顯微成像系統(tǒng)，是指顯微鏡下觀察樣品拍照成像的系統(tǒng)。在顯微鏡上加接專用連接鏡頭，接上CCD攝錄鏡頭，再把動(dòng)態(tài)的圖像傳送到計(jì)算機(jī)，獲得動(dòng)態(tài)圖像，從而觀察生物不同生長(zhǎng)階段的發(fā)育形態(tài)?？蓪?duì)昆蟲細(xì)胞和病菌孢子高倍放大進(jìn)行觀察，并可遠(yuǎn)程進(jìn)行圖像采集儲(chǔ)存處理。顯微成像系統(tǒng)是顯微鏡與攝像技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，可對(duì)人眼無法看到的微生物進(jìn)行觀察拍照。

　　近日，中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所科承擔(dān)的“自適應(yīng)雙光子激發(fā)光聲顯微成像設(shè)備”項(xiàng)目通過技術(shù)測(cè)試和財(cái)務(wù)審查。項(xiàng)目開展了腦血管網(wǎng)絡(luò)、分子功能、神經(jīng)結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)成像及三維重建加速算法和邊緣增強(qiáng)方法的研究，研制了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自適應(yīng)雙光子激發(fā)光聲顯微成像設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了在細(xì)胞水平獲取血管、神經(jīng)形態(tài)和分子功能信息，并對(duì)該成像設(shè)備關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。該成像設(shè)備的研制為深層在體高分辨率獲取腫瘤和神經(jīng)系統(tǒng)重大疾病的血管形態(tài)和分子功能信息提供有效成像設(shè)備。

　　什么是雙光子激發(fā)

　　是使量子點(diǎn)連續(xù)吸收兩個(gè)光子的能量達(dá)到激發(fā)態(tài)，這樣可以使用波長(zhǎng)較長(zhǎng)的近紅外或紅外光來激發(fā)，減少散射光導(dǎo)致的能量損失。在波長(zhǎng)為900nm的激發(fā)光激發(fā)下，透過表皮可以清晰地觀察到量子點(diǎn)標(biāo)記的毛細(xì)血管，而利用熒光素標(biāo)記的對(duì)比圖像清晰度則差很多。

　　Kim等合成了熒光發(fā)射波長(zhǎng)在近紅外區(qū)的CdTe/CdSe型量子點(diǎn)，并用這種量子點(diǎn)進(jìn)行了淋巴腺結(jié)點(diǎn)的深層成像，他們發(fā)現(xiàn)只需要注射400pm的近紅外量子點(diǎn)就可以獲得深度達(dá)到1cm以下的淋巴組織的圖像。這種成像技術(shù)可以作為指導(dǎo)癌癥外科手術(shù)的一種輔助工具。

　　雙光子顯微鏡

　　帶有的超高靈敏度的直接探測(cè)器能記錄組織深層最細(xì)微的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。多達(dá)7個(gè)的外置通道以及光譜拆分軟件充分支持多色的多光子實(shí)驗(yàn)。再結(jié)合高速12kHz掃描頭和最大掃描視野，將軸向位移減至最 小，有效地收集來自深層組織的微弱光子，使圖像更明亮，將對(duì)標(biāo)本的光毒性減至最 小。

　　雙光子熒光顯微鏡是結(jié)合了激光掃描共聚焦顯微鏡和雙光子激發(fā)技術(shù)的一種新技術(shù)。雙光子激發(fā)的基本原理是：在高光子密度的情況下，熒光分子可以同時(shí)吸收 2 個(gè)長(zhǎng)波長(zhǎng)的光子，在經(jīng)過一個(gè)很短的所謂激發(fā)態(tài)壽命的時(shí)間后，發(fā)射出一個(gè)波長(zhǎng)較短的光子;其效果和使用一個(gè)波長(zhǎng)為長(zhǎng)波長(zhǎng)一半的光子去激發(fā)熒光分子是相同的。雙光子激發(fā)需要很高的光子密度，為了不損傷細(xì)胞，雙光子顯微鏡使用高能量鎖模脈沖激光器。這種激光器發(fā)出的激光具有很高的峰值能量和很低的平均能量，其脈沖寬度只有 100 飛秒，而其頻率可以達(dá)到 80 至 100 兆赫。在使用高數(shù)值孔徑的物鏡將脈沖激光的光子聚焦時(shí)，物鏡的焦點(diǎn)處的光子密度是最 高的，雙光子激發(fā)只發(fā)生在物鏡的焦點(diǎn)上，所以雙光子顯微鏡不需要共聚焦針孔，提高了熒光檢測(cè)效率。

　　光聲顯微成像技術(shù)

　　光聲成像是近年來發(fā)展起來的一種非入侵式和非電離式的新型生物醫(yī)學(xué)成像方法。當(dāng)脈沖激光照射到(熱聲成像則特指用無線電頻率的脈沖激光進(jìn)行照射)生物組織中時(shí)，組織的光吸收域?qū)a(chǎn)生超聲信號(hào)，我們稱這種由光激發(fā)產(chǎn)生的超聲信號(hào)為光聲信號(hào)。生物組織產(chǎn)生的光聲信號(hào)攜帶了組織的光吸收特征信息，通過探測(cè)光聲信號(hào)能重建出組織中的光吸收分布圖像。光聲成像結(jié)合了純光學(xué)組織成像中高選擇特性和純超聲組織成像中深穿透特性的優(yōu)點(diǎn)，可得到高分辨率和高對(duì)比度的組織圖像，從原理上避開了光散射的影響，突破了高分辨率光學(xué)成像深度“軟極限”(~1 mm)，可實(shí)現(xiàn)50 mm的深層活體內(nèi)組織成像。

　　光聲信號(hào)產(chǎn)生的基本原理是：當(dāng)用短脈沖激光照射吸收體時(shí)，吸收體中的分子吸收光子后，當(dāng)滿足一定的條件時(shí)，吸收體分子的電子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)而處于激發(fā)態(tài)，而處于激發(fā)態(tài)的電子極不穩(wěn)定，當(dāng)電子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，會(huì)以光或熱量的形式釋放能量。在光聲成像應(yīng)用中通常會(huì)選擇合適波長(zhǎng)的激光作為激發(fā)源，使吸收的光子的能量轉(zhuǎn)化為熱能的效率最大，通常從光能轉(zhuǎn)化為熱能的效率可達(dá)到90%以上。釋放的熱量導(dǎo)致吸收體局部溫度升高，溫度升高后導(dǎo)致熱膨脹而產(chǎn)生壓力波，這就是光聲信號(hào)。因此，光聲信號(hào)的產(chǎn)生過程就是“光能”-“熱能”-“機(jī)械能”的轉(zhuǎn)化過程。

　　光聲成像將光學(xué)成像和超聲成像的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，一方面，在光聲成像中用來重建圖像的信號(hào)是超聲信號(hào)，生理組織對(duì)超聲信號(hào)的散射要比光信號(hào)低2到3個(gè)數(shù)量級(jí)，因此它可以提供較深的成像深度和較高的空間分辨率;另一方面，光聲成像根據(jù)不同組織對(duì)可見光、近紅外光或無線電頻率(Radio frequency)電磁波的選擇性吸收，利用特定波長(zhǎng)的激光脈沖對(duì)組織進(jìn)行照射，并間接地對(duì)脈沖能量在生理組織中的吸收分布進(jìn)行成像，成像的是被“吸收”的光能，這在純光學(xué)成像中是無法做到的，因此相比純超聲成像，光聲圖像中不同組織間的光學(xué)對(duì)比度較高。

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