基于多频散射光超声编码的快速光聚焦及活体生物组织荧光成像

Wavefront shaping technique can compensate the wavefront distortion caused by light scattering and achieve light focusing in scattering media. Up till now, however, the shortest light-focusing time for this technique is 5.6 ms, which is longer than the decorrelation time (1 ms) for in vivo tissue, preventing its application to in vivo tissue. This project proposes an innovative light-focusing scheme based on multi-frequency-scattering-light ultrasound encoding, which would acquire multiple phases of different frequencies simultaneously. This scheme would shorten the light-focusing time by 3 orders of magnitude (less than 2μs). Employing this method to the fluorescence imaging system and replacing computer with field programmable gate array, we would achieve noninvasive fluorescence imaging within in vivo tissue. Besides, this project proposes a theoretical research approach to support the reflection-type experimental system-- study the relevancy of multi-frequency transmission matrix based on random matrix theory, then explore the method of enhancing the backward-propagating light. The resolution of this system is less than 30 μm, and the imaging object could be the in vivo tissue on this scale.

波前整形技术可以补偿光散射导致的光束波前畸变，实现超出弹道光传输深度的生物组织（强散射介质）内部光聚焦。然而，目前此技术在散射介质内部实现光聚焦的最短时间为5.6ms，大于活体生物组织的1ms量级的退相干时间，这使得该技术不能应用于活体生物组织。本项目提出了基于多频散射光超声编码的快速光聚焦实验方案，单次测量即可获取多个频率处的光相位信息，预期可将单次光聚焦时间提高三个量级（小于2μs）。将此方法与扫描荧光成像技术相结合，再使用FPGA作为整个系统的数据处理中心，可以实现活体生物组织非侵入性荧光成像。此外，本项目拟以随机矩阵理论为基础，对多频散射光传输矩阵之间的关联规律进行研究，从而获取后向散射光增强控制方法，为反射式实验系统提供理论支撑。实验系统的成像分辨率小于30μm，其成像对象可以是该分辨率尺度下的活体生物内部组织。

在生物医学领域，对生物体内的器官、组织、细胞甚至细胞器进行成像是疾病诊断和生物医学研究的一种直观且有效的方式。与非光学成像方法相比，光学成像方法以波长较短的光波为探测载体，因而具有更高的分辨率。光在生物组织中传输时会发生严重的散射效应，其光子会沿着大量随机路径传播并形成光学散斑，从而丢失方向信息。光在生物组织中失去方向性的典型传输距离（传输平均自由程）约为1mm。因此，依赖于焦点扫描激发的荧光样品的成像深度难以达到数倍自由程的深度。本项目以生物医学的光学成像方法为研究背景，针对目前活体生物组织内部成像技术研究中存在的问题，对基于波前整形的光聚焦技术进行理论及实验研究，旨在获得活体生物组织非侵入性成像的新原理、新方法。在理论研究方面，本项目提出了OAM基传输矩阵及强度传输矩阵，建立了OAM空间与实空间的联系以及输入、输出光场的强度关联，填补了现有的散射介质传输矩阵模型在纯强度调制条件下的空白。实验研究中，本课题提出了使用传输矩阵进行像差校正的方法，实现了具有强鲁棒性的快速像差校正，适用于通用光学系统，提高了远场输出的焦点质量；提出了自参考型的传输矩阵测量方法，摆脱了传统测量方法中对于参考臂或调制器上的参考区域的依赖，实现了紧凑、高效的传输矩阵测量系统；提出了基于神经网络的混合型优化算法，实现了快速高质量的散射介质后聚焦，大大减少了训练神经网络的训练集大小以及迭代算法的迭代次数；利用传输矩阵特征传输通道实现了对于任意给定散斑区域的散斑抑制，并分析了抑制散斑所需控制单元个数；利用OAM基传输矩阵实现了透过散射介质的成像，实现散射环境下快速、大容量的图像传输；使用强度传输矩阵进行散射环境下的粒子操控，相比传统的依赖记忆效应的操控范围增大了超过20倍，并提高了操控自由度。