断层扫描技术高分辨率成像厚生物样本

复杂生物组织的成像能力对于许多生物研究和临床诊断应用至关重要。然而，由于样品中存在多种光散射，很难捕捉到厚生物样品的详细三维图像。

光学衍射层析成像在很大程度上仍局限于对细胞和薄组织切片等薄物体成像。要实现具有更深成像深度的活体成像，需要采用全场反射模式测量几何图形。此外，还需要开发一个全面的反向散射模型，以考虑来自厚的不均匀介质的后向散射场的时间色散和空间像差。此外，还需要抑制多重散射背景，以隔离来自特定深层的信号。

(a): 斑点衍射断层扫描系统示意图。样品臂扫描可进行容积成像，而参考臂扫描可补偿样品引起的像差。(b)：厚层组织引起的焦点偏移示意图。(c): 位于两个不同深度（d = 0 和 400 μm）的点散射体的点扩散函数。(d) 和 (e)： 参考波到达时间 τR = 0 和 230 fs 时 k 空间中光传递函数的相应振幅。由 S. Kang 等人提供。

斑点衍射断层扫描（SDT）是麻省理工学院和香港中文大学的研究人员开发的一种新技术，是一种基于定量相位成像（QPI）的反射模式三维断层扫描方法。它使用基于反射的全场光学装置来获取厚生物样本的详细、无标记三维图像。SDT 获取的图像具有约 500 nm 的横向分辨率和约 1 μm 的轴向分辨率。

通过提供一种高分辨率厚组织样本成像的方法，SDT 可以帮助开发三维成像应用，甚至可以在纳米尺度上识别组织表面最小的高度变化。

为了减少多重散射和失焦信号，SDT 采用了动态斑点场干涉测量法和低相干光源。SDT 系统通过使用动态斑点场干涉测量法提供的时空门控来抑制多重散射背景。通过反向散射模型，同时考虑试样引起的像差，SDT 可以重建深度分辨折射率图。

通过在 SDT 中考虑时空相干门控和试样诱发的像差，研究人员获得了时空域中反射场的 4D 点扩散函数。利用 4D 点扩散函数，研究人员可以逐层恢复试样的平均折射率。据研究人员称，由于反射模式 QPI 系统具有高通滤波器的特性，否则这是不可能实现的。

Sprague Dawley 大鼠固定角膜组织的体积成像。(a): 大鼠角膜组织的截面强度图像，带对数标度颜色映射（单位为 dB）。左侧显示各层的平均折射率值。(b)：(a)的放大图像，深度为 155 至 185 微米，带有线性标度颜色映射。与 Dua 膜和 Descemet 膜相关的两个不同层被清晰地识别出来，并分别标记为 L1 和 L2。(c)和(d)： 使用 SDT 系统测量的 L1 和 L2 层的相应高度图。由 S. Kang 等人提供。

研究人员开发了一种三维解卷积算法，将空间分辨率进一步提高了近 30%，进一步提高了 SDT 技术的精度。他们通过模拟不同深度的空间频率覆盖范围和分辨率，展示了 SDT 的强大功能。

利用 SDT 系统，研究人员对红细胞（RBC）进行了成像，并对厚度为 2.8 散射平均无路径的浑浊介质后的红细胞膜波动进行了量化。SDT 的高分辨率和全场定量成像功能使研究小组成功地量化了具有挑战性的散射介质背后的 RBC 膜波动。

研究人员还对活体大鼠眼球标本内的角膜结构进行了体积成像，并量化了其光学特性，描绘出了每个角膜层的折射率值。SDT 系统的高深度选择性使研究人员能够清晰地分辨出相距 4 μm 的杜瓦膜和德斯梅特膜的表面轮廓，并以纳米级的灵敏度绘制出轮廓图。研究人员说，绘制 Dua 膜和 Descemet 膜的纳米级地形特征图以前从未实现过可视化。

研究小组正积极与相关领域的专家合作，进一步完善和拓展 SDT 的应用。

研究成果发表在《光： 科学与应用》（www.doi.org/10.1038/s41377-023-01240-0）上发表。