非侵入式高分辨率三维成像全息重建技术点亮生物深层成像新视界
2026-03-09 来源:本站 点击次数:58在微观尺度下，对生物样本等进行高分辨率三维成像是许多科学领域的基石。然而，当观测目标被如生物组织等强散射介质遮挡时，光线会形成杂乱无章的散斑，传统显微技术难以穿透这类介质获取清晰的图像。虽然已有一些针对散射介质成像的技术，但它们通常局限于二维成像或对物体位置有苛刻假设。本文介绍了一种创新的全息成像方法，能够对隐藏在散射介质后的、发射空间非相干光（如荧光）的物体，进行非侵入式的三维高分辨率重建。
这项重要研究成果由 YoonSeok Baek, Hilton B. de Aguiar 和 Sylvain Gigan 共同完成。他们撰写的论文《Three-dimensional holographic imaging of incoherent objects through scattering media》在线发表在期刊《Nature Communications》上。
重要发现
本研究的核心贡献是提出并验证了一种通过构建“虚拟散射介质”来实现散射介质后三维全息成像的新框架。该方法突破了传统强度相关成像的局限，直接利用散射光场之间的相关性进行三维重建。
该方法始于对散射光场的检索。由于非相干光源（如不同的荧光分子）彼此独立，它们发出的光在通过散射介质后，在相机上会叠加形成一幅看似无序的散斑强度图。研究团队采用了一种先进的相位检索技术，通过空间光调制器对散射光进行随机相位调制，并结合迭代算法，从单一强度图中成功分离出对应于不同独立光源的、多个相互非相干的散射光场。
关键创新在于利用这些检索出的光场构建一个“虚拟散射介质”。研究发现，这些来自不同空间位置光源的散射光场，在传播到某个特定的“相关平面”时，其波前畸变（由散射引起）具有高度的相关性。这种共同的畸变模式可以被提取并集成为一个虚拟的散射层。这个虚拟层在数字上精确复现了实际物理介质对光的散射效应。一旦这个虚拟介质被构建，通过将检索到的各个非相干光场在数字上反向“传播”通过这个虚拟层，就能在算法上补偿掉散射引入的畸变，最终将隐藏在散射介质后的物体的清晰三维图像重建出来。
02实验验证：从荧光珠到复杂三维结构为了验证该方法的有效性，研究团队设计了多组实验。首先，他们将荧光微珠置于一层强散射介质后方约100微米处。相机只能记录到低对比度的荧光散斑，其自相关图无法提供任何物体信息。然而，通过上述方法检索光场、构建虚拟散射层并进行数字传播补偿后，成功重建出了隐藏的荧光微珠图像。重建图像与无散射层时直接拍摄的“真实图像”高度一致，其峰值信噪比和结构相似性指数均达到很高水平，证实了方法的准确性与有效性。
更重要的是，该方法天然具备三维成像能力。研究人员将荧光微珠分别放置在散射介质后方两个不同的深度平面上。从相机获得的仍然是单一的、无法辨别的散斑图案。但经过该算法处理，最终重建的三维强度分布清晰地区分并定位了两个不同深度上的荧光珠，其重建结果与无散射层时的侧视图像吻合度极高。为了进一步展示该方法处理复杂三维结构的能力，团队使用数字微镜设备合成了一个沿螺旋轨迹分布的三维非相干点源阵列作为物体。通过该方法重建的三维图像成功捕捉到了该螺旋结构，其横向分辨率与系统衍射极限相符，且所有点源的重建位置误差均在衍射极限范围内，证明了该方法在复杂三维场景中的实用潜力。
创新与亮点
01突破散射介质中三维非相干成像的瓶颈
本论文最显著的突破在于解决了在强散射、短距离（适用于显微尺度）条件下，对空间非相干物体进行三维成像的难题。现有基于散斑强度相关的方法，其三维成像能力依赖于“记忆效应”，通常要求物体距离散射体数毫米甚至厘米，这与显微镜观测中散射发生在数十至数百微米尺度的实际情况不相容。本文方法摒弃了对强度相关的依赖，转而利用散射光场之间的波前相关性。这种“场相关”策略使得它能够在散射介质与物体紧密相邻的典型显微距离内，实现精确的三维定位与成像，从而将非侵入式三维成像的应用场景真正推进到生物显微镜领域。
该方法融合了两项关键技术：一是从非相干叠加的散斑强度中检索多个独立光场的“混合态相位检索”技术；二是利用检索光场构建“虚拟散射介质”的概念。虚拟介质的概念基于前向散射的物理原理，它作为一个等效的平面散射体，捕获了作用于不同光源光路上的共同波前畸变。这种思路巧妙地绕过了直接测量整个散射介质传输矩阵的巨大挑战（这对于扩展物体是不切实际的），仅从测量到的光场中直接识别出有效的散射平面，无需任何关于介质几何形状的先验知识。由于所有校正均在数字域完成，该方法即使在强散射导致硬件校正失效的情况下，也依然保持鲁棒。
03为生物医学深层成像开辟崭新前景
该技术在光学生物医疗领域展现出巨大的实际应用价值。其直接的应用场景就是荧光显微镜。在神经科学、发育生物学或肿瘤研究等领域，科学家常常需要观测厚组织或活体样本深层区域的精细三维结构，而光在组织中的强烈散射是主要障碍。本文提出的无标记、非侵入式成像方法，为窥视这类高散射环境中的三维动态过程提供了新工具。它无需对物体做任何假设，是一种被动成像方法，因此非常适合观测自然的生物过程。尽管走向实际生物应用还需在系统稳定性、信号水平和探测带宽优化等方面进一步改进，但这项工作无疑为最终实现高散射生物组织内的高分辨率三维动态观测铺平了道路，在疾病机理研究、药物评估和活体检测等方面具有长远价值。
总结与展望
本论文展示了一种通过构建虚拟散射介质，对散射介质后的空间非相干物体进行三维全息成像的创新方法。该方法利用从散射光中检索出的非相干光场之间的相关性，构建出能复现实际介质散射效应的虚拟层，并通过数字传播补偿散射，最终实现隐藏物体的高精度三维重建。实验通过对荧光珠和合成三维点源阵列的成像，充分验证了该方法在穿透散射介质并进行三维解析方面的有效性与优势。
展望未来，这项工作为在高度散射的环境中实现三维成像开辟了新途径。预计该方法将推动涉及空间非相干光散射的成像与传感应用的发展。接下来的研究重点可以放在提升方法的实用化程度上，例如优化光学设置以提高光通量，改进场检索算法以对抗实验中的漂移，以及发展正则化策略以减少所需的测量次数。针对生物成像，如何控制有效发光源的数量、并根据散射介质特性优化探测带宽以平衡信号强度与模型准确性，将是实现活体应用的关键。随着这些技术的完善，该方法有望在荧光显微镜等领域发挥重要作用，使科学家能够更清晰地洞察复杂生物系统深处的三维世界。
论文信息声明：本文仅用作学术目的。
Baek Y, de Aguiar HB, Gigan S. Three-dimensional holographic imaging of incoherent objects through scattering media. Nat Commun. 2025 Nov 26;16(1):11653.
DOI:10.1038/s41467-025-66626-7.