Quantitative dynamic microscopy through scattering media without image reconstruction: a tool for biomedical optics
本文提出了一种新颖的定量动态显微技术，该技术通过利用空间傅里叶模态的时间相关性，测量隐藏在散射介质背后的微观物体的运动，从而实现了无需图像重建或相干光源的高分辨率、免校准生物医学成像。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
在光学领域，透过雾蒙蒙的窗户或浓烟观察清晰的景象是一种常见的挫折。当光线撞击到混乱、浑浊的物质时，它会发生剧烈的散射，从而将隐藏在背后的图像变得支离破碎。几十年来，科学家们一直试图通过构建复杂的数学模型，从这些被搅乱的杂乱信息中重建原始图像，这一过程通常需要强大的激光、精确的校准或大量的计算机训练。然而，许多现实世界的生物场景（例如活体内的血液流动）对于这些重建方法来说太快且太混乱了，尤其是在使用标准显微镜中那种简单的非相干光时。挑战在于，如何寻找一种方法，在完全不去尝试看清物体本身的情况下，测量隐藏在这些浑浊层内或其后的微小物体是如何运动的。
研究团队现在已经证明，你并不需要重建图像就能了解隐藏在散射层后方的物体的运动。他们并没有试图去还原视觉噪声以揭示面孔或细胞，而是开发了一种通过“倾听”光本身节奏的方法。通过分析在被称为傅里叶域（Fourier domain）的数学空间中光模式随时间的变化，他们可以提取出关于粒子运动的精确信息，即使此时相机上的图像看起来完全是一个毫无特征的模糊团块。这种方法适用于标准的明场显微镜和普通的白炽灯，它能让科学家测量隐藏在厚重、浑浊屏障后的血流速度和微观粒子的抖动运动，达到了此前认为在不进行图像重建的情况下无法实现的灵敏度。
研究人员使用一个简单的装置测试了他们的想法：一个装有悬浮在水中的微小塑料珠的玻璃管，放置在一段用于模拟生物组织浑浊特性的常见材料——保鲜膜（Parafilm）之后。当他们通过显微镜观察这个装置时，图像完全被扰乱了；单个塑料珠是不可见的，视图呈现为静态的、颗粒状的噪声。在传统的成像场景中，这通常意味着研究的终结。然而，该团队应用了一种称为微分动态显微术（differential dynamic microscopy）的技术，这种技术不将图像视为一幅画，而是将其视为一组光波。他们追踪了这些波的强度随时间变化的规律。尽管图像被浑浊层破坏了，但这些波动的时序仍然与颗粒的实际运动相关联。通过测量这些时间相关性，他们能够精确计算出颗粒随时间移动的距离，即便信号深埋在噪声底层的百倍之下，也能以纳米级的精度恢复其扩散速度。
为了确保该方法不仅限于简单的薄层，团队开发了一种新的统计框架，用以解释厚重、浑脱物质如何混合不同部分的信号。他们发现，虽然浑浊层会扰乱图像，但它并不会抹除有关运动的信息；它只是将这些信息重新分配到了不同的尺度上。通过在数学上将散射层的影响与粒子的实际运动分离，他们创建了一个自校正过程，该过程无需预先了解浑浊物质的具体特性。他们通过测试了厚度从125到625微米不等的保鲜膜层，以及鸡胸肉和描图纸等其他材料来验证这一点。在所有案例中，该方法都成功恢复了隐藏粒子的真实运动，即使信号比背景噪声弱一百倍以上。
该技术的强大之处在通过测量隐藏在散射层后方微小通道内的血液流动得到了进一步证明。在流中运动的血细胞产生的运动类型与塑料珠的随机抖动不同，研究人员调整了他们的方法来追踪这种定向流动。他们能够测量血细胞在典型人体毛细血管速度范围内（每秒2至25微米）的运动速度。结果与移除散射层后进行的测量完美吻合，证明了该方法可以量化通过完全肉眼不可见的血管中流动的液体速度。这一成功表明，该技术可以立即应用于生物医学实验室，用于研究微循环以及其他在组织中直接成像无法实现的动态过程。
这项工作的意义在于其简洁性和鲁棒性。与其他需要相干激光、导星或复杂训练数据的先进技术不同，这种方法可以使用几乎任何标准显微镜中的非相干光。它不需要研究人员预先校准浑浊介质，也不需要知道其光学特性。研究人员展示了由多重散射引起的图像质量退化并不一定意味着动力学信息的丢失。通过将重点从重建图像转向分析光随时间变化的统计相关性，他们为观察隐藏在活体组织不透明屏障后的微观世界开辟了一条新路径。这种方法为生物医学光学提供了一个实用的工具，使科学家能够测量那些在以往被认为过于浑浊而无法研究的环境中的物体速度和运动。
您所在领域的论文太多了？
获取与您研究关键词匹配的最新论文每日摘要——附技术摘要，使用您的语言。