ISSN 1004-9037 CODEN SCYCE4 http://sjcj.nuaa.edu. Journal of Data Acquisition and Processing Vol 34. No 5, Sep. 2019.Pp. 771-788 DOI:10.16337/j.1004-9037.2019.05 86-025-84892742 @2019 by Journal of Data Acquisition and Processing 光声显微成像技术的研究进展 张建辉1陈宁波12王柏权12刘成波2龚小竞2 (1.广州大学机械与电气工程学院,广州,510006;2.中国科学院深圳先进技术研究院生物医学光学与分子影像研 究室,深圳,518055) 摘要:光声成像作为一种兼具高光学对比度和大超声探测深度的新兴成像方法,突破了传统光学成 像技术分辨率与成像深度相互制约的壁垒,获得了空前快速的发展,其中,光声显微成像技术继承了光 声成像技术的优点,采用声学或光学聚焦的成像模式,可以实现高对比度、高分辨率的生物组织结构、 分子与功能成像,在神经学、眼科、血管生物学和皮肤学等研究领域具有潜在应用价值。为此,首先介 绍了光声成像技术的原理和分类,然后围绕光声显微成像( Photoacoustic microscopy,PAM)技术这 主题,重点综述了新型PAM技术的发展情况、PAM焦深( Depth of focus,DoF)延拓技术以及PAM的 生物医学应用。最后,总结了PAM技术发展存在的挑战,并对未来发展方向进行了展望 关键词:医用光学;光声成像;光声显微成像;生物医学 中图分类号:Q631 文献标志码:A Advances in Photoacoustic Microscopy Technique Zhang Jianhui, Chen Ningbo 2, Wang Boquan.2, Liu Chengbo2, Gong Xiaojing (1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Guangzhou University, Guangzhou, 510006, China; 2. Research Laboratory for Biomedical Optics and Molecular Imaging, Shenzhen Institutes of Advanced Technology. Chinese Academy of Sciences, Shenzher 518055. China) Abstract: Photoacoustic imaging, as a new imaging technique with high optical contrast and great ultrasonic detection depth, is a breakthrough of the barriers that the resolution and imaging depth of the traditional optical imaging technique are mutually restricted. It has obtained the unprecedented rapi development. In addition, photoacoustic microscopy inherits the advantages of the photoacoustic imaging technology, and has realized high-contrast and high-resolution biological structure ecular and functional imaging by using acoustic or optical focusing imaging mode, and it has potential application value urology, ophthalmology, vascular biology and dermatology. Here, the principle and classification of photoacoustic imaging technology are firstly presented. Then, focusing on the theme of photoacoustic microscopy, we review its novel scanning methods, focal depth extension techniques and biomedical applications in depth. Finally, the challenges of the development of photoacoustic microscopy are summarized, and the future development direction is also prospected Key words: medical optics; photoacoustic imaging: photoacoustic microscopy(PAM); biomedicine 基金项目:深圳市基础研究(学科布局JCYJ20160608214524052)资助项目;深圳市工程实验室资助项目 收稿日期:2019-02-26;修订日期:201906-13
