近日，青海大学高原医学研究中心马英老师团队联合汤锋教授团队在无标记三维光学显微成像领域取得原创性突破，自主研发的高频散射层析技术（High-frequency scattering tomography, HFST）被国际光学领域权威期刊APL Photonics正式接收并在线发表，成功入选期刊Featured Article（重点文章），成为该刊同期重点推介的代表性成果。APL Photonics 系美国物理联合会（AIP）旗下二区 TOP 期刊，影响因子5.3，在生物光子学与光学成像领域具有广泛国际影响力。此项研究得到青海省帅才项目“慢性高原低氧应激损伤机制与干预措施研究”与青海大学科研实力提升专项“青年创新人才培育计划”共同支持，是高原医学与先进光学显微技术交叉融合的标志性进展。

无标记三维光学显微成像是当前生物医学、细胞生物学与精准诊断的核心支撑技术，可在不使用荧光染料、无需外源标记的条件下实现活细胞与生物样品的三维结构观测。但现有主流技术普遍存在计算复杂度高、图像对比度不足、成像速度慢、系统稳定性差等瓶颈，难以在复杂环境下对活细胞内的细胞器进行长时程、高分辨、稳定可靠的三维成像。针对上述行业共性难题，马英老师团队联合汤锋教授团队历经长期攻关，创新性地将6角度 LED 环形照明、轴向逐层扫描与散射场滤波分析深度融合，建立起一套简洁、高效、高稳定的全新成像体系，如图1所示。该技术跳出传统三维反演框架，把复杂的三维折射率重建简化为逐层二维频谱滤波与频谱平移操作，无需复杂迭代算法，无需严苛孔径匹配，显著降低了数据处理维度与计算开销，计算效率较传统方法提升约6倍。同时借助环形大角度部分相干照明抑制了相干噪声，实现了成像对比度与系统稳定性的同步增强。

图1 HFST结构示意图。

在生物医学成像验证中，HFST 展现出超越传统成像手段的强大性能，实现多项突破性观测。团队将HFST与宽场荧光成像结合，构建了荧光辅助HFST双模态成像系统，在活体COS7细胞成像中发现，传统荧光标记存在明显 “漏标” 与信息缺失问题，部分丝状结构、脂滴及环状线粒体无法被荧光通道有效识别，而HFST可完整呈现细胞内所有结构的三维信息。因此，双模态联用能够提供更全面、准确的细胞结构识别结果，如图2所示。在固定COS7细胞的三维成像实验中，HFST实现了62×62×10 μm³大体积、高分辨折射率重建，清晰分辨出线粒体、脂滴及细胞核内核仁等关键亚细胞器，首次在细胞中用无标记成像技术清晰呈现出核仁内低折射率区域的三维结构分布，为核仁应激等重要生命过程研究提供前所未有的直观观测手段，如图3所示。

更为重要的是，HFST技术为高原医学研究提供了定制化、非侵入式的全新研究工具。高原环境会显著扰动细胞代谢状态、线粒体功能与脂滴动态平衡，是高原病发生发展的核心细胞机制。HFST可在无标记、无损伤、长时程成像条件下，对高原低氧暴露及药物干预过程中的细胞器进行三维形态与折射率变化追踪，直接定量评估线粒体、脂滴、核仁等关键结构的响应与重塑，为解析高原低氧应激损伤机制、筛选高原病防护药物、评价干预疗效提供高精度、可视化、定量化的三维成像支撑，推动高原医学研究从传统二维观测、静态分析迈向三维动态、原位实时解析的新阶段，拓展了高原医学研究的技术边界与观测维度。

图2 活体COS7 细胞HFST/荧光双模态成像。

图3 固定COS7 细胞三维折射率成像。

文章第一作者马英老师为青海大学医学院高原医学研究中心学科带头人，长期致力于先进光学显微技术研发及其在高原医学中的应用研究，累计发表学术论文 50 篇，授权发明专利 26 项，独著学术专著 1 部，带领团队持续推动光学技术与高原医学交叉创新，多项成果处于国内领先、国际先进水平。此次HFST技术的成功研发与发表，不仅是无标记三维光学成像领域的重要范式创新，也彰显了青海大学在高原医学与交叉学科研究方面的持续突破与国际影响力，为生物医学基础研究、高原病防控转化研究注入强劲动能，相关成果未来有望在细胞生物学、肿瘤研究、新药研发等领域实现广泛应用。

论文核心信息

标题：High-frequency scattering tomography (HFST)

作者：Ying Ma; Shengting Ma; Yulian Han; Taiqiang Dai ; Xin Liu; Liang Kong; Feng Tang*

期刊：APL Photonics（二区 TOP，Featured Article）

发表信息：11(5): 056106 (2026).

DOI/链接：https://doi.org/10.1063/5.0325258

第一单位：青海大学医学院高原医学研究中心