北京大学团队开发新型显微成像技术 实现深组织高保真超分辨观测

　　超分辨显微成像技术近年来显著推动了生命科学领域对微观结构的高精度观测，然而在深层组织中，散射干扰与成像保真度下降等问题仍制约其进一步发展。针对这一挑战，北京大学席鹏教授团队提出了一种称为“双重共聚焦转盘图像扫描显微技术”（Confocal² Spinning-Disk Image Scanning Microscopy，C²SD-ISM）的新型成像方法，实现了在180 μm深度下的高保真三维超分辨成像。该成果已于近日发表在《Light: Science & Applications》。
 

　　在复杂生物组织中，现有超分辨成像技术如STED、SIM和SMLM等均面临散射干扰、照明畸变和信噪比下降等问题，导致图像质量受限。图像扫描显微镜(ISM)虽在共聚焦基础上通过像素重分配和反卷积提高了分辨率，但其在深层组织中的应用仍受限于背景噪声和成像保真度不足。
 

　　C²SD-ISM系统结合了转盘共聚焦与结构光照明显微（SIM）两种技术，通过双重共聚焦设计有效抑制离焦信号：第一层采用转盘共聚焦物理去除背景噪声，第二层通过数字微镜装置(DMD)实现稀疏多焦点照明，并结合新开发的动态针孔阵列像素重分配算法(DPA-PR)进行超分辨重建。该技术不仅显著提升了成像信噪比和分辨率，还将所需原始图像数量降低至传统多点结构光超分辨技术(MSIM)的约1/6。
 

　　研究团队还开发了DPA-PR算法，通过构建虚拟探测器阵列和相位互相关估计，有效校正了斯托克斯位移和光学像差带来的影响。在实验中，该技术在线性相关性和结构连续性方面表现出较高保真度，对小鼠肾组织切片实现了144 nm分辨率成像，并在斑马鱼血管样本中清晰呈现出传统共聚焦难以分辨的细微结构。
 

　　此外，该系统可利用DMD实现结构光照明模态(SIM)，在深至50 μm的霉菌样本中实现1.68倍的分辨率提升，并成功应用于斑马鱼心外膜组织的精细成像。
 

　　研究团队指出，C²SD-ISM在分辨率、成像深度与图像保真度之间实现了较好平衡，具备多色成像、高通量和三维分析的扩展能力。相关硬件控制与重建算法代码已在Gitithub平台开源，以促进技术传播与合作。部分成果已转化为商业产品“Nova-SD转盘共聚焦”，支持7色激发和230 nm原始横向分辨率。未来结合深度学习与自适应光学，C²SD-ISM有望进一步拓展在活体动态成像和大尺度组织观测中的应用。