ISSN 1004‐9037，CODEN SCYCE4 Journal of Data Acquisition and Processing Vol. 34，No. 5，Sep. 2019，pp. 771-788 DOI：10. 16337/j. 1004‐9037. 2019. 05. 002 Ⓒ 2019 by Journal of Data Acquisition and Processing http：// sjcj. nuaa. edu. cn E‐mail：sjcj @ nuaa. edu. cn Tel/Fax：+86‐025‐84892742 光声显微成像技术的研究进展 张建辉 1 陈宁波 1,2 王柏权 1,2 刘成波 2 龚小竞 2 （1. 广州大学机械与电气工程学院，广州，510006；2. 中国科学院深圳先进技术研究院生物医学光学与分子影像研 究室，深圳，518055） 摘 要：光声成像作为一种兼具高光学对比度和大超声探测深度的新兴成像方法，突破了传统光学成 像技术分辨率与成像深度相互制约的壁垒，获得了空前快速的发展，其中，光声显微成像技术继承了光 声成像技术的优点，采用声学或光学聚焦的成像模式，可以实现高对比度、高分辨率的生物组织结构、 分子与功能成像，在神经学、眼科、血管生物学和皮肤学等研究领域具有潜在应用价值。为此，首先介 绍了光声成像技术的原理和分类，然后围绕光声显微成像（Photoacoustic microscopy，PAM）技术这一 主题，重点综述了新型 PAM 技术的发展情况、PAM 焦深（Depth of focus，DoF）延拓技术以及 PAM 的 生物医学应用。最后，总结了 PAM 技术发展存在的挑战，并对未来发展方向进行了展望。 关键词：医用光学；光声成像；光声显微成像；生物医学 中图分类号：Q631 文献标志码：A Advances in Photoacoustic Microscopy Technique Zhang Jianhui1 ，Chen Ningbo1,2 ，Wang Boquan1,2 ，Liu Chengbo2 ，Gong Xiaojing2 (1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Guangzhou University, Guangzhou, 510006, China; 2. Research Laboratory for Biomedical Optics and Molecular Imaging, Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen, 518055, China) Abstract：Photoacoustic imaging，as a new imaging technique with high optical contrast and great ultrasonic detection depth，is a breakthrough of the barriers that the resolution and imaging depth of the traditional optical imaging technique are mutually restricted. It has obtained the unprecedented rapid development. In addition，photoacoustic microscopy inherits the advantages of the photoacoustic imaging technology， and has realized high‐contrast and high‐resolution biological structure， molecular and functional imaging by using acoustic or optical focusing imaging mode，and it has potential application value in neurology，ophthalmology，vascular biology and dermatology. Here，the principle and classification of photoacoustic imaging technology are firstly presented. Then，focusing on the theme of photoacoustic microscopy，we review its novel scanning methods，focal depth extension techniques and biomedical applications in depth. Finally， the challenges of the development of photoacoustic microscopy are summarized，and the future development direction is also prospected. Key words: medical optics; photoacoustic imaging; photoacoustic microscopy (PAM); biomedicine 基金项目：深圳市基础研究(学科布局)(JCYJ20160608214524052)资助项目；深圳市工程实验室资助项目。 收稿日期：2019‐02‐26；修订日期：2019‐06‐13
