國外研究團隊開發(fā)了一種新的光學成像技術——編碼光片陣列顯微術（CLAM），它可以高速進行3D成像，并且具有足夠的功率效率和柔和度，能夠在掃描過程中以現(xiàn)有技術無法達到的水平保存活體標本。

數(shù)十年來，科學家一直在使用熒光顯微鏡來研究生物細胞和生物的內部運作。但是，這些平臺中的許多平臺通常太慢，無法跟隨3D的生物學作用，并可能在強光照射下對生物樣本造成破壞。

為了應對這些挑戰(zhàn)，由香港大學（HKU）電氣與電子工程學系副教授兼生物醫(yī)學工程學學士學位課程主任、項目負責人Kevin Tsia博士領導的研究團隊開發(fā)了一種新的光學成像技術——編碼光片陣列顯微術（CLAM）。它可以高速進行3D成像，并且具有足夠的功率效率和柔和度，能夠在掃描過程中以現(xiàn)有技術無法達到的水平保存活體標本。

Kevin Tsia博士（右一）和他的團隊開發(fā)了一種新的光學成像技術，可以使3D熒光顯微鏡更高效，更不損壞。

這項先進的成像技術最近發(fā)表在《光：科學與應用》上，這項創(chuàng)新已經提交了美國專利申請。

新光學成像技術——編碼光片陣列顯微術（CLAM）

現(xiàn)有的3D生物顯微鏡平臺速度較慢，因為必須依次掃描標本的全部體積，并逐點、逐行或逐平面成像。在這些平臺上，單個3D快照需要在標本上重復照明，標本的光照強度通常是日光的數(shù)千倍至百萬倍，這很可能會損壞標本本身，因此不利于長期用于各種解剖學、發(fā)育生物學和神經科學等領域的生物成像。

此外，這些平臺通常很快耗盡有限的熒光“預算”——這是一個基本限制，即熒光燈只能在有限的時間內通過照明產生，然后在一個稱為“光漂白”的過程中永久消失，這就限制了在一個樣本上可以執(zhí)行多少圖像采集。

編碼光片陣列顯微鏡（CLAM） 香港大學

Tsia博士說：“ 樣品上的重復照明不僅會加速光致漂白，而且還會產生過多的熒光，最終無法形成最終圖像。因此，熒光'預算'在這些成像平臺上被大大浪費了。而CLAM允許以高幀速率進行3D熒光成像，與最先進的技術（每秒約10倍的體積）相當。更重要的是，它比科學實驗室中廣泛使用的標準3D顯微鏡更節(jié)能，比標準3D顯微鏡溫和1000倍以上，這大大減少了掃描過程中對活體標本造成的損害?！?/p>

據(jù)介紹，CLAM的核心技術是使用一對平行反射鏡將單個激光束轉換成高密度的“光片”陣列，以熒光激發(fā)的方式將其擴散到整個樣品區(qū)域。

整個3D體積內的圖像可以同時（即并行化）拍攝的，而無需按其他技術的要求逐點、逐行或逐平面掃描樣本。這樣的CLAM中的3D并行化可產生非常柔和而有效的3D熒光成像，而不會犧牲靈敏度和速度，CLAM在降低光漂白效果方面也勝過普通的3D熒光成像方法。

同時，為了在CLAM中保持圖像分辨率和質量，團隊轉向了碼分復用（CDM），這是一種圖像編碼技術，已廣泛應用于電信領域，用于同時發(fā)送多個信號。

開發(fā)該系統(tǒng)的另一位博士后研究員Queenie Lai博士解釋說：“這種編碼技術使我們能夠使用2D圖像傳感器同時捕獲和數(shù)字重建3D中的所有圖像堆棧。CDM以前從未在3D成像中使用過，我們采用了這項技術，并取得了成功。”

作為概念驗證的演示，該團隊應用CLAM以每秒超過10體積的體積速率捕獲微流體芯片中快速微粒流動的3D視頻。

挑戰(zhàn)極限 提高CLAM掃描速度

CLAM對成像速度沒有根本的限制，唯一的限制來自系統(tǒng)中使用的檢測器（即用于拍攝快照的相機）的速度。隨著高速相機技術的不斷發(fā)展，CLAM始終可以挑戰(zhàn)其極限，以達到更高的掃描速度。

該團隊進一步采取了行動，將CLAM與HKU LKS醫(yī)學院新開發(fā)的組織清除技術相結合，以高幀頻對小鼠腎小球和腸血管系統(tǒng)進行3D可視化。

使用CLAM進行3D高速成像。學分：香港大學

蔡醫(yī)生說：“我們預計，這種組合技術可以擴展到檔案生物學樣本的大規(guī)模3D組織病理學研究，例如在大腦中繪制細胞組織以進行神經科學研究。由于CLAM成像比其他所有方法都要溫和得多，因此它獨特地有利于對生物樣本以其活體形式進行長期和連續(xù)的'監(jiān)視'。這可能會影響我們對細胞生物學許多方面的基本了解，例如不斷跟蹤動物胚胎發(fā)育成成年形式；實時監(jiān)測細胞/生物如何被細菌或病毒感染；觀察癌細胞如何被藥物殺死，以及當今現(xiàn)有技術無法實現(xiàn)的其他挑戰(zhàn)性任務。”

CLAM可以通過最少的硬件或軟件修改就適用于許多當前的顯微鏡系統(tǒng)。利用此優(yōu)勢，該團隊計劃進一步升級當前的CLAM系統(tǒng)，以進行細胞生物學、動植物發(fā)育生物學研究。