Nat Commun | 戴琼海/季向阳团队开发计算光学层析，推动光场显微术进入定量荧光时代

近年来，以光场显微镜为代表的一系列计算成像技术，因其低光毒性、快速三维成像能力等优势备受注目，在活体显微成像领域取得了突破性的成果【1】。由于光场成像技术可以在单次拍摄下获取样本的高维信息，在长时动态观测方面具有独特的优势，例如观测血流、大规模神经活动、细胞内以及细胞间长期相互作用等等。而在复杂的活体成像环境下，光场系统采集的高维目标信号与无序散射光以及高强度背景光深度杂糅，极大限制了穿透深度与信号的定量程度。

近日，清华大学的研究团队提出了一种基于非相干散射理论的多尺度量化模型（QLFM），可通过充分挖掘光场数据的高维特性和准确的物理建模，从而实现计算光学层析能力。该研究显著减少了背景荧光与散射光子的影响，同时也提升了单光子成像在复杂活体环境下的穿透深度，推动光场显微技术进入定量荧光显微时代。相关研究成果于 2021 年 11 月 4 日在线发表在 Nature Communications 杂志，题为：Computational optical sectioning with an incoherent multiscale scattering model for light-field microscopy。

在复杂的成像环境下，由于背景光、散射光以及系统像差等多种因素的干扰，传统的光场成像模型无准确求解成像反问题。这一特性极大限制了光场显微成像技术在活体观测中的应用。在此基础上，QLFM提出了多尺度精确量化模型，在完备空间下剥离信号光、背景光以及散射光分量，实现了光学计算层析，显著提升了成像穿透深度。通过此方式，科学家在400μm的成像深度下，将图像的信背比 (signal-to-background ratio, SBR) 提升了20dB。该方法被用于观测等斑马鱼脑、果蝇脑、果蝇卵、小鼠脑等多种活体生物样本，并在多种成像环境下成功解析了高SBR的三维动态信息。此外，由于不需要额外的硬件支撑，该方法广泛适用于各种相空间成像系统。

图1 | QLFM 概念与原理示意

在传统的光场成像模型中，大量的背景光极易将目标荧光信号淹没，极大制约了成像深度。QLFM首先提供了一种多尺度的完备空间模型，利用光场不同角分量下点扩散函数 (point spread function, PSF) 的不同特征，分离出大尺度范围内的背景光分量，并将其在成像反问题求解过程中剔除。另外，为了提升计算效率，QLFM提供了一个基于非均一分辨率的多尺度采样机制。这种采样方式极大的节约了计算成本，将重建速度提升了两个数量级，为长时间活体三维观测提供了基础。

图2 | 在斑马鱼心脏成像实验中，QLFM 与传统模型的对比

除了背景光，杂乱无序的散射光也是一个需要考虑的因素。在传统成像模式下，由于散射光与信号光深度杂糅，不能通过常规的光学层析将散射光剔除。但在光场成像模式下，相空间分量准确描述了目标的高维光场分布，这为解析散射光提供了可能。基于上述理论，QLFM还提出了一种相空间下非相干散射传播模型，对目标体中的散射光进行逐层建模，并将此模型融合到相空间成像反问题求解算法中，通过反复优化迭代，最终获得分离的散射光和信号光分量。

另外，系统畸变造成高维PSF畸变也是导致成像质量下降的一个因素。QLFM提供了一个基于向相位恢复算法的PSF矫正模型，通过反复迭代拟合，使得仿真PSF的强度分布收敛到与实采PSF一致，同时又保证了更高的信噪比。使用矫正后的PSF进行反问题求解可以显著缓解近焦面的伪影，同时在整个成像范围内都提升了空间分辨率。

QLFM 利用精确数学建模获得了光学计算层析能力，极大程度削弱了背景光的干扰，剔除了活体样本中散射光的影响并消除由系统像差引入的畸变，由此从高维光场信号中准确求解复杂成像反问题，显著提升了光场显微系统的实用性与在活体环境下的定量荧光观测能力。同时QLFM也进一步提示了复杂物理模型在反问题求解过程中的重要性。如何准确地从数据中可解释地挖掘出真实世界的定量本真信息将是未来发展的一个重要趋势。

清华大学自动化系博士生张亿、卢志、清华大学自动化系助理教授吴嘉敏为该论文的共同第一作者，清华大学自动化系、脑与认知科学研究院、北京科学信息与技术国家研究中心戴琼海教授、季向阳教授、吴嘉敏助理教授为论文共同通讯作者。