772 数据采集与处理 Journal of Data Acquisition and Processing Vol.34,No.5.2019 引言 早在1880年,Be就发现了光声转换现象,并在给美国科学进展协会的报告中将这种物理现象称 为“光声效应”,即光吸收体吸收经调制的光或脉冲光后,进行光热转换,热弹性效应使吸收体介质周期 性的胀缩从而产生超声波。然而,直到20世纪90年代,随着固体光声理论的完善,在激光、计算机和超 声探测等技术的推动下,光声效应在散射介质和生物组织中应用取得重大突破,光声成像( Photoacous tic imaging,PAI)才被正式提出,在过去20余年间获得空前快速的发展,并正在成为生命科学研究和临 床医学应用中的新型生物医学影像技术之一。光声成像主要包括以下过程:纳秒激光脉冲照射生物组 织一组织中光吸收体吸收光能量一组织热膨胀一周期性的振动产生超声波一宽带超声换能器探测超 声波一根据探测的信号完成图像重建。 目前,国内外针对光声成像技术开展的研究正处于快速发展阶段,主要分为以下3个方向:光声显 微成像( Photoacoustic microscopy,PAM)、光声计算层析成像( Photoacoustic computed tomography, PACT)、光声内窥成像( Photoacoustic endoscopy,PAE),每个研究方向又衍生出不同的研究分支2 其中,PAM可实现亚微米至亚毫米级的空间分辨率,成像深度达百微米至数毫米,和依赖于重建算法的 PACT相比,PAM仅依靠逐点光栅扫描的方式来获取光声信号,无需复杂算法即可完成图像重建,且 PAM能够实现活体结构、分子与功能的多参量高分辨成像,故成为当前生物医学成像领域的研究热 点。本文首先按不同的结构形式对PAM技术进行了分类,并回顾其发展起源;其次,重点阐述了新型 PAM技术的研究进展,主要包括PAM的新型扫描方法和手持式PAM设备的研究进展;再次,针对 PAM技术焦深( Depth of focus,DoF)受限的问题,分析了PAM的DoF延拓的新技术;然后,从多角度 展示了PAM技术的生物医学应用研究;最后,总结了PAM技术发展面临的挑战,并展望了PAM技术 未来的发展方向 1PAM技术的分类及其起源 PAM是一种聚焦型扫描成像技术,根据激发光和超声探测聚焦方式的不同,可以分为光学分辨率 PAM( Optical- resolution Pam,OR-PAM)和声学分辨率PAM( Acoustic-resolution pam,AR-PAM), 者聚焦方式如图1所示,其中, OR-PAM的光学聚焦比声学聚焦更加紧密,光学焦点比声探测焦点 小,如图1(a)所示,其横向分辨率取决于光学焦点的大小,可以达到从百纳米到数微米的亚细胞或细胞 尺度,但是受光在生物组织中的散射限制,活体成像深度1~2mm。在超过光学扩散极限的几毫米甚至 几十毫米深的组织处,AR-PAM则可以利用超声的低散射特性,采用更加紧密的声学聚焦方式,实现从 几十微米到几百微米的横向分辨率,此时,横向分辨率取决于超声焦点的大小,如图1(b)所示 目前,常见的PAM实现形式如图2所示,为了最大化成像系统的探测灵敏度,通常将激发光和超声 探测共轴共焦设置同。图2(a,b)分别为典型的透射式和反射式 OR-PAM,透射式 OR-PAM利用较高 数值孔径( Numerical aperture,NA)的物镜将激光光斑聚焦到衍射极限,可以实现亚微米级分辨率,但 是,值得注意的是其工作距离也会随着物镜NA增大而减小,如聚焦物镜NA为1.2时,工作距离仅有约 200μm,且聚焦物镜和超声换能器置于样本两侧的结构形式,使其只能对厚度较薄的样品成像,而反射 式OR-PAM使用光声耦合棱镜将换能器和光聚焦物镜配置在同侧来实现光声共轴共焦,利用稍低NA 的物镜进行光学聚焦可延长其工作距离,分辨率仍能到微米级,应用范围更加灵活。图2(c)为暗场照 明的AR-PAM,激光透过锥透镜后呈环形,经过聚光镜反射后在样本表面弱聚焦,高频超声换能器进行 更紧密的声学聚焦,该结构形式可提高显微成像的深度 2005年,美国圣路易斯华盛顿大学的Wang教授课题组利用暗场激光照明和高频超声探测设计 了最早的光声显微镜,该系统实现了小鼠皮下血管的无创成像,横向分辨率达到45m,成像深度大于
数据采集与处理 Journal of Data Acquisition and Processing Vol. 34, No. 5, 2019 引 言 早在 1880 年，Bell[1] 就发现了光声转换现象，并在给美国科学进展协会的报告中将这种物理现象称 为“光声效应”，即光吸收体吸收经调制的光或脉冲光后，进行光热转换，热弹性效应使吸收体介质周期 性的胀缩从而产生超声波。然而，直到 20 世纪 90 年代，随着固体光声理论的完善，在激光、计算机和超 声探测等技术的推动下，光声效应在散射介质和生物组织中应用取得重大突破，光声成像（Photoacous‐ tic imaging，PAI）才被正式提出，在过去 20 余年间获得空前快速的发展，并正在成为生命科学研究和临 床医学应用中的新型生物医学影像技术之一。光声成像主要包括以下过程：纳秒激光脉冲照射生物组 织—组织中光吸收体吸收光能量—组织热膨胀—周期性的振动产生超声波—宽带超声换能器探测超 声波—根据探测的信号完成图像重建。 目前，国内外针对光声成像技术开展的研究正处于快速发展阶段，主要分为以下 3 个方向：光声显 微 成 像（Photoacoustic microscopy，PAM）、光 声 计 算 层 析 成 像（Photoacoustic computed tomography， PACT）、光声内窥成像（Photoacoustic endoscopy，PAE），每个研究方向又衍生出不同的研究分支[2‐3] 。 