探索微观世界的奥秘是人类长久以来前赴后继的永恒追求。从分子相互作用到细胞动态变化，从组织结构到复杂生命过程，许多重要的生物医学问题，都始于一次更清晰、更快速、更准确的“看见”。早在四百多年前，人类就已经通过光学手段观察肉眼所不能分辨的微小物体。1662年，英国物理学家罗伯特·胡克通过自制显微镜在人类历史上第一次成功观测到细胞，并使用“Cellua”（“细胞”英文单词“Cell”的由来）命名。1676年，被后人称为“显微镜之父”的安东尼·范·列文虎克通过自制的300倍放大率的光学显微镜首次观测到活体细菌，由此开创了人类对微观生命世界的观察和研究，为后续的生物医学成像技术开启了一个新的时代。
生物医学成像为细胞生物学、医学诊断、药物研发、病理研究等关键应用领域打开新窗口
1873年，德国物理学家恩斯特·阿贝（Ernst Karl Abbe，1840—1905年）提出了光学成像系统的衍射极限理论，指出光学显微镜的分辨率极限大约是可见光波长的一半（约200 nm），这被称为“阿贝极限”。该问题困扰着科学家长达一个世纪之久，使得无法对亚细胞结构进行高分辨成像。幸运的是，21世纪初荧光超分辨成像技术的出现绕开了百余年来似乎一直被认为是无法突破的阿贝衍射极限，在纳米尺度至单分子水平可视化生物分子，成为生命科学研究中不可或缺的重要工具。2014年，诺贝尔化学奖授予Eric Betzig，Stefan W. Hell和William E. Moerner三位科学家，以表彰他们对荧光超分辨显微成像技术的重大贡献，再一次展现了生物医学成像在人类发展历程中以及未来发展方向上的重要地位。如今，光学显微镜已成为许多基础研究和工程应用中的重要工具，广泛应用于生命科学、生物学、物理学、化学、材料科学、医学等众多学科领域，并为这些学科乃至全人类的发展做出了不可磨灭的卓越贡献，可谓是科学史上一项伟大的发明。
荧光超分辨技术打破阿贝衍射极限，获得诺贝尔化学奖。(a) 受激发射损耗显微术的原理示意图；(b) 单分子定位显微术的原理示意图；(c) 结构光照明显微术的原理示意图。
如果说荧光超分辨显微成像主要解决的是如何在细胞和亚细胞尺度上“看得更清”，那么面向组织与临床诊断的智能光学病理，则进一步关注如何在尽可能少损伤、少处理样本的条件下“看得更多、看得更快，并看懂疾病”。传统组织病理以组织制备、H&E染色、特殊染色、免疫组织化学和分子标记为核心，建立了成熟的临床诊断语言，但仍面临样本处理时间较长、组织消耗、染色批次差异、二维切片信息损失、冰冻伪影、术中等待以及有限样本难以反复检测等问题。因而，如何在保留传统病理金标准优势的同时，以无损、少损、快速和原位的方式获取可重复的组织信息，正在成为生物医学成像与数字病理交叉领域的重要发展方向。
由此，现代生物医学成像所面对的前沿问题，已不再局限于单一空间分辨率指标的提升，而是需要在细胞尺度和组织尺度实现彼此关联的双重突破：在细胞和亚细胞尺度，需要突破衍射极限，在尽可能降低光损伤的同时，实现高分辨、高灵敏和高速动态成像；在组织与疾病尺度，则需要突破单一明场强度或染色图像的信息边界，快速、无损地获取相位、折射率、散射、偏振和光谱等高维本征信息，并将其转化为具有组织学解释和临床价值的定量结果。前者强调对生命微观结构与动态过程的精细观测，后者强调对组织病变、疾病表型和诊断依据的多维解析，共同推动生物医学成像从“获得更清晰的图像”进一步走向“获得更丰富、更准确和更可解释的生命与疾病信息”。
