综述：三维定量相位成像中的计算方法：细胞成像的当前与未来趋势

这篇综述深入探讨了计算成像在3D定量相位成像(QPI)中的前沿应用，重点分析了传输强度方程(TIE)、Shack-Hartmann/Pyramid波前传感器及迭代算法(GS算法)的技术特点。文章系统比较了各方法在细胞形态分析、实时相位恢复和纳米级灵敏度方面的优劣，特别强调TIE结合空间光调制器(SLM)和电调透镜(ETL)在活细胞动态研究中的潜力，为生物医学成像领域提供了低成本、高精度的解决方案。

　　

引言

计算光学相位成像技术正引领显微技术的新纪元，其非干涉特性克服了传统干涉仪对环境振动敏感的缺陷。从早期的马赫-曾德尔干涉仪到数字全息显微术(DHM)，再到基于强度图像的传输强度方程(TIE)和迭代相位恢复算法，该领域已实现从复杂光学装置到计算算法的范式转变。这些技术通过分析不同照明条件下捕获的图像序列，利用相位恢复算法重建样本的折射率分布，在生物样本的无标记成像中展现出独特优势。

波前传感技术

Shack-Hartmann波前传感器(SHWFS)通过微透镜阵列将入射波前分割为多个子孔径，通过焦点位移计算局部波前斜率。其在眼科自适应光学和红细胞(RBC)成像中表现出色，能清晰显示红细胞的拓扑环状结构。然而，其空间分辨率受限于子孔径数量，且对强散射样本敏感。Pyramid波前传感器(PWFS)采用金字塔棱镜将光束分为四路，通过强度差异提取波前梯度，在视网膜锥细胞成像中达到亚微米级分辨率。两种传感器虽能实现实时校正，但系统复杂性和成本限制了其在临床的普及。

相位恢复算法

迭代算法如Gerchberg-Saxton(GS)通过傅里叶域和空间域的交替约束逐步优化相位分布，虽灵活性高但易陷入局部最优。叠层成像术(Ptychography)通过扫描样本重叠区域获取衍射图案，结合混合输入输出(HIO)算法实现纳米级分辨率，但计算量巨大。相比之下，传输强度方程(TIE)基于强度沿轴向变化的物理原理，仅需三幅离焦图像即可快速重建相位。实验显示，FFT算法处理的红细胞相位图像信噪比优于DCT和迭代DCT，高度测量误差小于3%，体积计算误差仅1.12%。

TIE在定量相位成像中的应用

TIE系统通过60倍物镜捕获聚苯乙烯微球和红细胞的离焦图像，结合快速傅里叶变换(FFT)算法，成功量化了红细胞1.5-2.5 μm的高度变化和80-97 μm³的体积分布。在乳腺癌细胞(MCF-7)动态监测中，集成电调透镜(ETL)的TL-TIE系统以毫秒级速度捕捉到细胞迁移过程中的膜皱褶和核形态变化。环形照明技术的引入更将横向分辨率提升至208 nm，使有丝分裂过程的亚细胞结构动态可视化成为可能。

技术比较与展望

对比分析表明，Shack-Hartmann适合快速波前传感，Pyramid传感器在弱光环境下灵敏度更优，而TIE在成本效益和实时性方面优势显著。新兴的元表面技术正推动单次曝光定量相位成像的发展，如偏振依赖型元表面可实现0.95的结构相似性指数(SSIM)。未来，人工智能辅助的TIE算法与多模态成像结合，有望在癌症早筛、药物毒性评估等领域实现突破，推动计算显微术从实验室走向临床。