其中，PAM 可实现亚微米至亚毫米级的空间分辨率，成像深度达百微米至数毫米，和依赖于重建算法的 PACT 相比，PAM 仅依靠逐点光栅扫描的方式来获取光声信号，无需复杂算法即可完成图像重建，且 PAM 能够实现活体结构、分子与功能的多参量高分辨成像，故成为当前生物医学成像领域的研究热 点。本文首先按不同的结构形式对 PAM 技术进行了分类，并回顾其发展起源；其次，重点阐述了新型 PAM 技术的研究进展，主要包括 PAM 的新型扫描方法和手持式 PAM 设备的研究进展；再次，针对 PAM 技术焦深（Depth of focus, DoF）受限的问题，分析了 PAM 的 DoF 延拓的新技术；然后，从多角度 展示了 PAM 技术的生物医学应用研究；最后，总结了 PAM 技术发展面临的挑战，并展望了 PAM 技术 未来的发展方向。 1 PAM 技术的分类及其起源 PAM 是一种聚焦型扫描成像技术，根据激发光和超声探测聚焦方式的不同，可以分为光学分辨率 PAM（Optical‐resolution PAM，OR‐PAM）和声学分辨率 PAM（Acoustic‐resolution PAM，AR‐PAM）[4] ， 二者聚焦方式如图 1 所示，其中，OR‐PAM 的光学聚焦比声学聚焦更加紧密，光学焦点比声探测焦点 小，如图 1（a）所示，其横向分辨率取决于光学焦点的大小，可以达到从百纳米到数微米的亚细胞或细胞 尺度，但是受光在生物组织中的散射限制，活体成像深度 1~2 mm。在超过光学扩散极限的几毫米甚至 几十毫米深的组织处，AR‐PAM 则可以利用超声的低散射特性，采用更加紧密的声学聚焦方式，实现从 几十微米到几百微米的横向分辨率，此时，横向分辨率取决于超声焦点的大小，如图 1（b）所示。 目前，常见的 PAM 实现形式如图 2 所示，为了最大化成像系统的探测灵敏度，通常将激发光和超声 探测共轴共焦设置[5] 。图 2（a, b）分别为典型的透射式和反射式 OR‐PAM，透射式 OR‐PAM 利用较高 数值孔径（Numerical aperture, NA）的物镜将激光光斑聚焦到衍射极限，可以实现亚微米级分辨率，但 是，值得注意的是其工作距离也会随着物镜 NA 增大而减小，如聚焦物镜 NA 为 1.2 时，工作距离仅有约 200 μm，且聚焦物镜和超声换能器置于样本两侧的结构形式，使其只能对厚度较薄的样品成像，而反射 式 OR‐PAM 使用光声耦合棱镜将换能器和光聚焦物镜配置在同侧来实现光声共轴共焦，利用稍低 NA 的物镜进行光学聚焦可延长其工作距离，分辨率仍能到微米级，应用范围更加灵活。图 2（c）为暗场照 明的 AR‐PAM，激光透过锥透镜后呈环形，经过聚光镜反射后在样本表面弱聚焦，高频超声换能器进行 更紧密的声学聚焦，该结构形式可提高显微成像的深度。 2005 年，美国圣路易斯华盛顿大学的 Wang 教授[6] 课题组利用暗场激光照明和高频超声探测设计 了最早的光声显微镜，该系统实现了小鼠皮下血管的无创成像，横向分辨率达到 45 μm，成像深度大于 772
张建辉等:光声显微成像技术的研究进展 激发光 换能器 换能 换能器 NA:0.1) 锥透镜 超声探测 超声探测 校正透镜 聚焦透镜 (NA:12 光焦点 声焦点 声透镜 硅油层 声焦点 (a) OR-PAM聚焦方式 (b) AR-PAM聚焦方式(a)透射式 OR-PAM()反射式 OR-PAM(c)暗场照明 AR-PAM (a) F mode of Focusing mode of (a)Transmission-mode (b)Reflection-mode (c)AR-PAM system with a OR-P OR-PAM system dark-field illumination 1PAM聚焦方式对比 图2常见PAM形式可 Fig.I Comparison of focusing modes of PAM Fig2 Representative implementations of PAMI 3mm,属于AR-PAM,如图3(a)所示。 2008年,该课题组在 AR-PAM基础上通过 可调激光}□激光器 光学强聚焦的方式开发出第1代OR 光电二极管 PAM,其光声耦合方式如图3(b)实线框 放大器 中所示,光声耦合棱镜由两个直角石英棱 水槽 镜组成,其间填充与石英光学折射率接近 反射镜 载物台 但声阻抗相差较大的硅酮油,用作透光反 N[电皮表 加热垫 声,超声信号由侧面放置的换能器完成探10m 焦点组织」环形光照 测。虽然该系统分辨率达到5μm,成像深 (a)AR-PAM系统 (a)AR-PAM system 度大于0.7mm,实现了小鼠微血管的活体 成像,但是系统灵敏度依然不高,究其原因 光路系统 激光器 反射镜 是超声波的反射使大部分纵波转换为横 物镜白PD 波,而换能器对横波探测灵敏度较低。因匚扫描控制 此,该课题组的Hu等对光声耦合棱镜进 校正透镜 行了重新设计,如图3(b)虚线框所示,将其 数据采集 菱形棱钐 中一个直角棱镜替换成菱形棱镜,使超声 在空气-玻璃界面重新由横波转换为纵波, 水 相比第1代系统,成像灵敏度提高了约 (b) OR-PAM系统 b)OR-PAM system 184dB。 图3Wang课题组早期设计的PAM系统图 2新型PAM技术的研究进展 Fig 3 Early design of PAM system diagram of Wangs research PAM技术凭借高性能的空间分辨率和 特有的高光学对比度受到越来越多生物医学研究者的青睐,经过十余年的发展,在国内外众多研究小 组的共同努力下,PAM技术已经在探测灵敏度、成像分辨率和成像速度等方面取得了长足进步。为了 解决传统电机机械扫描方式成像速度受限的冋题,各种新型扫描方法的PAM相继冋世;为了使系统形 式更加紧凑、便携,小型化的手持式PAM系统成为了另一热门研究方向。下文将重点介绍新型PAM 扫描方法和手持式PAM系统的研究进展。 2.1新型PAM扫描方法 成像速度的提升对高动态、时间敏感的生物学现象研究至关重要,如何在不牺牲成像灵敏度和成
