单次拍摄定量斜入射背照明显微术

无需染色即可观察活细胞

现代医学越来越依赖于观察活细胞的动态，但大多数显微镜仍需要荧光染料或依赖缓慢的扫描方法，这些都会干扰组织。本文提出了一种新方法，能够用单张相机快照在无标记条件下拍摄清晰的三维活组织图像，可能让医生和研究者在体内实时观察血流和细胞变化。

更快地观察厚组织内部

许多强有力的成像工具面临权衡：有些扫描速度快但丢失细节，而另一些能揭示丰富的细胞结构却速度慢或仅限于玻片上的薄样本。先前的一种技术称为定量斜入射背照明显微术（qOBM），通过从上方入射光，让散射光在厚且浑浊的样本内部充当隐含光源，从而解决了部分问题。qOBM 能测量光波在细胞中被延迟的程度——这一性质与其内部结构相关——并在三维空间中给出分布。但传统 qOBM 需要来自不同光照角度的四次独立相机曝光，这降低了速度，并在样本移动时更容易出现模糊。

教显微镜“思考”

为了解决这一瓶颈，作者们开发了单次拍摄 qOBM（SCqOBM）。SCqOBM 不再从四个方向采集图像，而是仅在单一斜入射角下拍摄一张原始图像。随后一个基于 U-Net 的深度学习模型——这是一种常用的图像处理神经网络——学习将这张原始图片转换为与四张图像所生成的详细相位图相同的结果。团队使用数千个样本进行训练和测试，在这些样本中“正确答案”由传统的四次采集 qOBM 给出，从而让模型学会如何将微妙的亮度模式映射到真实的组织结构上。

在血液与大脑上验证效果

首先，研究者在保存于采集袋中的脐带血上测试了 SCqOBM。血细胞相对简单且呈对称形态，是理想的起始对象。他们表明，无论是单次拍摄还是两次拍摄版本的方法都能几乎精确地再现红细胞和白细胞的形状与光学特性，仅与四次采集的金标准存在微小数值差异。在某些情况下，单次拍摄方法反而产生了更干净的图像，因为所用光的波段被血红蛋白吸收较少，从而降低了测量噪声。

随后他们挑战更复杂的对象：厚的大鼠脑组织样本，包括健康的大脑皮层、肿瘤及肿瘤边界。这些样本具有复杂且高度多样的结构。即便如此，深度学习重建结果仍与传统 qOBM 非常接近，既能捕捉肿瘤的粗大区域，也能分辨正常脑组织中的细微结构。值得注意的是，仅在大鼠脑像上训练的模型在人体脑肿瘤样本上也表现良好，表明该方法可跨物种和组织类型推广。频域分析确认了一个细微的限制：由于 SCqOBM 仅从一个角度获取光照，它无法完全恢复沿狭窄方向带的信息，但它不会“凭空捏造”缺失结构；该方向上的信息仅略显欠缺。

实时观察血流

凭借速度优势，SCqOBM 能捕捉到多次曝光方法会模糊的快速过程。团队使用高速相机以约每秒2000帧的速度记录小鼠脑血管，然后用 SCqOBM 模型将每帧转换为定量相位图。通过跟踪随时间移动的由流动血细胞产生的折射率模式，他们测得从极小血管中的约1毫米/秒到较大血管中超过60毫米/秒的流速，符合预期的血流剖面。他们甚至能够追踪沿血管壁缓慢滚动的白细胞——这些事件与免疫反应和炎症有关——并观察随动物状态变化的动态。

人类皮肤的三维视图

最后，作者展示了 SCqOBM 能以接近视频的速率获取人体前臂活体皮肤的体积成像。通过用压电台快速上下调焦，他们收集了一系列单次拍摄图像，将每张图像用 SCqOBM 转换为相位图，然后用第二个深度学习算法对体积进行精化。得到的三维视图显示出不同的皮肤层和在超过100微米深度处输送单个红细胞的微小毛细血管。根据他们成像的区域大小和深度切片数，可以在视野与速度之间进行权衡，在保持细胞及亚细胞细节的同时达到每秒多达10个体积的速度。

对医学的潜在意义

简而言之，这项工作表明显微镜可以用一次闪光和人工智能，从厚的活体组织中重建丰富的三维信息，无需染色或物理接触。尽管仍存在局限，例如仅用一个照明角度难以恢复某些方向的精细细节，但该方法在图像质量上已接近更慢、更复杂的系统，同时速度可与最快的光片显微镜相当。由于硬件相对简单——只需一台带单个 LED 的透射光显微镜——SCqOBM 有望在研究实验室和临床中推广无标记的先进成像，支持无创血液分析、脑与皮肤的实时监测，以及其他对速度和温和性有严格要求的应用。

引用: Casteleiro Costa, P., Bharadwaj, S., Li, Z. et al. Single capture quantitative oblique back-illumination microscopy. npj Imaging 4, 13 (2026). https://doi.org/10.1038/s44303-026-00147-w

关键词: 无标记成像, 深度学习显微镜, 定量相位成像, 血流测量, 体内皮肤与大脑成像