从高通量成像到功能分析：无镜头成像技术正在超越单纯的结构观察

《eLight》：From high-throughput imaging to functional insight: lensless imaging moves beyond structure

　　摘要：无透镜成像提供了一种可扩展的、轻量级的光学显微镜实现方式，但其发展主要停留在结构层面。在最近的一项研究中，Wang等人证明分子特异性可以在完全无透镜的框架内内在编码并通过计算得以恢复。这项工作将无透镜成像的焦点从结构扩展转向功能编码，突出了一个新的范式：通过光学和计算手段共同设计光学上的简洁性和信息的完整性。

无透镜成像的快速扩展已成为现代光学成像的一个显著特征。在生物医学显微镜、数字病理学和大面积生物筛查领域，人们对成像效率的要求越来越高：更高的分辨率、更宽的视野（FOV）、更深的景深以及能够处理厘米级样本的成像能力。这些需求推动了成像系统的发展，使其空间-带宽产品（SBP）不断提升，从而能够观察复杂的生物结构，而不再局限于单一的显微镜视野[1,2,3]。为了解决这一挑战，出现了一类计算成像策略。合成孔径技术[4,5,6]，尤其是傅里叶衍射显微镜[2, 7]，证明了在采集过程中通过空间频率信息的多重编码和计算恢复，可以同时实现空间分辨率和视野的提升。基于非干涉式合成孔径成像和衍射断层扫描的相关发展进一步将这些概念扩展到三维（3D）无标签成像领域[8,9,10]。与此同时，无透镜成像技术（包括接触式显微镜[11]、内联全息术[12, 13]、强度传输方程[14,15,16]和编码衍射成像[17, 18]）通过彻底消除物镜，实现了更大程度的可扩展性，使得成像平台更加紧凑、视野更广且结构更简单[19]。除了这些系统层面的进步外，定量相位成像也发展成为一种无标签成像方法，它为高通量流程提供了基于物理原理的定量对比度[20]。

尽管这些方法各具特色，但它们都有一个共同的目标：以更快的速度在更大的区域内成像。从这个意义上说，现代高通量计算成像可以被看作是对一个工程问题的回答——如何在物理、光学和实际限制下最大化信息容量。然而，随着这些方法的成熟，一个日益明显的限制也开始显现：虽然现在可以在前所未有的规模上获取结构信息，但恢复的对比度主要是形态学的，对于分子组成或生化功能的洞察有限。特别是在介观尺度上，细胞、组织和异质生物结构跨越毫米到厘米的范围，生物解释往往不仅仅依赖于几何形状，还与生化组成密切相关。因此，分子特异性通常需要通过外源性标签或染色（最著名的是荧光探针和组织化学染料[21,22,23,24]）来重新引入。尽管这些方法非常有效，但它们也存在实际限制，包括样品制备时间、可能干扰自然生物状态以及对于快速、高通量或原位分析的可扩展性有限。

无透镜成像在这一领域处于一个独特而矛盾的位置：它在本质上是可扩展且轻量级的，但从历史上看，这一领域一直以结构输出为主。成像透镜的缺失简化了系统设计，但也剥夺了传统的光谱区分和对比度工程途径，从而在成像规模和生化可解释性之间留下了持续存在的差距。这引发了这样一个根本性问题：无透镜成像能否从一种结构成像方式发展成为一种功能成像方式，同时不放弃其可扩展性和简洁性的优势？应对这一挑战需要一个概念上的转变——将无透镜成像视为一种独立的工程问题，而不是传统显微镜的简化形式。无透镜成像发展的一个统一思路是，光学元件并没有被完全消除，而是被结构化的调制和计算所取代。强度传输框架表明，轴向强度变化可以编码相位梯度，并且无需干涉测量即可实现定量重建[10, 15, 16]。编码衍射和衍射调制进一步证明，通过有目的的信息多重编码和测量空间的冗余，可以恢复空间分辨率、景深、光谱多样性和三维折射率[25,26,27,28]。在这种观点下，成像性能不仅由光学形成决定，还取决于信息在物理采集和计算重建之间的有效分配。

