文中，作者提出了一种间接波前探测方法，该方法采用虚拟成像的方式结合基于结构相似度的图像偏移测量，可以根据样品自身结构进行像差探测。作者利用该方法在多种离体、活体生物组织中实现了高分辨双光子成像。

NO.6 

Three-step one-way model in terahertz biomedical detection

THz让医学检测更简单明确——太赫兹生物医学检测中的三步单向模型

作者

彭滟，黄洁丽，罗洁，杨张帆，汪丽平，吴旭，臧小飞，余晨*，顾敏，胡青，张希成，朱亦鸣*，庄松林

单位

上海理工大学，同济大学附属同济医院

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PhotoniX2, 12 (2021). https://doi.org/10.1186/s43074-021-00034-0

概述

太赫兹技术在生物医学检测方面具有广阔的应用前景。然而，实际样品的混合特征使得太赫兹光谱复杂且难以区分，临床医学还没有实用的太赫兹检测方法。上海理工大学与同济大学附属同济医院合作，于2021年7月23日在 PhotoniX 上发表标题为Three-step one-way model in terahertz biomedical detection的论文，该文提出了一个三步单向太赫兹模型，以太赫兹技术在肾纤维化生物医学检测中的详细流程分析为例：1）生物标志物确定：筛选疾病有效生物标志物并建立太赫兹光谱和浓度梯度；2）混合物干扰去除：清除混合物中对动物模型中生物标志物的干扰信号，评估并保留有效特征峰；3）个体差异去除：排除个体干扰差异，确定人体样本中最终的有效太赫兹参数。该模型的均方根误差比医学现有金标准低三个数量级，对疾病的快速、准确和早期检测具有深远的意义。