Bio-FlatScope捕捉活组织中的细胞级3D细节

无透镜显微镜具有简单而紧凑的光学器件，与相关的计算算法一起，可实现大视场和捕获图像的重新聚焦。现有无透镜技术的局限性之一是光学密集生物组织图像的精确重建。

无透镜显微镜的最新版本是Bio-FlatScope。该设备向内观察，甚至可以透过皮肤对体内细胞和血管等微米级目标进行成像。Bio-FlatScope可捕捉镜头相机无法看到的图像。例如，显示跑步小鼠中荧光标记神经元的动态变化。

与其他显微镜相比的一个优势是Bio-FlatScope捕获的光可以在事后重新聚焦以显示3D细节。如果没有镜头，示波器的视野等于传感器的大小(靠近目标)或更宽，不会失真。

莱斯大学电气与计算机工程和生物工程副教授JacobRobinson博士领导了最近在生物体内测试Bio-FlatScope的工作。该团队的概念验证研究还对植物、水螅以及有限程度的人类进行了成像。

小型、低成本的Bio-FlatScope可能会进入临床应用，特别是对难以到达的身体部位进行成像。

结果发表在《自然生物医学工程》的论文中，“体内无透镜显微镜通过相位掩模生成具有高对比度轮廓的衍射图案。”

研究人员表示，Bio-FlatScope机制结合了复杂的相位掩模来生成直接落在芯片上的光图案。相位掩模看起来更像是自然景观的随机图，没有直线。“我们必须从头开始，思考如何让它在现实的生物环境中发挥作用，”罗宾逊说。

莱斯大学电气与计算机工程教授AshokVeeraraghavan博士领导的计算成像小组的博士后研究员VivekBoominathan博士说：“随机性使得掩模在收集来自各个方向的光线时具有相当的多样性。”FlatCam的联合开发者，这是一种带有遮罩的薄型传感器芯片，可取代传统相机中的镜头。“然后我们采用随机输入(称为柏林噪声)并进行一些处理以获得这些高对比度轮廓。”

在传感器处，穿过掩模的光表现为点扩散函数——一对看似无用的模糊斑点，但实际上是获取低于衍射极限的物体细节的关键，这些物体对于许多显微镜来说太小而无法看到。斑点的大小、形状和彼此之间的距离指示了拍摄对象距焦平面的距离。软件将数据重新解释为可以随意重新聚焦的图像。

研究人员从小处着手，首先捕获铃兰中的细胞结构，然后捕获微小水螅中的钙活性。他们继续监测奔跑的啮齿动物，将Bio-FlatScope连接到啮齿动物的头骨上并将其放在轮子上。数据显示，动物大脑的某个区域有荧光标记的神经元，将运动皮层的活动与运动联系起来，并解析直径小至10微米的血管。

该团队将血管成像确定为Bio-FlatScope的潜在临床应用。研究生JiminWu用她的下唇来观察穿过相机的光线是否可以提供内部血管的结构细节。

“这是一个工程挑战，因为很难将Bio-FlatScope放置在正确的位置并保持在那里，”吴说。“但它向我们表明，它可能是观察脓毒症迹象的好工具，因为脓毒症前会改变脉管系统的密度。癌症还会改变微脉管系统的形态。”

从长远来看，该团队看到了相机的潜力，可以围绕其拍摄对象(如脑组织)弯曲，“因此它可以匹配你所看到的物体的形态，”罗宾逊说。“或者你可以将它折叠起来，将其固定到位，然后展开并展开。

“你还可以通过弯曲它以获得鱼眼效果来做一些非常有趣的事情，或者你可以将它向内弯曲并具有非常高的光收集效率，”他说。