汪立宏：提速400倍的光声成像显微镜

原创 长光所Light中心 中国光学

撰稿 | 琦玉 博士生（北京航空航天大学）

01

导读

光声显微镜利用其独特的光学吸收对比机制，在过去十余年间已经发展成为一种重要的显微成像工具。光声显微镜已被证明是一种可以利用内源或外源性造影剂进行结构、功能和分子成像的重要的生物医学工具。例如：利用血红蛋白作为内源性吸收体，光声显微镜已被广泛应用于多种生物医学成像领域，包括血流灌注、氧合成像、肿瘤成像，和脑成像等。但是该技术一直受限于较为复杂的结构设计，从而导致较低的成像速率。

近日，加州理工学院的汪立宏团队开发出一种二维多聚焦光声显微镜（2D MFOR-PAM），大大简化了传统光声显微镜（OR-APM）的结构设计，并成功将成像速率提升400倍。该文章发表在 Light: Science & Applications 。Yang Li为第一作者，Lihong V. Wang为通讯作者。

图源：Yang Li, Terence T. W. Wong, Junhui Shi, Hsun-Chia Hsu, and Lihong V. Wang.

02

研究背景

光学显微镜为当代生命科学的研究和发展提供了重要的研究工具。但是，生物组织是一种强散射介质，利用光学显微镜观察较厚生物组织的内部结构时会面临巨大挑战。由于生物组织对超声的散射效应比对光子的散射弱2~3个数量级，因此超声成像可以实现深层生物组织的高分辨率成像，但其成像对比度较光学成像差。通过结合二者的优点，光声显微镜通过声学检测可以反映生物组织的光学吸收特性，可在一定程度上克服纯光学显微成像和纯超声成像的局限性，实现对生物组织的高分辨率、高对比度成像。

光声成像所依据的物理基础是1880年Bell发现的光声效应，当生物组织受到脉冲激光辐照后，组织内的吸收体会瞬间吸收激光能量，受热膨胀，产生超声波；利用超声传感器接收超声信号，通过信号和图像处理就可以重建组织内的吸收体分布。根据成像系统中光束焦斑与声束焦斑的相对大小,可将光声显微成像分为光学分辨率光声显微成像技术(OR-PAM)和声学分辨率光声显微成像技术(AR-PAM)。

迄今为止，大多数OR-PAM系统依靠光激发和超声检测的机械扫描，因此激光扫描的速率限制了这些系统的成像速度。为了解决这一限制，人们开发出具有多焦点扫描的光声体系（MFOR-PAM）。但是由于传统的MFOR-PAM体系利用了大量的超声波阵列和相关的多通道数据采集系统，因此该体系既复杂又昂贵。

03

创新研究

该光学体系的结构示意图如图1所示，其中研究人员通过利用2D微透镜阵列进行激光聚焦激发，和声学遍历继电器进行超声检测。2D微透镜阵列可以将一束激光分解为一组平行的激光阵列。由于激光阵列是已知的，每个光学焦点在视野中都是可以精确定位的。利用这些光学焦点来校准超声成像的图谱，可以将系统在声学上定义的图像分辨率提高到光学定义的图像分辨率。另外，由于采用光学阵列进行光激发，成像速率也随着激光阵列的密度而成倍提升。

图1. MFOR-PAMER系统的示意图。在通过微透镜阵列聚焦之前，对532 nm脉冲激光束进行空间滤波和扩展，然后将微透镜阵列的聚焦激光阵列投射到成像对象上。利用超声检测器来检测编码的超声信号。

图片来源：Light Sci Appl 9, 135 (2020).(Fig.1）

研究者对该2D MFOR-PAM体系的体外成像性能进行了测试，如图2所示，研究者通过对叶片脉络进行成像展示了该技术的操作性能。

图2. 叶片脉络的体外成像测试图。（a）激光阵列图；（b）未进行校准的声学分辨率成像图（AR-PAM）；（c）校准后的光学分辨率成像图（2D MFOR-PAM）。

图片来源：Light Sci Appl 9, 135 (2020).(Fig.4）

另外，研究者还对小鼠耳朵中的血管网络进行了成像测试，结构表明该技术可以将传统光声成像体系的分辨率，从220 μm提升至13 μm。

图3. 小鼠耳朵中的血管系统的体内成像测试图。（a）声学分辨率成像图（AR-PAM）；（b）光学分辨率成像图（2D MFOR-PAM）。

图片来源：Light Sci Appl 9, 135 (2020).(Fig.5）

04

应用与展望

该MFOR-PAMER系统在许多生物医学应用领域中都有广阔的发展潜力，例如利用紫外线（UV）进行生物组织的高速、无标记的组织研究。这种光声成像体系可以将成像时间从几个小时（使用传统的UV OR-PAM系统）减少到不到一分钟，从而大大提高了临床组织学和诊断的效率。

文章信息：

Li, Y., Wong, T.T.W., Shi, J. et al. Multifocal photoacoustic microscopy using a single-element ultrasonic transducer through an ergodic relay. Light Sci Appl 9, 135 (2020)

论文地址：

https://doi.org/10.1038/s41377-020-00372-x

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原标题：《汪立宏：提速400倍的光声成像显微镜》

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