基于吸收非线性迭代时间反演的散射介质光学聚焦技术突破扩散极限

针对生物组织等散射介质中光学聚焦受限于扩散效应和虚拟导引星尺寸过大的难题，Manxiu Cui团队提出iTRAN（迭代时间反演吸收非线性引导）技术，通过非线性吸收饱和效应构建虚拟导引星，实现单散斑级聚焦（分辨率达微米级），并突破等晕区限制实现焦点扫描。该成果发表于《Nature Communications》，为深层组织光学成像与治疗提供了新范式。

　　

光学聚焦技术的革命性突破

生物组织如同毛玻璃般阻挡光线深入——这是困扰生物医学光学领域数十年的"扩散极限"难题。传统光学显微镜在穿透超过1毫米的生物组织时，光线会因多重散射形成杂乱无章的散斑图案，使得高分辨率成像成为不可能完成的任务。虽然科学家们开发出基于超声调制或荧光标记的虚拟导引星技术，但这些方法存在两个致命缺陷：导引星区域远大于光学分辨率，且无法自由调控焦点位置。

《Nature Communications》最新发表的这项研究带来了破局之道。Manxiu Cui、S. Süleyman Kahraman与Lihong V. Wang团队创新性地将激光器模式锁定原理移植到空间光调控领域，开发出iTRAN（迭代时间反演吸收非线性引导）技术。该技术利用曙红分子（eosin）的三线态饱和吸收特性，通过迭代优化过程使光学焦点自动收敛至单个散斑尺寸（约20微米），并实现跨等晕区的焦点扫描。

关键技术方法

研究采用532nm激光器结合空间光调制器（SLM）构建4f光学系统，通过数字全息技术测量出入射/出射光场。核心创新在于：1）利用曙红-明胶薄膜的强度依赖性吸收（μ_a(|E|)=μ_a0/(1+|E|²/E_s²)）产生虚拟导引星；2）通过高低强度照明场差分消除线性散射背景；3）引入相位斜坡实现焦点跨等晕区扫描。实验采用10°全息扩散片与 Scotch胶带构建强散射环境。

研究结果

iTRAN聚焦原理

通过"强者愈强"的正反馈机制（公式(8)-(9)），系统在3-5次迭代内即可使焦点强度提升10倍以上，同时散斑面积缩小至初始的1/5。这种"赢家通吃"效应源于非线性吸收差异：强散斑更易饱和吸收层，导致其反向散射系数Δr显著高于弱散斑。

实验验证

在双层散射介质（扩散片+胶带）模型中，初始宽场照明产生杂乱散斑（半峰全宽>100μm），经5次迭代后焦点强度提升8.3倍，分辨率达光学衍射极限。值得注意的是，焦点位置具有随机性，不同散射介质区域会收敛至不同位置。

跨等晕区扫描

传统倾斜波前法在移动24步后焦点完全消失，而结合iTRAN去像差技术可实现45步稳定扫描（累计位移>200μm）。每次位移后执行单次迭代即可重新"锁定"焦点，相当于动态重置等晕区中心。

结论与展望

这项研究实现了三大突破：1）首次在扩展吸收层中实现单散斑聚焦；2）建立非线性反馈迭代理论模型；3）开发出跨等晕区扫描协议。虽然当前系统存在迭代速度慢（14秒/次）、曙红光漂白等问题，但该技术为光动力治疗、深层神经调控等应用开辟了新路径。作者指出，未来可通过改用双光子吸收或拉曼散射等内源性非线性效应，避免外源性对比剂引入，这将使技术更具临床转化潜力。正如论文结尾的精妙比喻：iTRAN在空间域实现了类似激光器模式锁定的"净化"过程，为征服生物光学"最后疆域"提供了全新武器。