非侵入式高分辨率三維成像全息重建技術(shù)點亮生物深層成像新視界

在微觀尺度下，對生物樣本等進(jìn)行高分辨率三維成像是許多科學(xué)領(lǐng)域的基石。然而，當(dāng)觀測目標(biāo)被如生物組織等強(qiáng)散射介質(zhì)遮擋時，光線會形成雜亂無章的散斑，傳統(tǒng)顯微技術(shù)難以穿透這類介質(zhì)獲取清晰的圖像。雖然已有一些針對散射介質(zhì)成像的技術(shù)，但它們通常局限于二維成像或?qū)ξ矬w位置有苛刻假設(shè)。本文介紹了一種創(chuàng)新的全息成像方法，能夠?qū)﹄[藏在散射介質(zhì)后的、發(fā)射空間非相干光（如熒光）的物體，進(jìn)行非侵入式的三維高分辨率重建。

這項重要研究成果由 YoonSeok Baek, Hilton B. de Aguiar 和 Sylvain Gigan 共同完成。他們撰寫的論文《Three-dimensional holographic imaging of incoherent objects through scattering media》在線發(fā)表在期刊《Nature Communications》上。

重要發(fā)現(xiàn)
本研究的核心貢獻(xiàn)是提出并驗證了一種通過構(gòu)建“虛擬散射介質(zhì)”來實現(xiàn)散射介質(zhì)后三維全息成像的新框架。該方法突破了傳統(tǒng)強(qiáng)度相關(guān)成像的局限，直接利用散射光場之間的相關(guān)性進(jìn)行三維重建。

關(guān)鍵創(chuàng)新在于利用這些檢索出的光場構(gòu)建一個“虛擬散射介質(zhì)”。研究發(fā)現(xiàn)，這些來自不同空間位置光源的散射光場，在傳播到某個特定的“相關(guān)平面”時，其波前畸變（由散射引起）具有高度的相關(guān)性。這種共同的畸變模式可以被提取并集成為一個虛擬的散射層。這個虛擬層在數(shù)字上精確復(fù)現(xiàn)了實際物理介質(zhì)對光的散射效應(yīng)。一旦這個虛擬介質(zhì)被構(gòu)建，通過將檢索到的各個非相干光場在數(shù)字上反向“傳播”通過這個虛擬層，就能在算法上補(bǔ)償?shù)羯⑸湟�入的畸變，最終將隱藏在散射介質(zhì)后的物體的清晰三維圖像重建出來。

更重要的是，該方法天然具備三維成像能力。研究人員將熒光微珠分別放置在散射介質(zhì)后方兩個不同的深度平面上。從相機(jī)獲得的仍然是單一的、無法辨別的散斑圖案。但經(jīng)過該算法處理，最終重建的三維強(qiáng)度分布清晰地區(qū)分并定位了兩個不同深度上的熒光珠，其重建結(jié)果與無散射層時的側(cè)視圖像吻合度極高。為了進(jìn)一步展示該方法處理復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的能力，團(tuán)隊使用數(shù)字微鏡設(shè)備合成了一個沿螺旋軌跡分布的三維非相干點源陣列作為物體。通過該方法重建的三維圖像成功捕捉到了該螺旋結(jié)構(gòu)，其橫向分辨率與系統(tǒng)衍射極限相符，且所有點源的重建位置誤差均在衍射極限范圍內(nèi)，證明了該方法在復(fù)雜三維場景中的實用潛力。

創(chuàng)新與亮點
01突破散射介質(zhì)中三維非相干成像的瓶頸
本論文最顯著的突破在于解決了在強(qiáng)散射、短距離（適用于顯微尺度）條件下，對空間非相干物體進(jìn)行三維成像的難題�，F(xiàn)有基于散斑強(qiáng)度相關(guān)的方法，其三維成像能力依賴于“記憶效應(yīng)”，通常要求物體距離散射體數(shù)毫米甚至厘米，這與顯微鏡觀測中散射發(fā)生在數(shù)十至數(shù)百微米尺度的實際情況不相容。本文方法摒棄了對強(qiáng)度相關(guān)的依賴，轉(zhuǎn)而利用散射光場之間的波前相關(guān)性。這種“場相關(guān)”策略使得它能夠在散射介質(zhì)與物體緊密相鄰的典型顯微距離內(nèi)，實現(xiàn)精確的三維定位與成像，從而將非侵入式三維成像的應(yīng)用場景真正推進(jìn)到生物顯微鏡領(lǐng)域。

總結(jié)與展望
本論文展示了一種通過構(gòu)建虛擬散射介質(zhì)，對散射介質(zhì)后的空間非相干物體進(jìn)行三維全息成像的創(chuàng)新方法。該方法利用從散射光中檢索出的非相干光場之間的相關(guān)性，構(gòu)建出能復(fù)現(xiàn)實際介質(zhì)散射效應(yīng)的虛擬層，并通過數(shù)字傳播補(bǔ)償散射，最終實現(xiàn)隱藏物體的高精度三維重建。實驗通過對熒光珠和合成三維點源陣列的成像，充分驗證了該方法在穿透散射介質(zhì)并進(jìn)行三維解析方面的有效性與優(yōu)勢。

展望未來，這項工作為在高度散射的環(huán)境中實現(xiàn)三維成像開辟了新途徑。預(yù)計該方法將推動涉及空間非相干光散射的成像與傳感應(yīng)用的發(fā)展。接下來的研究重點可以放在提升方法的實用化程度上，例如優(yōu)化光學(xué)設(shè)置以提高光通量，改進(jìn)場檢索算法以對抗實驗中的漂移，以及發(fā)展正則化策略以減少所需的測量次數(shù)。針對生物成像，如何控制有效發(fā)光源的數(shù)量、并根據(jù)散射介質(zhì)特性優(yōu)化探測帶寬以平衡信號強(qiáng)度與模型準(zhǔn)確性，將是實現(xiàn)活體應(yīng)用的關(guān)鍵。隨著這些技術(shù)的完善，該方法有望在熒光顯微鏡等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，使科學(xué)家能夠更清晰地洞察復(fù)雜生物系統(tǒng)深處的三維世界。

DOI:10.1038/s41467-025-66626-7.