在这个范式下，一个自然而然的下一个问题是：分子特异性本身能否被视为一种可编码和可恢复的自由度？Wang等人的最新研究[29]提供了一个令人信服的肯定答案。他们在eLight发表的报告中介绍了深紫外衍射口袋显微镜（DART），这是一种手持式无透镜成像系统，将内在的分子光谱学集成到了高通量计算成像框架中（图1a）。DART不依赖外部标签，而是利用生物分子在深紫外（DUV）光谱范围内的强吸收特性，其中核酸和蛋白质表现出明显的固有对比度[30,31,32,33,34,35,36]。与依赖专用光学组件的传统DUV显微镜不同，这些组件限制了视野并影响了便携性，DART将无透镜成像、紧凑的系统设计和分子光谱学统一在一个平台上。通过使用改良的传感器捕获波长分辨的衍射图案，该系统在便携形式下实现了大视野范围内的亚微米级空间细节（图1b）。通过选择特定波长（266纳米和280纳米——这些波长对应核酸和蛋白质的强吸收）进行照明，并结合无透镜采集和衍射重建，DART能够在厘米级视野和毫米级景深范围内以飞克级灵敏度恢复定量分子质量分布（图1c, d）。由于分子对比度直接来自波长选择性吸收，因此可以在成像时获得生化特异性，而无需通过后续染色或数据驱动的外观映射来推断。这使得虚拟染色具有可解释性，基于对分子内容的直接测量，而非黑盒深度学习，并避免了与外源性探针相关的干扰。

DART的重要性不仅在于它使用了DUV照明。深紫外显微镜长期以来一直被认为是无标签分子成像和质量映射的强大工具[30,31,32,33]，后续的研究将其应用扩展到了血液学分析、组织病理学表型分析和基于内在光谱特征的多光谱虚拟染色[34,35,36]。然而，传统实现通常依赖于专用光学组件，这些组件限制了视野、降低了可扩展性，并引入了显著的色差和几何像差。DART的独特之处在于它证明了在完全无透镜、编码的系统中可以实现定量光谱分子成像，同时保持了介观成像所需的可扩展性和稳健性。这一概念上的进步离不开郭安教授在康涅狄格大学十年来的系统化研究[17, 18, 37,38,39,40,41,42]。通过一系列有影响力的研究[17, 18, 37,38,39,40,41,42]，这些研究将编码调制确立为一种通用的、可扩展的信息多重编码平台。总体而言，这些研究将编码调制和计算反演作为无透镜成像的基础设计原则，将该领域重新定义为一种信息完整度高的测量问题，而不仅仅是受硬件限制的成像方式。

在这个更广阔的背景下，DART代表了这一发展路径上的一个自然且决定性的里程碑。它是第一个证明编码表面无透镜系统能够在部分相干和非理想照明条件下稳健支持定量DUV光谱成像的实例——这些条件历来对无透镜平台构成了严峻挑战。特别值得注意的是引入了虚拟误差区间，该区间明确将光源不连贯性和系统缺陷作为独立的计算通道进行建模。DART不是抑制或校准这些效应，而是直接将它们纳入重建框架中。这种错误意识的策略将便携式无透镜成像长期存在的限制转化为可处理的自由度，强化了从一开始就贯穿编码表面方法的信息中心哲学。在更广泛的方法论层面上，DART与衍射中的信息多重编码原理[25, 26]以及多光谱衍射调制策略（用于光学厚或堆叠样本[37, 43, 44]）相呼应，同时也与引入额外物理通道的发展趋势一致，例如偏振敏感编码衍射[45]或衍射框架中的化学特异性振动对比[46]。综合来看，这些发展表明了一个统一的主题：编码表面和计算反演正在发展成为一种共同的语言，用于在无透镜架构中编码和解码日益丰富的物理信息。

除了其直接的技术成就外，DART还指向了对无透镜成像本身的更广泛重新定义。在过去的十年中，该领域主要解决了结构可扩展性的挑战：高分辨率、宽视野、高通量和紧凑的形式因子不再罕见。随着这些结构能力的接近实际饱和，影响的限制因素从成像的获取效率转向了这些图像能够传达的信息本身。DART示范了从结构可扩展性向功能完整性的转变，证明了不必为了提高通量、便携性或系统简洁性而牺牲分子特异性。展望未来，DART所基于的编码表面、信息中心的范式为在紧凑、可部署的无透镜平台上集成额外的物理维度（如偏振、角度多样性和化学特异性光谱对比）提供了自然路径。从这个意义上说，DART不仅仅为无透镜成像工具箱增添了一项新功能，它标志着该领域的成熟：长期以来对硬件简约性的重视正在让位于一个更雄心勃勃的目标——在规模上实现信息完整性。如果这一趋势持续下去，无透镜成像最终可能会重塑大型生物样本的成像方式，以及光学系统如何设计以同时获取结构的组成和功能——作为生物理解的同等重要且共同设计的维度。