然而，现如今的光学显微成像技术仍受到空间分辨率、时间分辨率、成像深度、视场、信噪比、光损伤、信息维度和成像通量等因素的相互制约。如何在尽可能少地扰动生命样本和病理组织的前提下，获得高分辨、高灵敏、多维度、动态化和定量化的成像信息，已经成为现代生物医学成像领域的重要前沿课题。与此同时，全球高端光学显微镜市场长期受德日“四大家”垄断，核心器件与关键技术的封锁使我国高端光学仪器的发展受到发达国家的严重制约。因此，我们开展先进计算光学生物医学成像研究，将光学、信息科学、计算机科学、人工智能与生命医学深度交叉，通过光学系统设计、照明与成像调控、计算成像、物理反演和智能重建的协同创新，突破传统成像方法的能力边界，推动生命科学研究从“观察描述”走向“定量解析”，推动病理诊断从单一染色图像观察拓展到高维本征信息驱动的智能分析，为解决我国高端光学仪器领域的“卡脖子”难题提供理论、技术与仪器支撑。
上述研究体系由不同研究小组共同支撑。学生可根据研究兴趣，在成像物理、算法设计、系统搭建、仪器研制、数据分析和应用验证等环节开展科研与工程实践。先进生物医学成像方向共有2个小组，分别为结构光照明显微成像组（SIM小组）和多维先进病理成像组（MAP小组）。其中，SIM小组聚焦荧光超分辨成像与活细胞动态观测，重点研究结构光调控、超分辨图像重建、伪影抑制、低光毒高速成像以及细胞与亚细胞结构的定量分析；MAP小组则面向真实病理与临床场景，聚焦组织本征对比度成像、物理量反演、多模态病理数据融合、病例级人工智能和快速无损诊断。两个小组分别从细胞生命过程和组织疾病表型两个层面拓展光学成像的能力边界，并在成像理论、光学系统、计算重建、人工智能和生物医学应用等方面相互协同，共同探索“光如何记录生命与疾病，计算如何解析生物与病理信息”。
01 结构光照明显微成像组
Structured illumination microscopy (SIM)
在显微镜下，许多细胞器和亚细胞结构的尺度已经接近甚至超越传统光学显微镜的分辨极限。结构光照明显微成像SIM技术通过使用具有特定空间规律的结构光照明样本，将原本难以直接获取的高频信息编码到显微系统能够探测的频率范围，再利用计算方法完成频谱分离、融合与重建，从而实现超分辨成像。相较于部分依赖强光照或复杂样品制备的超分辨技术，结构光照明显微成像兼具较高的成像速度、良好的样品适用性和活细胞动态观测潜力，是连接高分辨成像与生命科学应用的重要技术方向。该小组围绕“看得更清、看得更快、看得更准”，重点探索新型结构光调控与显微成像系统设计，超分辨图像重建、伪影抑制与质量评价，低光毒、高速活细胞动态显微成像，面向细胞与亚细胞结构研究的成像应用，人工智能与物理模型驱动的智能重建方法等。我们的目标不仅是获得一幅“更清晰”的图像，更希望提升成像结果的真实性、稳定性和可解释性，使其能够为生命过程研究提供可靠的定量依据。
小组页面：
https://www.scilaboratory.com/SIM.html
02 多维先进病理成像组
Multidimensional Advanced Pathology (MAP)
病理诊断不仅需要“看得更清楚”，还需要获得与疾病分型、分级、术中切缘和预后判断相关、可验证且可追溯的组织信息。该小组面向未染色切片、冰冻切片、新鲜组织、厚组织和术中切缘等真实病理场景，以组织与光相互作用产生的相位与折射率、吸收、散射、偏振与双折射、自发荧光、频谱、相干及时间响应为信息载体，研发快速、无损、定量的光学病理成像方法，构建同一组织的高维本征对比度病理数据立方，并在光学扫描后保留样本继续进行H&E、特殊染色、免疫组化或分子检测。研究将结合相空间、部分相干、矢量散射和三维层析理论，提取细胞核、腺体、胶原、血管、代谢状态及三维组织结构等可解释的定量表型；通过同一组织与H&E、免疫组化、病理报告及必要组学的严格配准和验证，发展面向病理分型、分级、切缘判断、风险预测和不确定性输出的可信人工智能方法。
