利用结构光辅助波前整形优化散射介质荧光成像：多目标定位与Bessel-Gauss光束增强策略

本研究针对生物组织散射导致荧光成像质量下降的难题，创新性地结合波前整形(Wavefront Shaping)与图像熵优化技术，通过Bessel-Gauss(BG)光束增强穿透深度，实现了多荧光靶点的同步定位与信号增强。研究人员开发了基于评分遗传算法(SBGA)的混合方法，在猪皮肤、石蜡膜等散射介质中验证了该技术可提升2.48倍信噪比(SNR)，并首次证明BG光束比传统高斯光束增强效果高出2.78倍。该成果发表于《iScience》，为深层生物成像和医学诊断提供了新工具。

　　

在生物医学研究中，荧光成像技术如同"微观世界的探照灯"，但生物组织就像一层毛玻璃，将入射光线散射得支离破碎。这种散射效应导致图像分辨率下降、对比度丧失，使得科学家们难以看清深层组织的真实面貌。传统解决方案如共聚焦显微镜(Confocal Microscopy)和双光子显微镜(Two-photon Microscopy)只能捕捉非散射光子，成像深度有限。而实际上，那些被散射的光子携带了大量深层信息——如何"驯服"这些散射光子，成为突破成像极限的关键。Nazifa Rumman团队在《iScience》发表的这项研究，正是为解决这一核心难题提供了创新方案。

研究团队采用三大关键技术：1) 结合空间光调制器(SLM)的波前整形系统，通过相位调制补偿散射畸变；2) 基于图像熵和强度的评分遗传算法(SBGA)，实现多目标自动定位优化；3) 创新引入Bessel-Gauss(BG)光束替代传统高斯光束，利用其自修复特性增强穿透力。实验样本涵盖猪皮肤组织(2-3mm)、石蜡膜(4层)和飞蛾触角等生物样本。

同时优化多靶点

通过四层石蜡膜实验显示，优化后靶点强度提升2.48±0.19倍（图3）。SBGA算法通过动态阈值分割（阈值τ=w_max×t_c，t_c=0.4）区分信号与噪声，结合熵(公式1)和强度(公式3)双指标实现多目标优化。

BG光束性能优势

对比实验表明，BG光束在玻璃扩散器中增强效果达高斯光束的2.78±0.69倍（图4）。其独特之处在于：当光束遇到障碍物后能重建原始结构（图S2），在1800代优化中始终维持强度优势（图S5）。

穿透深度验证

随着猪皮肤厚度从2mm增至3mm，BG光束的强度优势从1.8倍提升至2.3倍（图5）。石蜡膜实验进一步证实，散射介质越厚，BG光束的相对性能提升越显著（图S6）。

生物医学应用示范

在飞蛾触角实验中（图8），无需组织透明化处理即实现荧光信号定位，解决了色素组织成像难题。反射几何实验（图S14）则验证了该技术在非侵入式诊断中的潜力。

这项研究的突破性体现在三个方面：首先，首次将熵优化引入波前整形，保留了靶点间相对强度信息（图6中强度比1.48→1.5）；其次，BG光束的应用将成像深度推向新高度；最后，动态追踪能力（图7）使其在活体研究中具备独特优势。正如讨论部分指出，该技术兼容现有显微镜系统，为神经科学、肿瘤学等领域的深层成像提供了新范式。未来通过优化SLM刷新速率和自适应阈值算法，有望实现实时动态成像，推动"散射介质透视"技术的临床应用。