斑点衍射断层扫描揭示厚生物样本中的纳米级特征

a SDT 系统示意图。样品臂扫描可进行容积成像，而参考臂扫描则可对样品引起的像差进行补偿。 b 厚层组织引起的焦距偏移示意图。 c 定位在两个不同深度（d = 0 和 400 μm）的点散射体的点扩散函数。 d、e 参考波到达时间 τR = 0 和 230 fs 的 k 空间中光学传递函数的相应振幅。作者：Sungsam Kang、Renjie Zhou、Marten Brelen、Heather K. Mak、Yuechuan Lin、Peter T.C. So 和 Zahid Yaqoob

多年来，由于复杂生物标本的复杂成分和光的多重散射，捕捉复杂生物标本的详细三维图像一直是一项重大挑战。麻省理工学院激光生物医学研究中心（MIT Laser Biomedical Research Center）和香港中文大学（Chinese University of Hong Kong）的科学家们推出了一种名为斑点衍射断层扫描（SDT）的创新方法。

该研究团队利用 SDT 的强大功能生成了厚生物样本的高分辨率图像，利用基于反射的全场光学装置实现了约 500 纳米的惊人横向分辨率和 1 微米的轴向分辨率，这是一项了不起的壮举。这一成就的意义在于 SDT 能够揭示组织表面最微小的高度变化，甚至达到纳米级。

SDT 方法利用动态斑点场干涉测量法和低相干光源来减少不必要的多重散射和离焦信号，从而在全场成像中提供出色的光学切片。这种独特的时空门控机制与先进的反向散射模型相结合，将标本引起的畸变考虑在内，有助于绘制多层组织标本的折射率分布图。

通过模拟展示 SDT 的性能，包括不同深度的空间频率覆盖范围和分辨率，凸显了 SDT 的强大功能。此外，研究人员还开发了一种三维解卷积算法，将空间分辨率提高了近 30%，进一步提升了该技术的精度。

从本质上讲，SDT 现在可以捕捉厚生物标本的详细无标记图像，其横向分辨率达到了无与伦比的约 500 纳米，轴向分辨率约为 1 微米，所有这些都是在基于反射的全场光学装置中实现的。这一革命性的成就为前所未有的三维无标记活体成像应用奠定了基础，而这些应用曾经被认为是不可行的。

(a) 大鼠角膜组织的切面强度图像与对数标度颜色映射（单位为 dB）。左侧显示的是各层的平均 RI 值。 b 是（a）的放大图像，深度为 155 至 185 微米，带有线性标度颜色映射。c, d 使用 SDT 系统测量的 L1 和 L2 层的相应高度图。作者：Sungsam Kang、Renjie Zhou、Marten Brelen、Heather K. Mak、Yuechuan Lin、Peter T.C. So 和 Zahid Yaqoob

SDT 的功能在对红细胞成像以及对红细胞膜波动进行定量方面经受住了考验，红细胞在具有挑战性的浑浊介质中的平均自由散射路径长达 2.8 倍。SDT 的高分辨率和全场定量成像能力是实现这一突破的关键。

此外，研究人员还完成了体外鼠眼角膜的体积成像，揭示了角膜的光学特性。值得注意的是，SDT揭示了Dua膜和Descemet膜的纳米级地形特征，这是迄今为止未知的领域。

该研究成果发表在《光： 科学与应用》上发表。

参考资料

Sungsam Kang et al, Mapping nanoscale topographic features in thick tissues with speckle diffraction tomography, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01240-0