小组页面：
https://www.scilaboratory.com/LFM.html
科技创新与产业孵化
围绕重大疾病早期诊断及复杂生命过程解析的核心需求，聚焦活体亚细胞结构在动态环境下的高分辨成像难题，在基金委重大仪器等项目的支持下，开展对先进生物医学成像方法与仪器的研究工作。建立了结构光照明显微成像的相量模型表征理论，阐明了多源误差对照明参数估计与频谱重建精度的耦合影响规律，提出了基于主成分分析的结构光照明超分辨显微成像方法，研制出活细胞实时超分辨显微成像仪器，服务于生命科学等领域，为探究活体亚细胞结构及其相互作用提供了高效、鲁棒的观测手段。相关工作在eLight、Light Sci. Appl.、PhotoniX、Adv. Sci.、Laser Photonics Rev.、ACS Photonics等期刊发表SCI论文20余篇，包括6篇封面论文，3篇ESI高被引论文，Google Scholar引用3000余次。2023年，主成分分析结构光照明显微方法（eLight 3, 4, 2023）发表三年被引140次，在2023年至今eLight上发表的65篇研究论文中引用次数排名第一，入选中国光学十大社会影响力事件。研究成果受Bioengineer.org、Science Magazine、美国光学学会、美国物理联合会、中国光学等国内外媒体的亮点报道，得到欧洲科学院院士Sergey Ablameyko教授、瑞士工程科学院院士Michael Unser教授、结构光照明显微术开创者之一Rainer Heintzmann教授等院士、国际学会Fellow的多次引用与正面评价，相关理论与方法为生物医学成像与生命科学研究中的复杂动态过程解析提供了重要理论基础与技术支撑。
在仪器研发与产业化方面，依托依托南京理工大学智能计算成像实验室完整的计算光学研究平台完整的计算光学研究平台，围绕成像物理、核心器件、智能算法和仪器系统持续攻关，形成了从基础研究到工程验证、再到产业转化的完整链条。研制出非干涉活细胞三维层析超分辨显微镜（SC3000-Plus），实现了对活体亚细胞结构的超两倍衍射极限分辨率（横向分辨率优于100 nm）、重建帧率优于30 Hz的实时、高质量超分辨显微成像。成果服务于“细胞科学2035”、“健康中国2030”、“重大新药创制”等国家重大工程，应用于清华大学、西湖大学等高校科研团队，支撑多项原创生物学发现；相关技术实现了活细胞纳米尺度动态过程的高分辨观测：揭示了迁移体形成后的快速回缩及消退规律，解析了细胞间物质传递与通讯机制；实现了多糖合成关键酶的亚细胞动态追踪，揭示了酶空间富集与合成效率之间的调控关系。相关成果入选吉林省学术期刊促进社会经济发展成果转化成效案例（原始创新突破案例）。
研制出活细胞实时超分辨显微成像系统，服务于生命科学领域
欢迎加入SCILab，在前沿研究中探索未来！
先进生物医学成像不仅是观察生命的工具，也正在成为理解生命机制、发现疾病规律和推动精准诊疗的重要技术基础。在这里，一束经过精确调控的光、一个新的成像模型、一套更可靠的重建算法，都可能帮助研究者看到过去难以观察的结构与过程。
如果你希望探索光学与生命科学的交叉前沿，希望亲手搭建显微成像系统、开发计算成像算法，并让自己的研究回应真实的生命健康需求，无论你来自光学工程、物理学、电子信息、仪器科学、计算机科学、人工智能、生物医学工程，还是生命科学等相关专业，只要你对“光如何记录生命、计算如何解析生命”充满兴趣，都欢迎关注并加入我们。
让我们以光探索微观世界，以计算解析生命信息，共同拓展生物医学成像的未来边界。
