高速、像素超分辨率压缩式第二近红外荧光活体成像技术

《Research》：High-Speed, Pixel-Super-resolved Compressive Second Near-Infrared Fluorescence In Vivo Imaging

　　

论文摘要翻译 传统的第二近红外（NIR-II；1000至1700 nm）荧光成像无法同时实现高信噪比（SNR）和无运动伪影的快速生理动态捕捉。在此，研究人员介绍了NIR-II压缩荧光成像（COFI），这是一种高速、像素超分辨的压缩成像技术，利用高速空间光调制器（SLM）和低帧率NIR-II相机将动态编码到单帧中。随后，结合去噪卷积神经网络与增强型超分辨率生成对抗网络（ESRGAN）的混合重建算法用于恢复高保真视频。该系统实现了3.3千帧每秒（kfps）的速率和4.22 × 108像素/秒的空间带宽积时间积（SBTP），且未损害本征灵敏度。与使用相同500 μs曝光时间的传统短曝光成像相比，NIR-II COFI的信噪比提高了36%。此外，利用明亮的1525 nm纳米颗粒探针，研究人员展示了多组分磷光寿命成像、高速运动追踪以及清醒和麻醉状态下小鼠肠道蠕动的实时可视化。这项工作促进了快速生物过程的深层组织高速体内成像。

论文解读

研究背景与意义

第二近红外（NIR-II；1000至1700 nm）荧光成像凭借其显著减少的光子散射、极低的组织自发荧光以及较低的光毒性，已成为生物医学成像领域的变革性工具，广泛应用于肿瘤治疗、脑血管功能评估及神经成像等领域。然而，尽管NIR-II显微技术在空间分辨率上已取得突破，受限于冷却型InGaAs探测器较慢的响应速度及扫描采集模式的依赖，现有技术在实现高通量时空分辨率方面仍面临挑战。具体而言，NIR-II成像在追求千帧每秒（kfps）速率与维持高信噪比（SNR）之间存在固有的权衡取舍，难以有效捕捉神经活动、血流动力学变化等快速生理过程。针对这一瓶颈，开发新型光学系统设计与计算成像算法的协同方案显得尤为迫切。为此，研究人员开发了高速像素超分辨压缩式NIR-II荧光成像（NIR-II COFI）技术，旨在突破现有探测器的物理限制，实现深层组织的快速动态观测。该研究成果发表于《Research》期刊。

关键技术方法

研究人员构建了结合高速可编程数字微镜器件（DMD）与InGaAs相机的NIR-II COFI系统，通过时域编码将动态场景压缩至单次长曝光快照中。核心算法采用DPNet-ESRGAN混合重建框架，其中DPNet结合了交替方向乘子法（ADMM）与级联去噪网络（包括FFDNet、DRUNet和FastDVDNet），以优化稀疏域并提升图像保真度；ESRGAN模块则用于实现像素超分辨（PSR），克服硬件分辨率极限。实验验证涵盖动态细胞模拟、多组分稀土掺杂纳米颗粒的磷光寿命成像显微镜（PLIM）、微流控芯片中荧光微球的流动追踪，以及小鼠体内肠道蠕动的活体监测。

研究结果

1. NIR-II COFI系统的表征

为评估系统追踪快速移动目标的能力，研究人员利用DMD生成模拟细胞运动的动态场景。通过DPNet-ESRGAN算法重建，系统在3.3 kfps的超高帧率下成功恢复了物体形态和轨迹，且重建的质心坐标与真实值高度一致，验证了系统的高测量精度。在空间分辨率测试中，系统达到16.45 lp/mm，配合2.4 mm × 1.92 mm的视场（FOV），实现了4.22 × 10⁸像素/秒的空间带宽积时间积（SBTP），较传统NIR-II成像的信息获取效率提升了一个数量级。

2. 多组分纳米颗粒的磷光寿命成像

利用NIR-II COFI系统的灵活时序编码策略，研究人员对三种发射中心波长均为1525 nm但磷光寿命不同的稀土掺杂纳米颗粒进行了PLIM。通过两次连续压缩曝光（分别针对快速衰减期和慢速衰减尾），重建出的荧光衰减曲线与通过时间相关单光子计数（TCSPC）方法测量的结果一致（分别为3.2、4.5和7.2 ms），证明了该系统在复杂微环境下进行分子相互作用探测的准确性。

3. 微流控通道内荧光微球的动态追踪

在荧光微球流动实验中，NIR-II COFI系统在1000 fps的有效帧率下清晰重建了微球的流动轨迹，并计算出流速为1.02 μm/ms，与预设流速吻合。与传统直接成像对比，长曝光（19 ms）导致严重的运动模糊和拉伸伪影，而短曝光（500 μs）则信噪比极低且轨迹不连续。相比之下，NIR-II COFI在相同相机帧率和流速下，信噪比达到29.75，较单纯缩短曝光时间提升了36%，证实了其在高速实验中兼顾高时间分辨率与高信噪比的优势。

4. 小鼠肠道蠕动的体内成像

在活体实验中，研究人员口服NaYF₄:50% Er@NaYF₄纳米颗粒探针，分别对麻醉和清醒状态下的小鼠肠道蠕动进行了成像。结果显示，麻醉状态下肠道运动节律缓慢且强度弱，而清醒状态下肠道蠕动更为活跃且具节律性，表现为荧光强度和位置的波动幅度更大。这一发现与既往文献报道一致，验证了该系统在量化生理动态过程方面的可靠性。

结论与讨论

该研究开发的NIR-II COFI系统通过时域编码实现了光子预算高效成像，在不牺牲探测器本征灵敏度的前提下，将成像帧率提升至3.3 kfps，较常规NIR-II帧率提高20倍。实验证明，该系统不仅能完成多组分样品的NIR-II磷光寿命成像，还能在微球流动追踪中实现36%的信噪比提升，并成功可视化小鼠在不同生理状态下的肠道蠕动过程。这标志着深层组织高速体内成像技术的重大进步。尽管如此，目前的SLM方案仍存在约40%的光通量损失，未来可通过旋转透射掩模等架构优化以提升光学吞吐量至85%以上。此外，当前的图像重建算法存在计算延迟，未来引入轻量级Transformer网络等先进深度学习架构有望将处理时间降至亚秒级，从而实现真正意义上的实时生理监测。