张建辉 等：光声显微成像技术的研究进展 3 mm，属 于 AR ‐ PAM，如 图 3（a）所 示 。 2008 年，该课题组在 AR‐PAM 基础上通过 光 学 强 聚 焦 的 方 式 开 发 出 第 1 代 OR ‐ PAM[7] ，其光声耦合方式如图 3（b）实线框 中所示，光声耦合棱镜由两个直角石英棱 镜组成，其间填充与石英光学折射率接近 但声阻抗相差较大的硅酮油，用作透光反 声，超声信号由侧面放置的换能器完成探 测。虽然该系统分辨率达到 5 μm，成像深 度大于 0.7 mm，实现了小鼠微血管的活体 成像，但是系统灵敏度依然不高，究其原因 是 超 声 波 的 反 射 使 大 部 分 纵 波 转 换 为 横 波，而换能器对横波探测灵敏度较低。因 此，该课题组的 Hu 等[8] 对光声耦合棱镜进 行了重新设计，如图 3（b）虚线框所示，将其 中一个直角棱镜替换成菱形棱镜，使超声 在空气‐玻璃界面重新由横波转换为纵波， 相 比 第 1 代 系 统 ，成 像 灵 敏 度 提 高 了 约 18.4 dB。 2 新型 PAM 技术的研究进展 PAM 技术凭借高性能的空间分辨率和 特有的高光学对比度受到越来越多生物医学研究者的青睐，经过十余年的发展，在国内外众多研究小 组的共同努力下，PAM 技术已经在探测灵敏度、成像分辨率和成像速度等方面取得了长足进步。为了 解决传统电机机械扫描方式成像速度受限的问题，各种新型扫描方法的 PAM 相继问世；为了使系统形 式更加紧凑、便携，小型化的手持式 PAM 系统成为了另一热门研究方向。下文将重点介绍新型 PAM 扫描方法和手持式 PAM 系统的研究进展。 2. 1 新型 PAM 扫描方法 成像速度的提升对高动态、时间敏感的生物学现象研究至关重要，如何在不牺牲成像灵敏度和成 图 1 PAM 聚焦方式对比 Fig.1 Comparison of focusing modes of PAM 图 2 常见 PAM 形式[5] Fig.2 Representative implementations of PAM[5] 图 3 Wang 课题组早期设计的 PAM 系统图[6‐7] Fig.3 Early design of PAM system diagram of Wang’s research group[6‐7] 773
774 数据采集与处理 Journal of Data Acquisition and Processing Vol.34,No.5.2019 像视场的情况下提高PAM速度,成为众多研究者思索的一大问题。近年来,针对扫描速度提升,各种 新型扫描方法的PAM相继被研发 Zhang等凹提出了一种基于扫描振镜的PAM来提高成像速度,如图4(a)所示。成像过程中,超声 换能器保持固定,通过检流计驱动的二维扫描振镜反射激光在样本表面扫描,使用重复频率为1024Hz 激光扫描一个256像素×256像素大小的区域耗时不超过2min。该系统的缺点是成像视场取决于非聚 焦型超声换能器探测范围的大小,受到一定限制,并且视场内探测灵敏度分布不均匀,有效视场直径为 6mm。随后Rao等将检流计驱动的扫描振镜作为扫描快轴,电机机械轴作为扫描慢轴,同时采用线 聚焦型换能器,改进提出一种混合扫描方式的PAM,如图4(b)所示,一定程度上解决了成像视场较小 的问题,成像信噪比也得到了提高。 光电二极管 不光器 }料激光器 NNd: YLF激光 位移台 衰减片 时钟激光触发 水棱镜 扫描控制模块 放大器 換能器 A/D 透镜 声换能器 据采集电脑 (a)二维扫描振镜PAM (b)混合扫描PAM (a) PAM based on 2D galvo mirrors (b) Hybrid-scanning PAM 图4基于扫描振镜的PAM系统 Fig 4 PAM systems based on galvo mirrors -o Song等采用微透镜阵列聚焦激光阵列式换能器探测超声的方式首次提出了一种透射式多焦点 扫描模式的PAM,如图5(a)所示,与传统逐点扫描方法相比,较大提高了扫描速度,1000像素×500像 素×200像素的体数据扫描时间不超过4min,分辨率可达到10μm。为了突破透射式对成像样品厚度 的局限,Li等凹2在此基础上,采用阵列式微型反射棱镜,开发出反射式多焦点PAM,如图5(b)所示,系 统横向分辨率达到16μm,扫描6mm×5mm×2.5mm大小的区域用时不超过2.5min Wang等将PAM扫描探头集成到高速音圈线性平移台( Voice-coil stage)上,在1mm扫描范围实 换能器阵列 柱透镜狭缝 柱透镜超声换能器阵列 光声波 样本 激光 微棱镜 组织 微透镜阵列 微透镜阵列 超声波 (a)透射式多焦点PAM (b)反射式多焦点PAM (a) Transmission-mode multifocal PAM (b)Reflection-mode multifocal PAM 5多焦点扫描PAM系统 Fig 5 Multifocus scanning PAM systemsl-12
