新算法从活体标本中捕获复杂的3D光散射信息

研究人员开发了一种新算法，用于恢复表现出多种光散射的生物样本的3D 折射率分布。该算法有助于优化一种称为强度衍射断层扫描 (IDT) 的新成像方法。

波士顿大学的Jiabei Zhu将在光学成像大会 上展示这项研究 。混合会议将于 2023 年 8 月 14 日至 17 日在马萨诸塞州波士顿举行。

“3D 定量相位成像 (QPI) 具有适用于生物医学成像领域各种应用的卓越功能。作为一种无标记技术，QPI 可以对透明的活体和细胞进行成像，而无需使用外源造影剂和染料，这些造影剂和染料会引起光性效应，从而损坏样品。”Zhu 解释道。“与传统相差显微镜和微分干涉显微镜相比，QPI不仅可以提供高对比度的形态信息，还可以提供定量的相位信息。具体来说，3D QPI 可以提供样品内部的高分辨率 3D 折射率 (RI) 分布。这些有价值的信息可以促进血液学、神经学和免疫学的研究，帮助疾病和感染的诊断。”

尽管 3D 成像技术可用于研究厚生物样本，但同时实现高速采集和高分辨率仍具有挑战性。IDT 方法是无标记相位断层扫描技术，有助于克服这一限制。它们可以使用可轻松添加到标准显微镜的可编程 LED 阵列来执行。

Zhu的研究团队最近开发了两种IDT方法，称为环形IDT(aIDT)和多路IDT(mIDT)，它们可以提高图像采集速度，足以可视化动态生物样本。环形 IDT (aIDT) 使用与物镜数值孔径相匹配的 LED 环，而多路 IDT (mIDT) 使用多个 LED 同时照亮样品。

当研究人员发现现有的 IDT 重建算法由于使用高数值孔径目标而不能很好地与他们的新方法配合时，他们决定开发一种新算法。它使用基于分步非近轴 (SSNP) 方法的多重散射模型，该方法是最近开发的，旨在克服光学衍射断层扫描中的类似限制。

研究人员表明，使用 aIDT 将新的 IDT 重建算法应用于颊上皮细胞，可以轻松区分不同深度的细胞、重建细胞边界和细胞膜，以及可视化细胞周围的原生细菌。他们还使用 mIDT 将其应用于厚的多散射活体 秀丽隐杆 线虫胚胎。由此产生的重建图像显示了蠕虫如何折叠的细节，单深度横截面显示了细胞轮廓、颊腔和蠕虫尾部的形态细节。

总体而言，实验表明，通过将 SSNP 方法扩展到 IDT，研究人员能够获得大视场的高质量图像。

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