yy.vip易游-【科技简报】2025年第1期：学界｜《光：科学与应用》：双重共聚焦显微镜实现深层组织高保真超分辨成像

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　　当成像技术的发展步入深水区，单纯依靠光学硬件的迭代已愈发难以突破诸如衍射极限、光毒性、散射干扰等核心瓶颈。在此背景下，计算成像作为一种革命性的范式，正以前所未有的力量重塑着生命科学观测的疆界。其核心在于，通过将硬件获取的原始信息与先进的算法模型深度耦合，从计算中“创造”出超越硬件物理极限的成像性能。这标志着成像技术的竞争焦点，已从纯粹的“光学硬件竞赛”转向了“硬件与算法协同设计”的新阶段。

　　本文所介绍的诸多突破性工作，正是这一趋势的生动体现。例如，意大利热那亚理工学院团队开发的s²ISM算法，其精髓并非改造光路，而是通过构建“双平面迭代重建框架”，逆向求解成像物理模型，智能地从单光子雪崩二极管阵列探测器采集的数据中分离焦内与离焦信号，从而一举实现了超分辨、高信噪比和增强光学层析的同步突破。同样，北京大学团队提出的暗通道光学层切技术，更是“以算法赋能硬件”的典范，它巧妙地将计算机视觉中的“暗通道先验”理论适配于荧光成像，仅凭单帧图像即可高效驱散深层组织产生的离焦背景“迷雾”。这些案例雄辩地证明，精妙的计算算法已成为释放硬件潜力、解锁全新观测能力的核心引擎。

　　近日，北京大学席鹏团队在《Light: Science &Applications》发表了一项突破成像深度与分辨率限制的研究，提出了双重共聚焦转盘图像扫描显微镜的新型成像系统（Confocal² Spinning-Disk Image Scanning Microscopy, C²SD-ISM）。该技术通过物理与算法双重共聚焦策略，成功实现了对深部生物组织的高保真超分辨率成像，为厚组织和活体生物成像研究开辟了新可能。

　　C²SD-ISM系统的核心创新在于采用了“双重共聚焦”策略。第一重共聚焦使用高速旋转盘（Spinning-Disk, SD），盘上的针孔阵列能够物理性地阻挡离焦信号，实现实时、全视野的光学切片。第二重共聚焦则通过数字微镜器件（DMD）产生稀疏多焦点结构光照明，结合团队自主研发的动态针孔阵列像素重分配算法（DPA-PR），实现超分辨率重建。该系统还采用了多模方形匀化光纤，实现了无散斑均匀照明。通过精确优化DMD入射角度至26.3°，系统在405nm、488nm和561nm三个波长下都能达到95%以上的衍射效率，解决了多色成像中的视场不一致和照明不均问题。旋转盘的多同心螺旋设计（N=12）不仅提高了扫描效率，还增强了系统对中心对准要求的鲁棒性。

　　研究团队通过对小鼠肾脏切片、斑马鱼血管和模具样品等多类生物样本的系统验证，展示了C²SD-ISM的卓越性能。该技术在小鼠肾脏组织上实现了144nm的横向分辨率和351nm的轴向分辨率，较衍射极限提升近2倍，线μm深度的斑马鱼样本中清晰呈现了血管网络，成功对整个斑马鱼头部进行了高速、大面积的三维拼接成像，比传统宽场成像信噪比提高约3倍，局部对比度显著增强。此外，通过改变DMD投影图案，系统可无缝切换至结构光照明显微镜（SIM）模式，增强了应用灵活性。

　　C²SD-ISM的独特优势使其在神经科学、肿瘤学、发育生物学和药物研发等领域具有巨大应用潜力。它能够清晰观察大脑深部神经元结构、分析肿瘤组织三维特征、追踪胚胎发育过程，其低光毒性设计与高通量成像能力允许长时间动态观测细胞器互作、囊泡运输等生命过程，并适用于大规模药物筛选。在活体动态观测方面，结合DMD的可编程照明，未来可扩展至光遗传调控、线粒体动态、神经信号传导等生命过程的长时间监控。此外，系统与长波长荧光探针的结合，以及未来可能集成的双光子激发技术，将进一步增强其深层组织成像能力。

　　研究团队指出，未来将通过双盘结构集成微透镜阵列、引入深度学习去噪算法以及结合自适应光学技术来进一步提升系统性能。这些改进将使C²SD-ISM在保持高分辨率的同时，获得更高的成像速度和更深的穿透能力。

　　这项研究巧妙地将“光学物理去噪+算法自适应重建”相结合，成功解决了深组织超分辨率成像中的背景干扰与重建失真问题，代表了显微成像领域的一项重要突破。该系统不仅在技术参数上实现了显著提升，更在多色、三维、大视野场景中展现出优秀的系统兼容性与扩展性。其高保真重建能力和模块化设计理念，为新一代商用高分辨率显微系统的开发提供了坚实技术基础。特别是在病理检测、药效评估、动态生物学过程研究等领域，C²SD-ISM有望成为关键平台技术，推动超分辨率成像从“细胞级”走向“组织级”，从“静态拍照”迈向“动态电影”。

　　【科技简报】2025年第1期：学界 《自然光子学》结构化探测技术，实现显微成像超分辨与光学层析同步突破

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