数据采集与处理 Journal of Data Acquisition and Processing Vol. 34, No. 5, 2019 像视场的情况下提高 PAM 速度，成为众多研究者思索的一大问题。近年来，针对扫描速度提升，各种 新型扫描方法的 PAM 相继被研发。 Zhang 等[9] 提出了一种基于扫描振镜的 PAM 来提高成像速度，如图 4（a）所示。成像过程中，超声 换能器保持固定，通过检流计驱动的二维扫描振镜反射激光在样本表面扫描，使用重复频率为 1 024 Hz 激光扫描一个 256 像素×256 像素大小的区域耗时不超过 2 min。该系统的缺点是成像视场取决于非聚 焦型超声换能器探测范围的大小，受到一定限制，并且视场内探测灵敏度分布不均匀，有效视场直径为 6 mm。随后 Rao 等[10] 将检流计驱动的扫描振镜作为扫描快轴，电机机械轴作为扫描慢轴，同时采用线 聚焦型换能器，改进提出一种混合扫描方式的 PAM，如图 4（b）所示，一定程度上解决了成像视场较小 的问题，成像信噪比也得到了提高。 Song 等[11] 采用微透镜阵列聚焦激光，阵列式换能器探测超声的方式首次提出了一种透射式多焦点 扫描模式的 PAM，如图 5（a）所示，与传统逐点扫描方法相比，较大提高了扫描速度，1 000 像素×500 像 素×200 像素的体数据扫描时间不超过 4 min，分辨率可达到 10 μm。为了突破透射式对成像样品厚度 的局限，Li 等[12] 在此基础上，采用阵列式微型反射棱镜，开发出反射式多焦点 PAM，如图 5（b）所示，系 统横向分辨率达到 16 μm，扫描 6 mm×5 mm×2.5 mm 大小的区域用时不超过 2.5 min。 Wang 等[13] 将 PAM 扫描探头集成到高速音圈线性平移台（Voice‐coil stage）上，在 1 mm 扫描范围实 图 4 基于扫描振镜的 PAM 系统[9‐10] Fig.4 PAM systems based on galvo mirrors[9‐10] 图 5 多焦点扫描 PAM 系统[11‐12] Fig.5 Multifocus scanning PAM systems[11‐12] 774
张建辉等:光声显微成像技术的研究进展 现最快40帧/s的B-scan扫描速度,其横向分辨率达到3.4μm,高分辨率的快速扫描性能,使其在血流速 度和血氧饱和度等高动态过程的实时成像方面具有潜在应用价值,系统结构如图6所示,其扫描速度 定程度受到探头的重量和激光重复频率限制。 为了进一步提升PAM的成像速度和灵敏度,Yao等山采用水浸式微机电系统( Micro-electro-me- chanical system,MEMS)振镜作为扫描快轴,机械电机作为扫描慢轴,开发出一种高灵敏度宽视场快速 扫描PAM系统,如图7所示。成像过程中,水浸式MEMS振镜可以同时反射激光和超声,使激发光和 超声探测在较大视场内保持共焦性能,保证了视场内探测灵敏度的一致性。该系统在3mm范围内的 线扫描速度达到400帧/s,相同的扫描范围下,比Hu提出的第2代机械扫描系统快了约400倍,比 Wang提出的快速音圈扫描系统13快了约20倍,极大提升了PAM的成像速度。此后,众多基于MEMS 振镜的PAM研究工作相继开展[51 一步进电机 聚焦透镜 光束 放大器 针孔 声束 换能器 透镜 上 铝涂覆层 MEMS 声透镜 放大器 图6快速音圈扫描PAM 图7基于水浸MEMS振镜的PAM Fig 6 Fast voice-coil scanning PAMIL Fig7 PAM system based on a water- immersible MEMS scanning mirror 近期,Lan等1首次将多面转镜( Polygonal scanners)应用于PAM系统,提出了一种基于六面转镜的 高速宽视场PAM成像系统,系统原理如图8(a)所示。多面转镜由电机与多面棱镜组成,多面棱镜具有多 个反射面,安装在电动机的旋转轴上,通过电机的旋转实现大范围、超高速、高精度与高重复性的光束扫 反射镜 多面 电机 (b)直流电机驱动的六面转镜三维图 riven by a high-speed DC-motor a)基于六面转镜的 OR-PAM 直流电机 系统原理示 (c)直流电机驱动的六面转镜实物图 (a) Schematic of the OR-PAM based (c) Photograph of the hexagon-mirrc on hexagon-mirror scanner driven by a high-speed DC-motor 图8基于多面转镜的PAM Fig8 PAM system based on polygonal scanners LB)
张建辉 等：光声显微成像技术的研究进展 现最快 40 帧/s 的 B‐scan 扫描速度，其横向分辨率达到 3.4 μm，高分辨率的快速扫描性能，使其在血流速 度和血氧饱和度等高动态过程的实时成像方面具有潜在应用价值，系统结构如图 6 所示，其扫描速度一 定程度受到探头的重量和激光重复频率限制。 为了进一步提升 PAM 的成像速度和灵敏度，Yao 等[14] 采用水浸式微机电系统（Micro‐electro‐me‐ chanical system, MEMS）振镜作为扫描快轴，机械电机作为扫描慢轴，开发出一种高灵敏度宽视场快速 扫描 PAM 系统，如图 7 所示。成像过程中，水浸式 MEMS 振镜可以同时反射激光和超声，使激发光和 超声探测在较大视场内保持共焦性能，保证了视场内探测灵敏度的一致性。该系统在 3 mm 范围内的 线扫描速度达到 400 帧/s，相同的扫描范围下，比 Hu 提出的第 2 代机械扫描系统[8] 快了约 400 倍，比 Wang 提出的快速音圈扫描系统[13] 快了约 20 倍，极大提升了 PAM 的成像速度。此后，众多基于 MEMS 振镜的 PAM 研究工作相继开展[15‐17] 。 近期，Lan 等[18] 首次将多面转镜（Polygonal scanners）应用于 PAM 系统，提出了一种基于六面转镜的 高速宽视场 PAM 成像系统，系统原理如图 8（a）所示。多面转镜由电机与多面棱镜组成，多面棱镜具有多 个反射面，安装在电动机的旋转轴上，通过电机的旋转实现大范围、超高速、高精度与高重复性的光束扫 图 6 快速音圈扫描 PAM[13] Fig.6 Fast voice‐coil scanning PAM[13] 图 7 基于水浸 MEMS 振镜的 PAM[14] Fig.7 PAM system based on a water ‐ immersible MEMS scanning mirror[14] 图 8 基于多面转镜的 PAM[18] Fig.8 PAM system based on polygonal scanners[18] 775
