用于深层活体光学聚焦的磁控共轭导星快速波前整形方法研究

The realization of light focusing with high energy and high contrast deep inside highly scattering in-vivo tissues will provide a breakthrough new technology for in-vivo applications of functional/molecular microcopy, cell/protein micro-manipulation, neuron activation (opto-genetics), and photon dynamic therapy, etc. Based on our previous research work, in this project we will introduce a novel, magnetically controlled, small-size guidestar (magnetic conjugation guidestar, MCG) and develop a fast wavefront shaping method for it, aiming at overcoming the current challenging problem, i.e. how to generate high energy optical focusing in deep (e.g. over 2mm) in-vivo tissues. First of all, we will develop a MCG based fast digital optical-phase-conjugation type wavefront shaping method to realize the optical focusing on the micro-magnetic-sphere (guidestar) dimension. Next, we will develop a fast encoding and decoding method for this guidestar and achieve optical focusing whose dimension is much less that of the guidestar, and even approaching the limitation of optical diffraction. Finally, iterative optimization will be conducted based on theoretical analysis, and we expect for the first time to non-invasively generate optical focus inside deep (over 3mm) in-vivo vessel with high energy and high contrast and demonstrate fluorescence microscopy. The success of this project will build solid theoretical and experimental foundations for the novel MCG based light focusing, which is of great value in the fundamental research and applications in fields such as in-vivo functional/molecular microscopy, optic tweezers and optic therapy, etc.

在强散射的活体深部实现高对比度、高能量的光学聚焦，将可为功能/分子显微成像、细胞/蛋白微操纵、神经元激活、以及光动力学治疗等的在体应用提供突破性新手段。在申请人已有研究的基础上，本项目拟引入一种新型、可磁场操控的小尺寸导星（磁控共轭导星），并针对其建立快速波前整形光学聚焦新方法，期望突破已有方法无法在活体深部（如2mm以上）建立高能量光学聚焦的难题。首先，研究建立基于磁控共轭导星的快速数字光学相位共轭波前整形方法，实现磁性微球（导星）尺寸的光学聚焦。其次，针对该导星，探索快速编解码方法，实现远低于磁性微球尺寸、乃至逼近光学衍射极限的光学聚焦。最后，基于理论分析开展完善优化，首次在超过3mm深度的活体血管内无创实现高对比度、高强度光学聚焦及荧光显微成像。本项目的成功研究，将为基于磁控共轭导星的光学聚焦奠定理论和实验基础，对于在体功能/分子显微成像、光镊以及光治疗等具有重要的基础和应用价值。

通过本项目的研究，建立了一种新型的散射介质深部光学聚焦新方法，通过引入可磁场操控的小尺寸导星（磁控共轭导星），实现了在散射介质深部的光学聚焦验证。项目取得了较好的进展，完成了项目目标。.主要而言：.（1）提出一种全新的、基于磁场操控的、小尺寸共轭导星的时间反转磁控扰动（TRMCP）光学聚焦方法，并完成了基于磁控共轭导星的仿体光学聚焦实验，验证了该方法的可行性，实现了磁控系统的精确开环定位、移动，位置偏差控制在磁性微球尺寸的10％以内，确保了导星扫描可控。开展了光学系统参数优化分析和验证工作。这为基于磁控共轭导星的活体深部光学聚焦打下了理论和实验基础。.（2）探索建立了多种磁场控制系统，以支持未来实际应用时组织内部微粒的移动、定位及扫描需求。磁性微粒精细位移研究，建立一维磁控方法，通过数值方针和实验验证，实现了磁微粒在允许误差内可以在一维方向上到达目标位置；磁控液体环境中非金属颗粒位移研究，轴对称方式永磁铁设计，移动平台精细控制磁铁定向移动改变磁场方向实现微粒的移动；设计八极磁控系统，实现多方向磁场控制；设计结构上更具优势的阵列磁控系统，实现多方向磁场控制。.（3）在散射光深层应用上，利用基于散射光的脑功能成像技术，开展了脑机接口融合研究，建立了静息态小数据集脑机融合等多种新方法；并在新生儿缺血性缺氧脑病方面开展了应用研究，基于散射光学的大脑功能成像，提取敏感特征参数，利用机器学习实现了缺血缺氧新生儿的诊断筛查。.