ICTER：让光穿过牛奶，受控散射改善光学成像

组织中散射的光通常不再是有用的信息来源。但是，如果我们不强迫它沿单一路径传播，而是允许它每次以略有不同的方式游走，会怎样呢？ICTER的科学家们测试了这个看似冒险的想法，并证明一系列彼此不同的测量可以产生比单帧更清晰的图像。

新方法由国际转化眼科研究中心（ICTER）的科学家开发，该中心隶属于波兰科学院物理化学研究所。

该团队结合了数学模型、计算机模拟和使用光学相干断层扫描（OCT）的实验。研究人员希望确定光散射方式的受控变化是否能减少散斑噪声，并使图像对特定光学像差不那么敏感。

研究结果描述在发表于Scientific Reports的论文《Reducing spatial coherence via dynamic scattering media enables aberration and speckle suppression in optical imaging》中。

该研究的第一作者是Klaudia Nowacka-Pieszak，工程学硕士。她与Piotr Kasprzycki博士、Patricio Espinoza Guevara硕士、Karol Karnowski博士和Dawid Borycki博士（理学博士）合作。

同一物体，不同畸变

光在组织中传播时会遇到细胞膜、纤维、血管以及具有不同光学性质的结构之间的边界。一些光线会改变方向，同时光波的相位也会受到扰动。结果是图像可能失去清晰度、发生畸变，或被颗粒状纹理覆盖。

这种纹理被称为散斑噪声。它产生于样品不同部分散射的波相互叠加时。在某些位置它们相互增强，而在另一些位置则相互抵消。由此得到的图像包含随机的明暗斑点图案，可能遮蔽细微结构。

散斑并非普通的电子噪声；它源于所使用光的性质（此处为相干激光）。散斑与空间相干光的使用有着内在联系。没有相干性，散斑就会消失，但进行 OCT 等干涉成像的能力也会随之消失，因为 OCT 利用相干性来筛选携带结构信息的光子。

ICTER 团队开发的方法并不试图为每次测量提供相同的条件。恰恰相反：它有意改变光到达静止物体的方式。因此，每一帧都包含略有不同的散斑和畸变分布。如果连续图像之间足够独立，就可以对它们进行平均。

物体的固定结构被重复并保留下来。随机伪影会改变位置，因此随着数据的合并，它们会逐渐减弱。

"散射通常被视为高分辨率成像的敌人。我们表明，当散射被仔细控制并使其动态化时，它实际上可以成为一种有用的工具：通过在一次测量到下一次测量之间改变光到达样品的方式，我们可以抑制散斑并减少图像失真。这为不依赖日益复杂的光学硬件而提高光学成像的稳健性开辟了一条新途径，"论文第一作者 Nowacka-Pieszak 说。

一层让图像动起来的介质

测量的多样性由动态散射介质（DSM）提供，它使光的方向和相位产生微小的、随时间变化的改变。

因此，每一次连续的测量都显示同一个物体被略有不同的光波照射。差异不能太大。过度散射会破坏有用信号并严重模糊图像。需要一种平衡：变化必须足以产生独立的散斑图案，但又不能移除有关物体的信息。

动态散射介质降低了光的有效空间相干性。高空间相干性对于干涉测量是必要的，但它也会促进持续散斑的产生。动态层改变了连续测量之间的相位关系，使得图像的随机分量可以通过平均而减弱。

作者比较了两种组合图像的方法。第一种是幅度平均，主要利用信号强度信息。该方法更简单，对干涉仪不稳定性的敏感度较低。

第二种方法是复数平均，也称为场平均。它同时考虑光波的振幅和相位。该方法可以保留更多信息，但要求连续测量精确对齐。即使系统出现轻微漂移，也可能导致无法正确组合。

两种方法都降低了散斑图案的颗粒感。然而，幅度平均留下了明亮的背景，论文中描述为恒定背景或基底。这提高了暗区的强度，降低了目标中亮暗元素之间的差异。

复数平均更有效地去除了这一分量。背景保持较暗，细小元素分离得更清晰。然而，要实现这一优势，需要相位稳定和更先进的数据处理。

模拟结果如何？

研究的第一阶段涉及对100幅独立图像的模拟。科学家分析了散焦、像散以及扭曲光相位的静态层等因素。在单幅图像中，散斑对比度K介于0.69至0.93之间。该值越高，图像颗粒感越强。经过幅度平均后，K降至0.06至0.09之间。这表明随机散斑图案被强烈抑制。

在复数平均下，在最强畸变时，K 的数值可能略高。这并不意味着得到的图像更差。背景变得明显更暗，而且由于 K 还取决于所分析区域的平均强度，即使恒定基底已被去除，其值仍可能上升。

描述图像中亮暗元素关系的迈克尔逊对比度，揭示了两种方法之间的明显差异。

在强离焦且动态相位变化为 0.95 rad 时，幅度平均产生的对比度约为 0.51，而复数平均约为 0.74。在较弱的相位变化下，数值分别上升到约 0.79 和 0.97。对于像散，幅度平均后的对比度为 0.59，复数平均后为 0.76。因此，该机制并不局限于单一类型的畸变。

数学模型使得分离动态散射介质的两种效应成为可能。光传播方向的变化主要导致模糊。而相位变化的幅度和合并图像的数量则影响残余散斑噪声的量以及由此产生的对比度。这意味着，图像清晰度与锐度之间的权衡可以在设备设计阶段就进行预测。

牛奶作为光学系统的一部分

在仿真之后，团队使用 OCT 成像测试了该方法。目标是标准的 USAF 分辨率靶，包含一系列逐渐变细的线条。普通牛奶用作动态散射介质。其微观组分不断运动，因此每次测量都包含略有不同的散斑图样。