776 数据采集与处理 Journal of Data Acquisition and Processing Vol.34,No.5.2019 描,六面转镜结构如图8(b,c)所示。相比MEMS振镜扫描,多面转镜具有更快的扫描速度和更高的损伤 阈值,12mm范围内B-scan扫描速率可高达900Hz,相同大小区域下的成像速度比基于MEMS振镜的 PAM快约10倍,比音圈扫描系统3快约300倍,比机械扫描系统快约3900倍,多面转镜很好地解决 了现有PAM系统成像速度慢和视场局限的问题,具备较高的应用价值。 2.2手持式PAM系统 近年来,为了更好地适应临床应用需求,PAM系统的小型化、集成化和便携性成了另外一个热门研究 方向,和外观笨重而庞大的传统台式成像系 统相比,各类装配紧凑型手持式PAM系统 光纤夹 入 光束 的应用更加灵活和方便。其中,以下课题组 支撑板 开发的手持式PAM具有一定代表性。 调节器 美国圣路易斯华盛顿大学Wang教授 镜筒 课题组的Lin等采用双轴水浸式MEMS H升准直器 位移台 振镜,使激发光和超声通过同一镜面反射 聚焦透镜盖板 MEMS 同时快速扫描,在2.5mm×2.0mm×0.5 镜MEMS 振镜 mm的范围下获得2Hz的三维成像速率 换能器罩 分辨率达到5μm。整个手持系统大小80 棱镜样本 成像窗底板 mm×115mm×150mm,内部充满水用于(a)手持探头二维示意图 (b)手持探头三维维示意图 (a)2-D sketch of the handheld probe (b)3-D rendering of the handheld probe 超声耦合,系统结构如图9所示。 韩国浦项科技大学Kim教授课题组的 g课题组的手持式PAM Fig9 Hand held PAM of Wangs research groups Park等采用自制的双轴水浸式MEMS 振镜,将所有的声学、光学和机械部件集成到直径为17mm和质量为162g的探头中,提出了系统结构 更加紧凑的手持式PAM系统,其中光声耦合方式为透光反声式,与Lin的反光透声式系统有所区别。 通过增大驱动电压可以增大MEMS机械转角,最大视场可以达到4.1mm×2.9mm,结合步进电机移动 可以进一步扩展成像范围,从实验方面论证了该系统在检测人体黑色素瘤等临床应用的潜力,系统结 构如图10所示。 驱动器 透镜耦 放大器 棱镜样本 b)Po手持式PAM探头实物图 hotograph of the handheld PAM probe 单模光纤 31 mm 激光器 光束 耦合器 扫描控郜 (a)手持式PAM探头原理图 (c)手持式PAM探头局部视图 (a)Schematic of the the handheld PAM probe system (c)Partial view of the handheld PAM probe 图10Kim课题组手持式PAM ig. 10 Hand held PAM of Kims research group[ao
数据采集与处理 Journal of Data Acquisition and Processing Vol. 34, No. 5, 2019 描，六面转镜结构如图 8（b, c）所示。相比 MEMS 振镜扫描，多面转镜具有更快的扫描速度和更高的损伤 阈值，12 mm 范围内 B‐scan 扫描速率可高达 900 Hz，相同大小区域下的成像速度比基于 MEMS 振镜的 PAM[17] 快约 10 倍，比音圈扫描系统[13] 快约 300 倍，比机械扫描系统[8] 快约 3 900 倍，多面转镜很好地解决 了现有 PAM 系统成像速度慢和视场局限的问题，具备较高的应用价值。 2. 2 手持式 PAM 系统 近年来，为了更好地适应临床应用需求，PAM 系统的小型化、集成化和便携性成了另外一个热门研究 方向，和外观笨重而庞大的传统台式成像系 统相比，各类装配紧凑型手持式 PAM 系统 的应用更加灵活和方便。其中，以下课题组 开发的手持式 PAM具有一定代表性。 美国圣路易斯华盛顿大学 Wang 教授 课题组的 Lin 等[19] 采用双轴水浸式 MEMS 振镜，使激发光和超声通过同一镜面反射 同 时 快 速 扫 描 ，在 2.5 mm×2.0 mm×0.5 mm 的范围下获得 2 Hz 的三维成像速率， 分辨率达到 5 μm。整个手持系统大小 80 mm×115 mm×150 mm，内部充满水用于 超声耦合，系统结构如图 9所示。 韩国浦项科技大学 Kim 教授课题组的 Park 等[20] 采用自制的双轴水浸式 MEMS 振镜，将所有的声学、光学和机械部件集成到直径为 17 mm 和质量为 162 g 的探头中，提出了系统结构 更加紧凑的手持式 PAM 系统，其中光声耦合方式为透光反声式，与 Lin 的反光透声式系统有所区别。 通过增大驱动电压可以增大 MEMS 机械转角，最大视场可以达到 4.1 mm×2.9 mm,结合步进电机移动 可以进一步扩展成像范围，从实验方面论证了该系统在检测人体黑色素瘤等临床应用的潜力，系统结 构如图 10 所示。 图 9 Wang 课题组的手持式 PAM[19] Fig.9 Hand held PAM of Wang’s research group[19] 图 10 Kim 课题组手持式 PAM[20] Fig.10 Hand held PAM of Kim’s research group[20] 776
