LRDM-3PM通過(guò)計(jì)算光學(xué)與AIE探針融合實(shí)現(xiàn)活體腦組織1.5mm深度成像

本研究由Lingmei Chen, Mubin He, Lu Yang, Lingxi Zhou, Shuhao Qian, Chuncheng Wang, Rushan Jiang, Zhihua Ding, Jun Qian, Zhiyi Liu共同完成，論文標(biāo)題"Deep structural brain imaging via computational three-photon microscopy"于2025年3月發(fā)表在SPIE期刊《Journal of Biomedical Optics》。

重要發(fā)現(xiàn)
01深層成像的雙重挑戰(zhàn)
腦組織的光散射效應(yīng)隨深度呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，傳統(tǒng)三光子顯微鏡在超過(guò)900μm深度時(shí)SBR驟降至10以下。

更棘手的是，弱熒光探測(cè)會(huì)產(chǎn)生復(fù)合噪聲：周期性條紋噪聲（由光電倍增管產(chǎn)生）和隨機(jī)光子噪聲（深層信號(hào)衰減導(dǎo)致），二者疊加嚴(yán)重干擾血管信號(hào)識(shí)別。

LRDM應(yīng)用于帶有顱窗的小鼠腦血管的性能

02LRDM-3PM技術(shù)原理
噪聲清除雙引擎
低秩去噪器（LR-denoiser）：基于矩陣奇異值分解（SVD），特異性剝離條紋噪聲。該算法通過(guò)重建圖像X̂ = ΣUⱼσⱼVⱼᵀ，將條紋噪聲的奇異值替換為背景均值，消除周期性干擾。
定制擴(kuò)散模型：利用三維圖像淺層信息訓(xùn)練U-Net網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)200步擴(kuò)散過(guò)程模擬組織散射效應(yīng)，最終消除隨機(jī)噪聲。

性能顛覆性突破
在1500μm海馬區(qū)深度實(shí)現(xiàn)：

SBR > 100（原始圖像SBR<10）
血管分割準(zhǔn)確率提升83%
條紋噪聲去除率比傳統(tǒng)小波變換高4倍

創(chuàng)新與亮點(diǎn)

01技術(shù)突破三重革新
免增硬件：不依賴自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，普通實(shí)驗(yàn)室可復(fù)現(xiàn)
免提功率：維持毫瓦級(jí)激光功率，避免光損傷風(fēng)險(xiǎn)
自監(jiān)督學(xué)習(xí)：僅需淺層圖像訓(xùn)練，攻克生物配對(duì)數(shù)據(jù)缺失痛點(diǎn)

02噪聲處理范式變革
首創(chuàng)低秩-擴(kuò)散聯(lián)合模型：
在極低SBR=2時(shí)仍能重建有效信號(hào)
重建保真度超越主流算法（PSNR提升8.2dB）

總結(jié)與展望
LRDM-3PM通過(guò)計(jì)算光學(xué)與AIE探針的跨界融合，首次實(shí)現(xiàn)活體腦組織1.5mm深度的微血管高清成像。該技術(shù)創(chuàng)造了SBR>100的深度成像新紀(jì)錄，并構(gòu)建了首個(gè)三維血管量化分析平臺(tái)，為神經(jīng)退行性疾病研究提供了全新觀測(cè)維度。

未來(lái)研究將聚焦三大方向：
將成像深度延伸至2mm皮層下核團(tuán)；
開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)血流監(jiān)測(cè)功能；
建立阿爾茨海默癥血管病變數(shù)據(jù)庫(kù)。

這項(xiàng)技術(shù)突破不僅重新定義深層生物成像疆界，更為精準(zhǔn)腦醫(yī)學(xué)開(kāi)辟了新路徑。

DOI:10.1117/1.JBO.30.4.046002.