该系统使用的光中心波长为795 nm。实验测得的横向分辨率为4.6 µm。研究人员采集了100幅三维图像，即体数据。模型表明，牛奶颗粒大约需要0.4 s才能移动足够远，从而产生新的散斑图样。

然而，在实验中，研究人员使用了长得多的60 s间隔。这是一个保守的选择，旨在确保连续图像完全独立。

如此长的间隔增加了干涉仪漂移的风险。因此，在复数平均之前需要进行两阶段相位校正。稳定后，剩余的波动对应于约25–50 nm的光程变化。

对于无遮挡的USAF靶标，仅OCT系统就达到了0.87的迈克尔逊对比度。加入动态散射介质后，幅度平均的对比度为0.81，复数平均的对比度为0.84。

因此，在直接成像条件下，动态层并没有改善本已高质量的图像。它的主要用途是在光遇到会引入畸变的额外元件时提供帮助。

减少这些干扰的代价是图像锐度有所下降。测得的边缘宽度从仅OCT时的4.6 µm增加到幅度平均后的约7.7 µm，以及复数平均后的7.5 µm。这不是一个未预料到的缺陷，而是该方法的核心权衡。

动态散射可降低散斑以及对某些畸变的敏感度，但也会引入可预测程度的模糊。作者开发的模型能够估算这一代价，并为特定应用选择参数。

最严苛的测试：组织下方成像

实验中最重要的部分涉及光线遇到障碍物的情形。

首先，用透明胶带覆盖USAF分辨率靶，胶带充当不规则层，使光波发生畸变。在没有动态散射介质的情况下，图像中出现了强烈的颗粒状伪影。

随后将牛奶引入系统，作为动态散射介质。研究人员在其存在下记录了100幅图像，然后进行平均。这使得靶标的线条清晰得多，无需逐一测量并校正每种畸变。

研究人员随后在靶标上方放置了一片厚250 µm的小鼠脑组织切片。该组织强烈散射并衰减了光线。在仅使用OCT采集的图像中，靶标大部分被散斑和畸变所遮蔽。

将样品浸入动态介质并合并100个体积后，目标的元素再次变得可见。所得图像的分辨率低于目标的直接成像，信号也更弱，但实验证实该方法在真实组织下方有效，而不仅仅是在模拟中有效。

"对于生物成像，这一点尤其有趣，因为真实组织从来都不是理想的光学系统。如果我们能降低成像对组织本身引入的畸变的敏感性，我们或许能够看到原本更难分辨的结构，"Nowacka-Pieszak说。

这意味着什么？

在现阶段，该方法是实验室概念验证。研究涉及静止物体和离体组织，未涉及患者或活体眼睛的成像。因此，现在断言该方法将改善任何特定疾病的检测还为时过早。

尽管如此，其潜力相当可观。未来，该方法可能有助于开发更稳健的OCT系统。这在眼科可能尤为重要，因为图像质量受角膜、晶状体和玻璃体特性的影响。该机制也可应用于生物显微镜、数字全息术及其他使用相干光的技术。

动态散射介质不会分别校正每个畸变。相反，它使畸变的影响在各次测量之间发生变化，从而可以通过平均来减弱其影响。在未来的成像系统中，动态介质可以封装在具有受控流动的小型腔室中，或集成到显微镜物镜中。

这样的解决方案不需要空间光调制器、可变形反射镜或独立的波前传感器。这并不意味着成品设备会更便宜。不过，研究结果确实表明，有可能实现包含更少有源元件的更紧凑设计。

"从长远来看，我们希望这种方法能够启发新的光学设计，在这些设计中，散射不再仅仅是需要消除的东西，而是可以被有意控制并用于提高成像稳健性的东西，"Nowacka-Pieszak解释道。

对活体组织成像仍遥不可及

该方法有明显的局限性。它无法恢复已经完全丢失的信息。根据作者的模型，当畸变强到单张图像中不再保留任何可辨别的物体信号时，平均就不再有帮助。

复数平均还需要相位稳定性。过度激进的校正不仅会去除干扰，还会去除部分有用信号。当这种情况发生时，它相对于更简单的幅度平均方法的优势就会减弱。

速度是将该方法应用于体内成像的最大障碍。在实验中，连续体积以60 s的间隔记录。这样的方案适用于实验室工作，但不适用于对运动中的眼睛或其他活体组织成像。未来的设备需要快得多的动态介质和大幅缩短的采集时间。

"数学模型对我们来说与实验本身同样重要。它表明，降低散斑噪声会以部分图像模糊为代价，但它也让我们能够预测这一代价。这意味着可以根据特定应用中清晰度、对比度或对成像干扰的鲁棒性哪个更重要，来有意选择系统参数，"论文合著者 Kasprzycki 说。

该研究的核心结论很简单：并不总是需要一张完美的单一图像。可以收集多次测量，每次测量受到的干扰方式不同，然后利用它们之间的差异来降低噪声。如果散射过强且不受控制，它仍会破坏图像。然而，当散射可以被控制时，它就不再仅仅是一个问题，而成为解决方案的一部分。

出版详情

Klaudia Nowacka-pieszak 等，通过动态散射介质降低空间相干性实现光学成像中的像差与散斑抑制，Scientific Reports（2026）。DOI: 10.1038/s41598-026-60563-1

这篇报道出自谁手？

萨迪·哈莉

理学学士，生命科学与生态学。具备微生物学实验室背景，拥有石油、天然气和可再生能源行业的医药新闻经验。 完整简介 →

罗伯特·伊根

数学生物学学士，创意写作硕士。游历广泛，对科学和语言有独到见解。 完整简介 →

引用： 让光在牛奶中漫游——一种改善成像的惊人方法（2026年10月1日） 检索于2026年10月17日 来自 https://phys.org/news/2026-10-approach-imaging.html

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