Στερεοσκοπικό μικροσκόπιο σάρωσης λέιζερ με δυνατότητα τρισδιάστατης απεικόνισης σε πραγματικό χρόνο
Πριν από λίγες μέρες, η ομάδα απεικόνισης σούπερ ανάλυσης του Κρατικού Εργαστηρίου Μεταβατικής Οπτικής και Τεχνολογίας Φωτονίων του Ινστιτούτου Οπτικής και Μηχανικής Xi'an, Κινεζική Ακαδημία Επιστημών ανέπτυξε με επιτυχία ένα στερεοσκοπικό μικροσκόπιο σάρωσης λέιζερ διέγερσης δύο φωτονίων σε πραγματικό χρόνο .
Όταν ένα ποντίκι εργαστηρίου βλέπει μια εικόνα μιας γάτας, πώς λειτουργεί ο εγκέφαλός του; Πώς μεταδίδεται αυτή η νέα πληροφορία σε ένα νευρωνικό δίκτυο που περιέχει δεκάδες εκατομμύρια νευρώνες; Πώς να χρησιμοποιήσετε ένα οπτικό μικροσκόπιο για να κρυφοκοιτάξετε το μυστήριο; Αυτό είναι Η σύγχρονη έρευνα της βιοεπιστήμης θέτει νέες προκλήσεις στην τεχνολογία απεικόνισης οπτικού μικροσκοπίου.
Πριν από λίγες μέρες, η ομάδα απεικόνισης σούπερ ανάλυσης του Κρατικού Εργαστηρίου Μεταβατικής Οπτικής και Τεχνολογίας Φωτονίων του Ινστιτούτου Οπτικής και Μηχανικής Xi'an, Κινεζική Ακαδημία Επιστημών ανέπτυξε με επιτυχία ένα στερεοσκοπικό μικροσκόπιο σάρωσης λέιζερ διέγερσης δύο φωτονίων σε πραγματικό χρόνο . «Μας επιτρέπει να παρατηρούμε τον δυναμικό τρισδιάστατο μικροσκοπικό κόσμο σε πραγματικό χρόνο σαν να παρακολουθούμε μια τρισδιάστατη ταινία, χωρίς ελαφριές φέτες και χρονοβόρα ανακατασκευή τρισδιάστατης εικόνας». Ο Δρ Yang Yanlong, βασικό μέλος της ομάδας, είπε. Αποδείχθηκε ότι το συμβατικό μικροσκόπιο φωτός υπέφερε από δύο προβλήματα. Ένα πρόβλημα είναι ότι το βάθος πεδίου απεικόνισης είναι πολύ μικρό και μόνο ένα λεπτό στρώμα του δείγματος μπορεί να φανεί κάθε φορά και η τρισδιάστατη κατανομή του δείγματος δεν μπορεί να φανεί άμεσα. Ένα άλλο πιο δύσκολο πρόβλημα είναι: για να μιμηθεί κανείς την ανθρώπινη αντίληψη του τρισδιάστατου κόσμου μέσω της διόφθαλμης όρασης, η δέσμη Bessel πρέπει να σαρωθεί προς δύο κατευθύνσεις. Εάν η χρονική καθυστέρηση της απεικόνισης σε αυτές τις δύο κατευθύνσεις είναι πολύ μεγάλη, θα είναι φευγαλέα. Το σήμα φθορισμού δεν μπορεί να καταγραφεί και να τοποθετηθεί με ακρίβεια. Για παράδειγμα, η μικροσκοπία φθορισμού σάρωσης λέιζερ διέγερσης δύο φωτονίων έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στη νευροαπεικόνιση και σε άλλα πεδία από τότε που προτάθηκε τη δεκαετία του 1990. Για την ολοκλήρωση της τρισδιάστατης απεικόνισης, συνήθως απαιτούνται δεκάδες ή και εκατοντάδες στρώματα εικόνων 2D για την υπέρθεση και την ανακατασκευή. Η όλη διαδικασία τρισδιάστατης απεικόνισης διαρκεί τουλάχιστον λίγα λεπτά και η ταχύτητα είναι πολύ αργή, επομένως δεν μπορεί να ανταποκριθεί στη δυναμική τρισδιάστατη απεικόνιση ζωντανών οργανισμών», εξήγησε ο Δρ Yang Yanlong.
