HiCAM高速像增強熒光相機用于斑馬魚心臟的高速活體成像技術

在德國巴德諾海姆的Max Planck心肺研究所，人們對斑馬魚的心血管系統進行了研究。斑馬魚的透明度（圖1）及其實驗優勢使其成為人體心血管系統的理想比例模型。
 

圖1 斑馬魚的照片。心臟位于紅色方塊內
 

為了研究斑馬魚的血液流動，血紅細胞被熒光蛋白DsRed標記。熒光的強度受到附著在紅細胞上的熒光蛋白數量的限制。此外，光線發射的方向是隨機的，這進一步減少了到達相機的光量。低光強度不一定存在問題，增加曝光時間來捕捉足夠的光是一個常用的解決方法，這通常被用于成像固定的昏暗物體。然而，在移動物體上使用相同的方法會導致圖像模糊。

試想一條活的斑馬魚，它的內臟是在跳動的。斑馬魚的心率約為每分鐘175次，或接近每秒3次。為了捕捉心跳的每個階段，需要較高的幀率，否則圖像會因運動模糊而失真。這意味著圖像傳感器非常短暫地暴露在昏暗的熒光燈下。通過增加激發光的強度來增加熒光燈的數量是不可行的，因為這會傷害魚類。

圖2 HiCAM高速像增強熒光相機附在熒光顯微鏡上

實驗裝置

用安裝有Lambert HiCAM高速攝像系統的熒光顯微鏡對斑馬魚進行研究(圖2)。將魚固定在凝膠中，從下方照射。DsRed蛋白的熒光從紅細胞中發出。這種光向各個方向發射，其中一些光以相反的方向穿過激光的光路。但是，熒光通過二色鏡被定向到相機上，而不是被反射回光源。任何散射的激發光都被二色鏡反射。濾光片將去除任何背景光，只透射紅細胞熒光發出波長的光。

圖像傳感器將捕捉進來的熒光。捕捉將以每秒數百或數千幀的幀率下進行，每幀的曝光時間數量級在幾毫秒到幾毫秒的一小部分。電子倍增ccd (emccd)傳感器的光靈敏度足以捕捉到微弱的熒光。但它們在全分辨率下只能實現大約100fps的幀率，這對于目前的應用來說是不夠的。而cmos傳感器可以在更高的幀率下工作，在全分辨率下可達每秒數千幀。然而，在每幀較短的曝光時間內，普通的高速CMOS傳感器無法記錄足夠的光量來達到合理的信噪比。

圖3 斑馬魚心臟中(圖像右下角)的紅細胞從一個腔室被運送到下一個腔室(1-3)，并進入主動脈(5)。這里顯示的圖像是在間隔25毫秒的情況下記錄的。用500us的曝光時間以2000 fps的幀率進行記錄。
 

HiCAM高速像增強熒光相機的優點

HiCAM高速像增強熒光相機通過將高速CMOS傳感器與圖像增強器相結合，實現了所需的光靈敏度和高幀率。圖像增強器將檢測到的光子數量提高了幾個數量級。這樣，就可以以每秒2000幀的速度記錄斑馬魚的血液流動。圖3顯示了斑馬魚心血管系統中紅細胞的流動情況。

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