荧光被组织散射成一片散斑，三维结构还能找回来吗？

激埃特光电 · 科研观察 · 2026 年 11 月 7 日

荧光还在，为什么组织后的画面模糊了？

在一组荧光显微实验中，研究人员把一层薄薄的小鼠皮肤切片放在荧光样品上方。原本可以辨认的结构，经过散射层后，在相机里变成一片杂乱的颗粒状光斑。荧光信号没有凭空消失，但光的传播方向被打乱，原始图像难以直接对应到样品位置。

2026 年 11 月 1 日，《Nature Communications》发表了佐治亚理工学院等机构的研究 Volumetric scattering microscopy。研究人员试着从这些看似混乱的散射荧光中，恢复被遮蔽的三维结构。他们将方法命名为体积散射显微技术（VSM）。

生物组织中的细胞和细胞外成分有不同的折射率。荧光从样品传播到物镜时，部分光会多次改变方向；不同位置、不同深度的信息叠在一起，细节就很难分辨。散射的影响有多大，取决于组织性质、波长、厚度及成像配置，不能用一个固定深度概括所有情况。

图 1｜荧光通过不同散射介质后的传播差异。原创原理示意，非论文实验图。

把物镜光瞳分成多个“观察方向”

传统三维荧光成像常通过改变焦面，逐层获取二维图像，再组合成体积数据。但对强散射样品来说，单纯换一个焦面，未必就能恢复被散射打乱的细节。

VSM 采用分孔径的傅里叶光场成像设计。研究人员把微透镜阵列放在与物镜光瞳共轭的傅里叶面上，将进入物镜的光分成不同方向的子孔径信号。相机由此记录多幅元素图像；同一位置在不同观察方向下产生的微小位移，能够为判断深度提供线索。

如果没有明显散射，光场中的这些视差可用于三维重建。一旦组织把每幅元素图像都变成散斑，视差却难以直接匹配。VSM 要解决的难题，正是怎样把角度信息从散斑中找回来。

图 2｜分孔径记录不同方向的荧光信息。光瞳分区仅为概念表达，不代表论文的实际微透镜数量或排列。

散斑不只是干扰，也是可以利用的线索

这项研究的关键思路是：散斑虽然看起来随机，却仍可能保留与发光位置有关的结构信息。来自不同位置的荧光，在一定条件下会形成有区别的散斑特征；不同子孔径又保留了各自的角度信息。

根据预印本的方法描述，研究团队在照明端使用由电动转台驱动的散射片，使照明图样不断变化，并连续采集多帧图像。不同荧光发光点在这一过程中呈现不同的亮度变化，算法再利用这些变化分离特征与背景，恢复各子孔径的信息。

但去散射后，各幅子孔径图像之间的相对位置不一定仍然可靠，因此还要进行联合对齐与三维反卷积。论文还报告，在所测试的条件下，重建的光学层切效果有所改善；作者认为，散射造成的空间频率混叠也提供了区分深度的线索。

图 3｜角度采集、散斑特征处理、联合对齐与体积重建的概念流程。非实际算法输出。

“无机械扫描”不等于“只拍一张照片”

VSM 被称为“无扫描”，关键在于不需要沿样品深度方向机械地逐层移动焦面，也不需要逐点测量散射介质的波前。这是它与某些传统三维采集方案的重要区别。

但无需机械逐层扫描，不等于单帧快照，也不代表整套装置完全没有运动部件。上述实验采用变化的照明散斑进行多帧采集；部分大视野结果还需要将不同区域的重建结果拼接。

图 4｜逐层焦面采集与 VSM 的获取深度信息方式不同。两侧均为原理示意，不是速度或性能对比。

论文究竟验证了什么？

研究从物理仿体逐步推进到复杂生物样品，涉及琼脂糖中的荧光微球、工程化细胞系统、离体小鼠肌肉损伤组织，以及完整的爪蟾胚胎。在其中一类实验里，研究人员让样品隔着皮肤切片等散射层成像；而完整胚胎实验，则涉及荧光结构嵌在散射组织内部的情形。

研究显示，这套光学与计算结合的方法能够在指定实验条件下恢复三维荧光结构，并改善散射条件下的结构识别。不过，相关样品和条件必须分开理解：离体组织不是活体实验；胚胎样品经过固定；研究也没有证明可以直接透视任意深度的人体组织。

论文表明的核心价值，是在散射环境下尽可能恢复显微系统可利用的三维信息，而不是实现无标记人体深层成像，更不能将其理解成已经成熟的临床设备。

计算越强，光学前端越要把信号收好

这项研究提醒我们，计算成像并不是让光学元件变得不重要。相反，系统要先尽可能可靠地记录角度、位置和强度信息，后续计算才有条件发挥作用。如果无关背景太强、有效信号太弱，再复杂的算法也不能保证恢复全部细节。

在一般落射荧光显微光路中，激发滤光片用于选择照明波段，二向色镜帮助分离激发与发射光，发射滤光片则抑制残余激发背景。这是荧光光路的通用工程原理，并非对论文具体滤光片型号或性能的声明。

滤光片的通带、截止深度、入射角以及与染料光谱的匹配，都会影响有效信号与背景的关系。对于干涉型滤光片，实际入射角尤其不能忽略。激埃特光电可围绕滤光片、二向色镜、透镜及相关镀膜元件，根据项目的光谱要求、图纸或样品进行具体评估。

从模糊散斑到三维结构，VSM 的启发不在于“让组织变透明”，而在于先尽可能保存散射光中的有效信息，再通过计算找回它们的空间关系。