Η ομάδα απεικόνισης υπερ-ανάλυσης του Ινστιτούτου Οπτικής και Μηχανικής Xi'an, με επικεφαλής τους ερευνητές Baoli Yao και Tong Ye, χρησιμοποίησε μια επιμήκη εστιασμένη δέσμη λέιζερ——Bessel για να ολοκληρώσει τη σάρωση. Τεμαχισμός, καθαρή απεικόνιση παχύρρευστων τρισδιάστατων δειγμάτων ταυτόχρονα. Ερευνητές από το Ινστιτούτο Οπτικής και Μηχανικής Xi'an ξεπέρασαν τις δυσκολίες και σχεδίασαν μια σύνθετη συσκευή σάρωσης λέιζερ, η οποία πραγματοποίησε ταχεία σάρωση τριών βαθμών ελευθερίας των ακτίνων Bessel και μπορεί να εναλλάσσεται μεταξύ διπλών γωνιών θέασης της τάξης των χιλιοστών του δευτερολέπτου (χιλιοστά του ένα δεύτερο).
Τι σημαίνει αυτό? Με απλούς όρους, αν μια μέλισσα πετάξει δίπλα μας, χρειαζόμαστε δύο μάτια για να τη δούμε ταυτόχρονα, έτσι ώστε ο εγκέφαλος να μπορεί να αντιληφθεί με ακρίβεια τη θέση της. Εάν το αριστερό και το δεξί μάτι ανοίγουν και κλείνουν εναλλάξ, ο εγκέφαλος θα είναι αδύνατο να προσδιοριστεί με ακρίβεια η θέση των μελισσών. Η εναλλαγή των νέων τεχνικών μέσων στο «επίπεδο χιλιοστού του δευτερολέπτου» επιτρέπει την ολοκλήρωση της απεικόνισης διπλής προβολής σε μια στιγμή, έτσι ώστε οι τρισδιάστατες δυναμικές αλλαγές του δείγματος να αποτυπώνονται σε πραγματικό χρόνο.
Αυτή η τεχνολογία υλοποιεί για πρώτη φορά ένα στερεοσκοπικό σύστημα απεικόνισης και απεικόνισης σε πραγματικό χρόνο που βασίζεται σε σάρωση λέιζερ διπλής όψης και η ταχύτητα τρισδιάστατης απεικόνισης είναι μία έως δύο τάξεις μεγέθους υψηλότερη από την παραδοσιακή μέθοδο σάρωσης σημείο προς σημείο. Δηλαδή, η διαδικασία απεικόνισης που χρειαζόταν από λεπτά έως δεκάδες λεπτά μπορεί τώρα να ολοκληρωθεί σε λίγα δευτερόλεπτα. Αυτό το στερεοσκοπικό σύστημα απεικόνισης δύο φωτονίων παρέχει ένα νέο εργαλείο παρατήρησης για την τρισδιάστατη απεικόνιση και απεικόνιση ζωντανών οργανισμών σε πραγματικό χρόνο, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο Παρατηρήστε τη διέλευση παροδικών νευρικών σημάτων μέσω νευρωνικών δικτύων. Εννοείται ότι η έρευνα αυτή έχει υποστηριχθεί από το «Πρόγραμμα Εκατό Ταλέντο» της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών και το Εθνικό Ίδρυμα Φυσικών Επιστημών της Κίνας. Από την επαλήθευση των βασικών αρχών, τις ανακαλύψεις σε βασικές τεχνολογίες, μέχρι την ολοκλήρωση των βασικών πρωτοτύπων, έχει περάσει από διάφορους συνδέσμους από τη βασική έρευνα έως την ενοποίηση εφαρμογών.
Επί του παρόντος, η ερευνητική ομάδα διεξάγει συνεργατική έρευνα για βιοϊατρικές εφαρμογές με σχετικά επιστημονικά ερευνητικά ιδρύματα στο εσωτερικό και στο εξωτερικό και ελπίζει να εφαρμόσει αυτήν την τεχνολογία στον τομέα της τρισδιάστατης ταχείας απεικόνισης και απεικόνισης ζωντανών οργανισμών το συντομότερο δυνατό.
