可抑制生物组织散射效应的光学聚焦技术

光学全息,是利用光波的千涉现象,以干涉条纹的形式,把
物体表面光波的振幅和位相信息记录下来的一种技术, 所记录的信息可通过读出光束对该全息图的再现来恢 复。
全息记录介质：光折变材料。当外界微弱的激光照到
这种晶体上时, 晶体中的载流子被激发, 在晶体中迁移 并重新被捕获, 使得晶体内部产生空间电荷场, 然后, 通 过电光效应,空间电荷场改变晶体中折射率的空间分布, 形成折射率光栅,从而产生光析变效应。 从而导致光束产生偏移、频移、强度变化和位相变化 的现象。声波传入到介质中后,在声场位置形成疏密波, 介质的折射率也相应地发生周期性的变化,形成移动的 等效相位光栅(光栅常数为声波的波长)。当光束以一定 的角度入射到移动的光栅上时,光束即被调制,一部分衍 射光的频率会产生和声场的中心频率大小相同的频移
[5]Wang, Y.M et al, “Deep-tissue focal fluorescence imaging with digitally timereversed ultrasound-encoded light,” Nature Communications 3, 928 (2012)
分辨力测定
拍摄条件：
Trigger Mode： Internal Exposure Time：0.8 s Gate Mode：Fire Only 以看清的最细的刻 Gain Level：3000
线编号与对照表对 比后可以推断出装 置的分辨力为40 μ m（正片为19号线 对组）
组号-线宽对照表
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
总结：将光学位相共轭技术和声光调制技术相结合，通过对被 超声调制的散射光波前进行“时间反演”，最终在一定厚度的 生物散射介质内部的声光调制区域实现了光能的聚焦。
思考： 1、该技术运用于活体实验成为趋势。组织的整体移动(心跳、 肌肉收缩等)、微观尺度的分子移动、组织里流体的布朗运动 等扰动有待进一步探讨。 2、将双光子(生物窗口)显微技术和光学聚焦技术相结合，可以 在散射组织中的光能聚焦处增大荧光的激发效率，进一步提高 穿透深度，显著提高显微成像分辨率，高质量的三维重建有望 实现。
可抑制生物组织散射效应的光学聚焦方法
信息的载体 光子在 生物医学中
各种成像技术，如共聚焦显微镜成像
能量的载体
光动力操控和理疗，如光镊
在生物组织特定区域实现光的聚焦具有双重意义： 增强光学成像系统输出信号的强度、改善信号探测 的灵敏度；直接应用于光动力操控和激光消融等领域。
图1 聚焦光束在自由空间和散射介质中传播的示意图
基于反馈信号的迭代优化(波前整形)
采用SLM作为入射光束的波前整形元件，由一个放置在散射介质外部的光电探头 来判断光能的聚焦程度，将探头所测的光学信号强度作为反馈信号，借此不断优 化 SLM对入射波前的调制，直至在 SLM上产生符合光会聚要求的波前。本质上讲， 这类技术是一种为了提高系统输出信号的增益、将输出信号反馈回系统并作为待 优化信号的闭环迭代技术。
图2 (a)通过0.46mm琼脂 的标准分辨率板成像
(b)通过0.46mm鸡胸组织 的标准分辨率板成像
(c)光学位相共轭光场 下，通过0.46mm鸡胸组织 的重建分辨率板成像 RL:relay lens; L, imaging lens; CP, compensation plate. ChangHui Yang et al.,Optical phase conjugation for turbidity suppression in biological samples, Nature photonics, 2, 110-115(2008)
[4] Yang C H. Time-reversal optical focusing for biophotonics applications[C]. SPIE, 2014, 8978: 89780K
运用TRUE光学聚焦下的荧光成像【5】
图a 全息记录过程。散射 介质为0.8mm。
图a 全息读出过程。
运用TRUE光学聚焦下的荧光成像【5】
图2 (a) 点扩散方程实验装置示意图 (b) 由于生物组织对激发光的散射， 模糊的成像图 (c) 运用TRUE方法的成像图 (d)x方向分辨率 (e)y方向分辨率 (f)z方向分辨率 [5]Wang, Y.M et al, “Deep-tissue focal fluorescence imaging with digitally timereversed ultrasound-encoded light,” Nature Communications 3, 928 (2012)
运用TRUE光学聚焦下的荧光成像【5】
图1. (a) 样品放置示意图 (b、e) “CIT”、肿瘤组织的荧光成像 (c、f) 放入生物组织后的荧光成像 (d、g) 采用TRUE光学聚焦下的荧光成像
[5]Wang, Y.M et al, “Deep-tissue focal fluorescence imaging with digitally timereversed ultrasound-encoded light,” Nature Communications 3, 928 (2012)
光学位相共轭技术
声光调制技术
时间反演超声编码光学聚焦术
Time-reversed ultrasonically encoded optical focusing (TRUE光学聚焦)
图1.时间反演超声调制光学聚焦系统的原理图【4】。OPC代表光学位相共轭镜。 (a)超声换能器(频率为f)将声束聚焦到散射组织里的一个区域,在参考光作用下, 数字式相机记录下被超声调制的光学波前。(b)用位相共轭镜恢复物光的波前, 产生与被调制光时间反演的光波前,在超声会聚区形成光学聚焦。可通过散射组 织里的荧光物质对光学聚焦效果加以检测。
2007年，首次在散射组织另一侧实现光学聚焦【1】
目标点输出光场Em:
An、Φn：光被第n个小分块调制后 的振幅、相位 tmn：光在介质中的散射和传输性质 传输矩阵
1080倍
图1 波前整形实现光学聚焦的实验示意图
[1] Mosk et.al., Focusing coherent light through opaque strongly scattering me Optics Letters, 32, 2309-2311 (2007)
声光调制,是指光束经过超声覆盖区域时被超声场调制,
位相共轭(时间反演)
该方法需要引入参考光，使之与被散射体散射的物光 相干涉，在记录介质上记录下散射光场和参考光的干涉 图。使用与参考光共轭的读出光读出该全息图，即可恢 复出散射光场的位相分布，进而产生时间反演的光学波 前。如果使用辅助手段，让参与全息记录的物光源自于 散射介质内部的一个小区域，那么全息图被读出后所获 得的共轭光波将会沿原物光的方向返回至该小区域，形 成“时间反演”的光学聚焦。
1966年,leith表明全息方法产生的位相共轭波可以用来补偿 光在散射介质中的位相畸变【2】
2008年，首次对生物散射组织的散射光场实现位相共轭【3】
光折变晶体： LiNbO3
图1.光学相位共轭实现图像恢复的示意图。 (a) 全息记录示意图 ; (b) 全息读出示意图
[2]Leith et al., Holographic Imagery Through Diffusing Media, J.Opt.Soc.Am,56, 523-523(1966) [3]ChangHui Yang et al.,Optical phase conjugation for turbidity suppression in biological samples, Nature photonics, 2, 110-115(2008)