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港大 嶄新激光影像掃描技術較現有技術快一百倍

25-04-2017

港大科學家利用簡單一對平行鏡
嶄新激光影像掃描技術較現有技術快一百倍

2017年04月24日

 

香港大學電機電子工程系謝堅文博士的團隊和平行鏡激光掃描儀器

香港大學電機電子工程系謝堅文博士(中)的研究團隊與平行鏡FACED影像掃描系統

香港大學電機電子工程系謝堅文副教授的團隊,成功研發新型激光掃描技術,新技術簡單利用一對平行的平面鏡(又名無窮鏡(Infinity Mirror)的多重光反射原理,成像速度可較現有掃描技術快超過一百倍,圖像解析度大幅提升。

這嶄新技術有助開拓基礎科學研究新範疇,尤其是應用於發展新一代高速生物醫學顯微鏡,用於常規醫學診斷,實現有效準確診斷疾病,以及於更早期發現例如癌症等的病變、腦疾病等。激光影像掃描亦可廣泛應用於其它不同領域包括光學科研顯微鏡(用於生物或材料科學等),或工業生產用自動化機械視覺等。

研究成果發表於《光:科學與應用》2017年一月刊。

新技術名為 FACED,概念是利用一對平行的平面鏡(又名無窮鏡Infinity Mirror)的多重光反射原理 – 日常生活中當一對平面鏡相對時,可看到鏡中有無窮影像之虛擬情況。研究團隊把一對平行鏡些微調較至有百分之一度(0.01O)的角度偏差,多重光反射模式於是產生微妙改變,再利用高速脈衝激光投射影像。這個小角度的偏差,可把脈衝激光分拆成大量激光「虛擬影像」點,投射到不同位置,產生超高速激光掃描效果。

謝博士說:「新激光掃描速度比現有技術高出一百倍,更重要是無損圖像解析度。應用於涉及龐大影像數據的需求分析,例如生物醫學研究及診斷的細胞分析儀技術,利用FACED激光影像,可提供高效率及深入單細胞分析。」

研究團隊將FACED影像掃描系統配合微流體技術,成功研發高解析度單細胞成像分析儀。此儀器每秒可捕捉一萬至十萬個單細胞圖像,比現有尖端技術快百倍。其高速影像掃描可望用於早期癌症診斷,從億萬正常血液細胞中,高速及有效地分辨罕見癌細胞。

新技術又可應用在其他生物顯微領域,例如組織病理學中大量常規切片掃描及診斷,或海洋生物學中,於海水中篩查引致「藻華」(俗稱紅潮)的單細胞微藻類。另外更可用作各種高速生物動態檢視,例如神經元信息傳送模式,藉以解構大腦的複雜結構與疾病原理,了解腦退化症或思覺失調等疾病的成因和病態發展等。

研究團隊將FACED影像掃描系統配合微流體技術,成功研發高解析度單細胞成像分析儀,比現有尖端技術快百倍

FACED掃描技術與現有技術比較

研究團隊將FACED影像掃描系統配合微流體技術,成功研發高解析度單細胞成像分析儀,比現有尖端技術快百倍。

FACED掃描技術為高速生物動態檢視提供高速高解像度解決方案

FACED彩色成像效果與傳統顯微鏡比較

FACED彩色成像效果與傳統顯微鏡比較

FACED顯微鏡與利用光纖技術顯微鏡比較

FACED成像效果與利用光纖技術顯微鏡比較

研究團隊過去一直研究利用光纖技術發展高速激光影像掃描,但技術受制於光纖中超過99.999%的光損耗,大大減低它在顯微領域上的實用性。利用平行鏡的構思正是由團隊兩年多前開始尋找新方法,擺脫利用光纖及其引申的光損耗問題而來。

團隊成員、博士後研究員吳江來博士進一步解釋新技術的優點說:「現有激光掃描技術依賴機械操縱反光鏡的角度從而改變激光方向,其掃描速度受制於機械物理學中「慣性」現象,最高只可達到每秒掃描近十萬行。相比之下,FACED掃描速率只取決脈衝激光光源本身的頻率,可輕易達到每秒百萬至千萬行高速掃描。此技術無需採用機械操縱反光鏡,即「全靜態」裝置,突破物理慣性的限制。」

研究團隊的下一個挑戰,將會是處理利用新掃描技術獲得的空前龐大的圖像數據庫,從中抽取有用信息予以解讀。謝博士認爲,近年再興起的人工智能概念,或許能發揮作用。

新技術已正申請美國專利。

另外,謝博士剛獲得2016年度第十四屆中國青年科技獎。在全國98名獲獎者中,只有兩名來自香港院校,謝博士是香港大學的得獎者。

中國青年科技獎是中國科協與國家人事組織部門共同設立,獎勵在自然科學研究,工程技術或技術轉讓等方面取得卓越成就的年青科學家,旨在造就一批具潛力進入世界科技前沿的年青科研學者。科技獎於1987年由時任中國科協主席錢學森教授提議設立,每兩年評選一次,每屆獲獎者不超過100人。2011年開始,香港特別行政區的青年科學家首次獲納入推薦評選範圍。截至2016年,全國只有四名香港地區學者獲獎。

FACED影像掃描系統短片,請瀏覽(英語,英文字幕):www.cpao.hku.hk/media/faced-with-subtitles.mov
FACED影像掃描系統短片,請瀏覽(英語,沒有字幕):www.cpao.hku.hk/media/faced-no-subtitles.mov

謝堅文博士和研究團隊

謝堅文博士和研究團隊

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