研究进展：面向先进生物医学应用的光声显微成像术

传统的生物医学成像技术，如正电子发射断层扫描（PET）、功能性磁共振成像（fMRI）、共焦显微镜和超声成像等，在各自的应用领域都取得了一定的成果。PET和fMRI虽然能够深入探测生物组织，但它们的空间和时间分辨率较低，就像透过一层模糊的滤镜观察物体，难以清晰地分辨出微小的结构和快速的生理变化。共焦显微镜和多光子显微镜等光学成像技术在高分辨率成像方面表现出色，然而，当面对厚生物组织时，光线在组织中的散射严重限制了其穿透深度，仿佛一道无形的屏障，阻止了我们深入窥探组织内部的奥秘。超声成像技术虽然具有较大的穿透深度和较高的分辨率，但其灵敏度和对比度不足，使得图像中的细节难以清晰呈现，如同在昏暗的灯光下寻找细微的线索，困难重重。

光声成像（PAI）技术的出现，宛如一道曙光，为解决这些难题带来了新的希望。PAI巧妙地将光能转化为热能，进而产生光声信号，再通过超声传感器捕获这些信号并重建图像。光声显微成像（PAM）作为PAI的重要分支，更是凭借其从亚微米到亚毫米级的超高空间分辨率以及数毫米的成像深度，脱颖而出。它宛如一位微观世界的探险家，能够在生物组织的微观结构中穿梭自如，为我们揭示细胞和亚细胞层面的精细结构，以及组织内部的代谢、功能、分子对比及力学等丰富信息。

光声显微成像术基于光声效应，当激光脉冲照射生物组织，组织内分子吸收光能转化为热能，引发热弹性膨胀产生压力波（即光声波），超声传感器捕获这些信号后经计算机处理重建图像。PAM成像系统结构多样，根据焦点类型分为光学焦点PAM（OR-PAM）和声学焦点PAM（AR-PAM）。OR-PAM横向分辨率高（可达微米级甚至亚微米级），但成像深度较浅（1-2mm）；AR-PAM成像深度大（可达数毫米），横向分辨率相对较低，其分辨率取决于超声换能器参数。常见实现方式包括透射式、反射式光声成像及基于暗场照明的光声成像，OR-PAM适用于较薄生物样品成像（透射式）或体内成像（反射式），AR-PAM通常采用暗场照明以增大成像深度。

一、光学增强

1.光束整形

◆ 超透镜

由负折射率材料制成，可突破传统光学衍射极限。如汽水罐构成的结构验证了负折射率声学超透镜概念，其光斑宽度和分辨率相比衍射极限有显著提升，在医学超声等领域具应用潜力。

◆ 贝塞尔光束

以非衍射特性扩展焦深，反射式贝塞尔光束光声显微系统可解析体内单个毛细血管，但存在旁瓣问题。全光学光声显微系统利用双贝塞尔光束克服旁瓣影响，提高检测灵敏度和深度分辨能力，在活体成像中有应用前景。

反射式可切换亚波长贝塞尔光束光声显微系统和高斯光束光声显微系统及贝塞尔光束参数的模拟与实验结果

◆ 变焦透镜

焦距可调节，如电动可变焦透镜与光声显微系统结合，实现快速聚焦扫描和大范围连续调焦，提高成像质量和效率，但存在成本高、制造校准复杂等问题。

2.光学波前整形（SLM/DMD）

通过空间光调制器（SLM）或数字微镜器件（DMD）调控光波前，克服散射介质影响。其原理是利用反馈信号调整入射光波前相位或振幅，实现光在目标位置重新聚焦。光声引导的波前整形技术利用光声信号作为反馈，具有无创性和非侵入性，可提升成像信噪比、分辨率和穿透深度。

波前整形的原理

二、声学增强

1.高效声学探测

◆ 法布里-珀罗传感器

基于干涉原理检测光声信号，如全光学微超声传感器、双光子三维光刻机加工的传感器及透明封装的光学微光纤超声传感器等，灵敏度高，可用于多尺度光声成像。

法布里-珀罗干涉仪（FPI）的具体示意图和成像效果

◆ 压电式超声换能器

利用压电效应，如线性压电微机械超声换能器阵列、无铅复合材料超声换能器及紧凑型压电微机械超声换能器阵列等，在组织模型光声成像等方面有应用，双压电晶片换能器可提高皮肤镜检测灵敏度和成像深度。

双压电晶片换能器的成像效果

◆ 微型环形谐振器

基于光的共振现象，如硅平台上的微环谐振器超声传感器、狭缝聚二甲基硅氧烷聚合物微环超声传感器及一次性超声传感慢性颅窗等，具有高灵敏度、宽带宽等优点，可实现高分辨率超声成像和光声层析成像。

