计算生物医学成像概述

计算光学成像是在传统几何光学的基础上，利用信息编码手段，多维度获取光场信息，并结合相应数学和信号处理手段，深度挖掘光场信息，从而解译获取更多维度的信息（如相位、偏振态等）。图1说明了传统成像系统和计算成像系统之间的差异性。传统的成像系统建立在几何光学的基础上，利用一套光学系统（透镜组等），记录二维的空间面上光强度分布。该方法与人眼获取图像原理相似，即“所见即所得”。而计算成像系统则不同，其利用专门的硬件进行光学编码，再利用计算的方式对光强信息进行解码。通过编解码过程建立的数模模型，计算成像方法能够挖掘目标更高维度的信息。

图1 计算成像概述

1、基于复振幅光场照明的单像素成像技术

单像素成像技术使用一系列结构光场照明，并使用单个没有空间分辨率桶探测器收集部分透射或反射光强，最后基于计算成像的方式从收集到的光强序列中恢复样品的图像。由于只需要探测光强信息，单像素成像技术对探测器的要求远低于传统的面阵探测器，可以用低廉的价格实现传统探测器其难以甚至是无法实现的特殊波段的成像。同时，单像素成像技术也具有高信噪比和一定的抗散射能力，可实现物体二维、三维复振幅成像。我们将光场的空间调制技术和单像素成像技术相结合，利用一系列复振幅分布光场进行照明，希望为生物医学领域研究提供更长的成像景深[1]，更灵敏的细胞等相位型物体的边界探测能力[2]以及显微物体的三维空间分辨能力[3]。

图2 单像素超长景深复振幅型物体成像原理

图3 单像素复振幅型物体边界探测原理

图4 藻类活细胞无标记体成像实验结果（样品为雨生红球藻）

2、空间不变分辨率的三维光声显微成像技术

光声显微成像技术具有极高的空间分辨率和探测灵敏度，常被用于微小物体包括细胞、微血管以及局部组织的高分辨成像。它的基本原理是利用光声效应探测生物组织的光能量吸收差异，从而重构出一副反应生物组织光吸收分布的图像。光声成像通过将入射光子转化成超声波，极大的克服了光子在生物组织的强散射特性，突破了高分辨光学成像深度“软极限”。我们将光声成像与光场调控技术结合，利用轴向传输不变的正弦条纹作为照明光场，并结合声的时间飞行效应，在实现超长景深的同时保持了横向分辨率不断。图5展示了利用我们提出的技术与传统光声显微镜成像效果的对比，我们的方法实现活体斑马鱼的横向分辨率不变的三维高分辨成像[4]。

图5 基于光声成像获取的斑马鱼三维空间分布

3、基于单根多模光纤的无透镜内窥镜

多模光纤能够同时传输大量的正交模式，使得多模光纤非常适合应用于高分辨率图像的传输；同时，单根多模光纤芯径仅在百微米量级，使得它在插入活体生物组织中时带来了极小的损伤。正是由于多模光纤能够同时解决分辨率和元件尺寸之间的权衡问题，使得基于多模光纤的内窥镜成像成为目前研究的热点。但是传统基于干涉测量传输矩阵的方法引入了复杂度标定光路，而基于深度学习的方法也主要是针对简单的几何特征的识别。为此，我们将波前调制技术和深度学习技术相结合，无需干涉测量，即可利用单根多模光纤实现深入活体组织内的无透镜动态显微内窥成像，实现了对生物体内生命活动的直接动态观测[5]。

图6 基于光纤内窥镜的大视场成像

4、基于螺旋相衬成像的图像边缘提取

图像边缘提取技术使图像的对比度显示增强，有助于研究成像物体的结构特性。我们基于空间滤波原理，在部分相干光照明的光学系统中对输入的复振幅型物体进行螺旋相衬成像（图7(a)），并使用计算滤波方法对实验图像进行处理（图7(b)），实现散斑噪声抑制的高对比度图像边缘提取效果[6]。

图7 基于螺旋相衬成像的图像边缘提取原理

参考文献

1.X. Hu, H. Zhang, Q. Zhao, P. Yu, Y. Li, and L. Gong, Single-pixel phase imaging by Fourier spectrum sampling, Applied Physics Letters 114, 051102 (2019).

2.Y. Liu, P. Yu, X. Hu, Z. Wang, Y. Li, and L. Gong, Single-pixel spiral phase contrast imaging, Optical Letter 45, 4028-4031 (2020).

3.Y. Liu, P. Yu, Y. Wu, J. Zhuang, Z. Wang, Y. Li, P. Lai, J. Liang, and L. Gong. Optical single-pixel volumetric imaging by three-dimensional light-field illumination. Proceedings of the National Academy of Sciences 120(31): e2304755120 (2023).

4.J. Yang, L. Gong, X. Xu, P. Hai, Y. Shen, Y. Suzuki, and L. V. Wang, Motionless volumetric photoacoustic microscopy with spatially invariant resolution, Nature Communications 8, 780 (2017).

5.Y. Liu, P. Yu, Y. Wu, Z. Wang, Y. Li, J. Liang, P. Lai and L. Gong. Single-shot wide-field imaging in reflection by using a single multimode fiber. Applied Physics Letters. 122, 063701 (2023).

6.S. Cheng, Y. Liu, P. Yu, Y. Wu, Z. Wang, Y. Li and L. Gong. Partially coherent spiral phase contrast imaging with a 3D-like effect. Applied Physics Express 15, 092004 (2022).