生物体“光学透明化”：高速散射光场调控

撰稿 | 刘林仙（山西大学）

说明 | 本文由论文作者（课题组）投稿

将生物体内部光学成像，就如用眼睛直接透视生物体本身，使人们能够更为细致地了解生物体的构造、研究生物体内部的工作机制甚至判断器官是否癌变等等。

然而，生物体存在很强的散射效应（名词解释>>>），光束在生物体内传播一定距离后，其方向将完全随机。这几乎扼杀了直接光学成像的可能性，除非能通过一种方法将生物体“光学透明化”，使得光子能够在生物体内部按照预先设定的路径进行传播。

如何将介质光学透明化？

目前最为有效地方法是对散射光场进行光场调控（波前整形法）。波前整形法是：通过给光场调控器件（名词解释>>>）设定调控信号，对入射光场的波前信息进行高自由度调控，改变入射光场的波前，从而精确地规划光子在散射介质中的传播路径，继而赋予介质“光学透明化”的属性。

散射光场调控的关键是：如何快速准确地搜索到光场调控器件的最佳调控信号。

光场调空器件通常具有百万量级的调控单元，这决定了遍历式搜索方法非常低效。

迭代式波前整形法具有高效的搜索效率，其原理是：以目标位置处的光场分布作为反馈信号，通过迭代优化算法优化光场调控器件的调控信号，进而逐步优化入射光场的波前。这种方法所需的光学系统结构简单，易于控制，且便于与各种光学成像技术相结合。

想要在高速动态扰动的生物体内实现光束的高对比度聚焦，迭代式波前整形法必须同时具备精准光场调控能力和快速迭代优化能力。

1. 在光场调控器件方面

数字微镜阵列（名词解释>>>）兼备模式数大和切换速度快的优点，是非常理想的抗散射聚焦光场调控器件。然而，它的每个调控单元仅含有两种调控状态，仅能对光场进行二值化振幅调控。这也是数字微镜阵列目前最大的瓶颈，导致其调控离散度大，不具备精准光场调控能力，并且严重限制迭代算法的搜索速度。

2. 在迭代算法方面

虽然研究人员提出了遗传算法（GA）（名词解释>>>）、随机分区法、粒子群法等算法，但它们的全局优化能力差，极易陷入局部最优解（名词解释>>>），导致其不具备快速迭代优化能力，难以在短时间内将光斑优化至需要的亮度。这也决定了这些算法不适用于生物体散射光场调控。

反馈式波前整形法原理图

鉴于此，上海交通大学杨佳苗、山西大学刘林仙和北京航空航天大学赵雁雨等人合作提出了一种新的高速散射光场调控技术，运用同时具有百万调控单元和数十微秒调控速度的数字微镜阵列作为光场调控器件，使用多像素编码方法打破数字微镜阵列二值化调控造成的超低调控分辨率的瓶颈，并结合智能化的优化算法最终将散射介质内的光场调控速度提高了近200倍，光斑对比度提高了近20倍，为推动生物体“光学透明化”的进程迈出了巨大的一步。

该成果以 Anti-scattering light focusing by fast wavefront shaping based on multi-pixel encoded digital-micromirror device 为题发表在 Light: Science & Applications。

在这项工作中，研究人员针对上述提到的精准光场调控能力不足及快速迭代优化能力不足这两方面的问题，分别给出了解决办法：

1. 针对精准光场调控能力不足的问题

该项研究提出了一种多像素联合编码方法，对光场振幅实现连续调控，解决数字微镜阵列调控离散度大的难题。多像素联合编码方法的原理是：将数字微镜阵列中的多个像素组合为一个调控单元，用多个像素的二进制码来编码一个0到1之间的实数，同时，这种编码方法还要具有格雷码（名词解释>>>）特性，即任意两个相邻编码值只有一位二进制数不同。在此基础上，才能够将实数范围的高级优化算法应用在基于数字微镜阵列的波前整形法中。

2. 针对快速迭代优化能力不足的问题

该项研究提出了将可分离的自然进化策略（SNES）应用于迭代式波前整形法中，能够更快地全局搜索到数字微镜阵列的最佳控制信号。SNES使用自然梯度来迭代更新控制信号相对的高斯特征参数，自然梯度始终与反馈信号增加的方向保持一致，可以自适应地捕捉反馈信号的增长方向，优化入射光场的波前。相比遗传算法，SNES可以阻止震荡收敛、过早收敛等问题，避免搜索时陷入局部优化。此外，SNES是一种应用于实数域的连续迭代算法，相比遗传算法，其搜索精度更高，搜索速度更快。

研究人员通过数值模拟及实验验证，展示了所提出方法的先进性。对于散射介质后的单点聚焦，所提出的方法相比传统方法（即基于遗传算法的二值化波前整形法），将对比度提高了16倍，优化速度提高了179倍，几乎看不到背景噪声。同时，研究人员实现了对10个聚焦光斑的快速均匀亮度优化，将其所组成的字母“W”和“S”从背景散斑中清楚地显现了出来。

单点和多点聚焦实验结果

该项研究可以和荧光标记物、光声信号等引导靶进行结合，克服生物体内快速生理变化对光场动态扰动的影响，在强散射生物体内获得高对比度光学聚焦光斑，获取更深层组织中的图像信息，推动生物体“光学透明化”领域的发展，并突破光遗传学、光治疗等领域的瓶颈。

论文信息：

Yang, J., He, Q., Liu, L. et al. Anti-scattering light focusing by fast wavefront shaping based on multi-pixel encoded digital-micromirror device. Light Sci Appl 10, 149 (2021). 

本文第一作者为上海交通大学副教授杨佳苗，通讯作者为山西大学副教授刘林仙和北京航空航天大学生物医学工程高精尖创新中心副教授赵雁雨。

论文地址：

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00591-w

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编辑 | 赵阳

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