透明組織大視場高對(duì)比細(xì)胞級(jí)成像的應(yīng)用：精準(zhǔn)篩查人眼疾病

本研究由Samer Alhaddad、Wajdene Ghouali、Christophe Baudouin、Albert Claude Boccara及Viacheslav Mazlin共同完成，論文題為"Transmission interference microscopy of anterior human eye"，于2025年8月在《Nature Communications》期刊發(fā)表。

技術(shù)原理
01主流方法的局限性
當(dāng)前人眼前段成像主要依賴反射式幾何光學(xué)技術(shù)，包括共聚焦顯微鏡和光學(xué)相干斷層掃描。這些技術(shù)通過檢測背向散射光生成圖像，雖然分辨率較高，但存在固有缺陷：共聚焦顯微鏡需要接觸角膜且視場受限（<0.5mm），OCT系統(tǒng)復(fù)雜昂貴且對(duì)比度不足。更重要的是，反射式成像對(duì)透明生物組織的相位信息不敏感，難以實(shí)現(xiàn)無標(biāo)記細(xì)胞成像。

02傳輸干涉顯微鏡的獨(dú)特機(jī)制
該技術(shù)的核心創(chuàng)新在于將傳輸式干涉原理應(yīng)用于活體人眼成像。系統(tǒng)采用850nm近紅外LED光源，通過物鏡將光聚焦于眼后段鞏膜，利用鞏膜的散射特性形成次級(jí)照明源，從后方照亮角膜和晶狀體。透射光被相機(jī)捕獲后，通過干涉效應(yīng)生成圖像。

關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)包括：一是采用交叉偏振設(shè)計(jì)，有效抑制角膜表面反射光，僅檢測透射信號(hào)；二是通過精確控制照明光斑在鞏膜上的尺寸（1.7-3mm），調(diào)節(jié)空間相干性以優(yōu)化對(duì)比度；三是利用散射光與直接透射光之間的干涉效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)相位物體的靈敏檢測。

03干涉對(duì)比度生成機(jī)制
成像對(duì)比度來源于樣品散射光與零級(jí)衍射光之間的相位差。當(dāng)散射體位于焦點(diǎn)附近時(shí)，衍射波與透射波在物鏡后焦面發(fā)生空間分離，隨后被管透鏡重組產(chǎn)生明暗相間的干涉圖案。散射體的光學(xué)厚度越大，相位延遲越顯著，對(duì)比度越高。通過軸向移動(dòng)相機(jī)或樣品，可實(shí)現(xiàn)對(duì)比度符號(hào)的反轉(zhuǎn)。

重要發(fā)現(xiàn)
01干涉對(duì)比度增強(qiáng)機(jī)制
研究團(tuán)隊(duì)通過人工眼實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分析了照明光斑尺寸對(duì)成像質(zhì)量的影響。當(dāng)鞏膜照明光斑從15mm減小至0.3mm時(shí)，干涉對(duì)比度顯著提升，但同時(shí)景深降低。這一現(xiàn)象源于照明數(shù)值孔徑（NAi）的變化：小光斑對(duì)應(yīng)低NAi（約0.01），提高了空間相干性，使散射體與透射波之間的相位關(guān)系更加明確。

波傳播仿真揭示了對(duì)比度增強(qiáng)的物理機(jī)制：大面積照明時(shí)，散射體暴露于寬范圍照明角度，各角度產(chǎn)生的傾斜相位剖面疊加后對(duì)比度降低；點(diǎn)光源照明時(shí)，高空間相干性產(chǎn)生更明確的相位關(guān)系，對(duì)比度顯著提升。

02瞳孔與白內(nèi)障散射效應(yīng)
研究通過可更換前段的模型眼系統(tǒng)，量化分析了瞳孔尺寸和晶狀體散射的影響。瞳孔大小直接影響入射光束寬度和檢測光通量：4mm瞳孔比8mm瞳孔減少約60%信號(hào)強(qiáng)度。晶狀體散射（白內(nèi)障）使照明光在鞏膜上擴(kuò)散，增大NAi從而降低干涉對(duì)比度，但同時(shí)減小景深提升分辨率。這些發(fā)現(xiàn)為臨床應(yīng)用中參數(shù)優(yōu)化提供了指導(dǎo)。

挑戰(zhàn)與展望
當(dāng)前傳輸干涉顯微鏡技術(shù)面臨若干臨床轉(zhuǎn)化障礙：一是相比共聚焦顯微鏡，對(duì)比度仍顯不足，且缺乏共焦性導(dǎo)致淚膜碎屑可能形成離焦陰影；二是對(duì)比度符號(hào)隨焦點(diǎn)位置變化，需要臨床醫(yī)生額外培訓(xùn)或開發(fā)自適應(yīng)算法；三是缺乏固定靶向系統(tǒng)，影響成像位置的可重復(fù)性。未來研究方向包括：開發(fā)雙相機(jī)相位重建系統(tǒng)消除對(duì)比度模糊，集成注視靶標(biāo)提升定位精度，以及利用深度學(xué)習(xí)算法增強(qiáng)信號(hào)和自動(dòng)化分析。隨著近紅外CMOS技術(shù)的進(jìn)步，預(yù)計(jì)未來幾年靈敏度和像素?cái)?shù)量將進(jìn)一步提升，有望將顯微鏡視場擴(kuò)展至接近臨床宏觀儀器的水平。同時(shí)，需要深入研究散射機(jī)制以更好地解釋圖像特征，特別是在病理?xiàng)l件下內(nèi)皮細(xì)胞邊緣可見性增強(qiáng)的現(xiàn)象。多中心臨床驗(yàn)證和與現(xiàn)有技術(shù)的對(duì)比研究將加速該技術(shù)在基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)的推廣，最終實(shí)現(xiàn)大規(guī)模眼病篩查和手術(shù)評(píng)估的普及應(yīng)用。