微型环形谐振器的示意图以及成像结果

◆ 电容式微机械超声换能器（CMUT）

具有宽带宽和高接收灵敏度，如透明CMUT线性阵列、无传输模式的电容微机械超声换能器单次发射近场体积成像系统等，为光学超声和光声成像带来新可能。

2.合成孔径算法

如创新的SAFT、自适应干涉校正合成孔径聚焦技术（IntC-SAFT）、二维SAFT结合三维反卷积（SAFT+反卷积）及改进算法（FA-SAFT和D-MB的反卷积）等，可改善成像性能，提高图像分辨率、信噪比和保真度。

合成孔径算法和其他方法比较的效果

三、人工智能增强

1.提升成像速度

深度学习应用于稀疏采样反演，如使用ResNet、深度图像先验（DIP）及基于多任务残差密集网络的方法等，可提高成像速度、降低数据采集难度和成本，同时保持图像质量。

2.提升分辨率及深度

神经网络可从稀疏信息中重建稠密图像，提升OR-PAM和AR-PAM成像分辨率和深度，如基于深度神经的网络（DNN）、基于神经网络的光学分辨率光声显微在体三维微血管成像和分割方法（HM3DCE-Net）、基于深度学习生成对抗网络（GAN）的方法及结合基于模型和基于学习方法的补充框架等。

三维微血管成像系统、分割方法及成像效果

WGAN的小鼠耳血管测试结果及基于深度CNN先验的自适应增强方法的测试结果

3.提升信噪比

注意力增强的GAN可去除PAM图像噪声，基于光声皮肤镜（PAD）的四维光谱空间成像计算方法可提高成像质量，已有开源共享的光声数据集用于深度学习研究。

网络结构和去噪效果

四、光学与声学互补

声学分辨率和光学分辨率相互弥补，可切换声学分辨率和光学分辨率的光声显微镜（AR-OR-PAM）及光声皮肤镜（S-OR-ARPAD）等系统可在同一样品上实现不同分辨率成像，结合微电子机械系统（MEMS）扫描仪的高速、广域扫描集成OR-AR-PAM系统可同时采集不同深度图像，有利于提升深层组织的高分辨率。

不同系统的光路和对应的成像结果

一、光声结构显微成像

可揭示生物组织微观结构，如对小鼠耳朵微血管成像、肿瘤微血管成像、皮肤结构成像及单个红细胞和黑色素瘤细胞成像等，多波长频域光声显微镜（FDOM）可降低成像成本。

微血管检测成像

PAM在皮肤结构、疾病和细胞水平的应用

二、光声功能显微成像

◆ 癌症研究

用于早期癌症诊断、肿瘤血流动力学研究和肿瘤治疗监测，揭示肿瘤血供、氧合水平和生长动态，帮助制定个性化治疗策略，还可识别和定位肿瘤标志物，监测癌症治疗效果。

PAM在肿瘤研究中的应用

◆ 心脑血管医学

为血管狭窄、动脉瘤、心脏瓣膜病变等诊断和监测提供解决方案，可描绘血管内壁变化、评估心脏瓣膜功能、监测心脑功能及脑血流和氧合状态，有助于早期识别和预测疾病风险。

PAM在细胞和组织中的应用

◆ 神经科学

能提供快速、高空间分辨率的神经活动映射，用于研究脑网络协同工作，在神经退行性疾病研究中具有潜力，可早期捕捉脑血流异常，定位受损区域并监测恢复进程。

PAM在脑血管医学中的应用

PAM技术在光学、声学、人工智能增强及光学与声学互补方面取得显著进展，成像性能不断提升，在生物医学多个领域广泛应用。未来，PAM有望在光学增强方面进一步突破，如开发高速自适应光声显微镜解决OR-PAM景深问题，随着光子工学和数字光处理技术发展，实现更精密光波整形以提高成像分辨率；声学增强方面，创新高效声学超敏感探测器将提升声学分辨率，不同物理原理成像模式结合可增强检测能力；多模态融合方面，PAM与PACT等成像技术结合实现多模态成像，提供更丰富生物信息，优化系统结构可提高成像速度、灵敏度，降低成本和复杂度；在心血管疾病研究、药物监测、癌症研究、基因表达研究、神经科学及疾病传感和早期诊断等领域具有巨大潜力，有望成为疾病预防和干预的重要手段。随着技术不断发展，PAM将为生物医学研究和临床应用带来更多突破。

声明：本文仅用作学术目的。文章来源于：马海钢, 吴家辉, 朱亚辉, 魏翔, 于音什, 任世利, 陈钱, 左超. 面向先进生物医学应用的光声显微成像术（特邀）[J]. 激光与光电子学进展, 2024, 61(6): 0618006.