张建辉等:光声显微成像技术的研究进展 南方科技大学的Ⅺi教授课题组在手持式PAM系统的研究也较为深入,2018年,该课题组的 Chen等设计了一款紧凑型 OR-PAM。将非水浸式MEMS振镜置于光声棱镜前端,单独用作激光 扫描。由于该方案采用聚焦超声的探测方案 无法实现光、声焦点的同步共焦,所以设计中 采用了非聚焦换能器进行超声探测,和基于 激光器 光路系统单模光纤 水浸式MEMS的探测方案相比,非聚焦的超 准直器 声探测一定程度上会降低探测灵敏度,但是 该设计创新性地采用水代替玻璃材质作为光 声耦合,减少了横纵波转换带来的超声损失,电脑 仍然获得了较高的探测灵敏度。系统横向分 辨率达到32m,2mm×2mm范围成像速度 达到3.2Hz,具有良好的便携操作性能,利用 该系统在人体口腔各部位血管进行成像实 e 验,获得了较好的成像效果。系统结构如图 11所示,整个探头约20g,外形尺寸仅22mm 图11Xi课题组手持式PAM2 Fig11 Hand held PAM of Xis research group( 30mm×13mm。 3PAM的DoF延拓技术的研究进展 OR-PAM依靠紧密的光学聚焦可以实现高分辨率的成像效果,然而,传统 OR-PAM通常依靠高 NA的物镜进行激光聚焦,在获取较高横向分辨率的同时会限制成像系统的DoF大小,使得 OR-PAM 在三维成像和获取不同深度方向信息方面存在局限,并且,离焦区域空间分辨率和信噪比的急剧下降 也将影响组织形态结构量化分析的准确性。为了解决短DoF带来的问题,通常需要在二维光栅扫描 的基础上,附加多次不同聚焦位置的深度扫描,进行三维扫描成像,该方法耗时较长;轮廓扫描成像2 是另一种解决方案,首先根据粗略扫描拟合出兴趣目标深度方向的轮廓,然后将轮廓曲面作为正式扫 描时深度方向的参考,由外部软件控制电机沿深度方向运动的轨迹,本质上是简化的三维扫描成像; 另外,对于厚度较薄样本,采取样本上下两侧双激发光照明②的成像方式也能一定程度扩展显微成像 DoF。当前2种新PAM的DoF延拓技术分别为:基于贝塞尔光束的PAM和基于变焦透镜的PAM 3.1基于贝塞尔光束的PAM Durnin等四2于1987年提出了一种无衍射光束一贝塞尔( Bessel)光束,随后在光学界引起研究热 潮。和光声成像中常用的高斯光束相比,无衍射的贝塞尔光束中心光斑的大小和光强可以在某一距离范围 内基本保持不变,目前,已经在多种光学成像模式中开展应用,如光学相干层析成像( Optical coherence to mography,OCT)和双光子荧光显微成像( Two-photon fluorescence,TPF)等2。近年来,一些课题组尝 试将贝塞尔光束用于PAM以拓展其成像DoF,提高焦区外成像分辨率。Jang等通过轴棱镜(AX)和环 形掩模(AM)产生贝塞尔光束,提出了一种反射式贝塞尔光束PAM系统( BB-PAM),并且将盲解卷积技术 用于抑制贝塞尔光束旁瓣造成的成像伪影,提高分辨率。BB-PAM系统原理如图12(a)所示,横向分辨率达 到1.6m,成像DoF达483pm,是基于传统高斯光束PAM系统( GB-PAM)的7倍左右,对开颅小鼠脑 血管成像结果如图12(b-d),分别为 GB-PAM、BB-PAM和盲解卷积处理后的 BB-PAM图像结果。 同样,为了减小贝塞尔光束旁瓣对PAM效果的影响,Sh等國基于热力学中的 Gruneisen弛豫 效应,在透射式PAM系统中使用连续激光作为加热光源,纳秒脉冲激光作为成像光源,利用加热后 光声信号非线性增强的效应,对加热前后的成像结果进行差分,有效抑制了贝塞尔光束旁瓣造成的
张建辉 等：光声显微成像技术的研究进展 南 方 科 技 大 学 的 Xi 教 授 课 题 组 在 手 持 式 PAM 系 统 的 研 究 也 较 为 深 入 ，2018 年 ，该 课 题 组 的 Chen 等[21] 设计了一款紧凑型 OR‐PAM。将非水浸式 MEMS 振镜置于光声棱镜前端，单独用作激光 扫描。由于该方案采用聚焦超声的探测方案 无法实现光、声焦点的同步共焦，所以设计中 采 用 了 非 聚 焦 换 能 器 进 行 超 声 探 测 ，和 基 于 水 浸 式 MEMS 的 探 测 方 案 相 比 ，非 聚 焦 的 超 声 探 测 一 定 程 度 上 会 降 低 探 测 灵 敏 度 ，但 是 该设计创新性地采用水代替玻璃材质作为光 声耦合，减少了横纵波转换带来的超声损失， 仍然获得了较高的探测灵敏度。系统横向分 辨率达到 3.2 μm，2 mm×2 mm 范围成像速度 达到 3.2 Hz，具有良好的便携操作性能 ，利用 该 系 统 在 人 体 口 腔 各 部 位 血 管 进 行 成 像 实 验 ，获 得 了 较 好 的 成 像 效 果 。 系 统 结 构 如 图 11 所示，整个探头约 20 g，外形尺寸仅 22 mm× 30 mm×13 mm。 3 PAM 的 DoF 延拓技术的研究进展 OR‐PAM 依靠紧密的光学聚焦可以实现高分辨率的成像效果，然而，传统 OR‐PAM 通常依靠高 NA 的物镜进行激光聚焦，在获取较高横向分辨率的同时会限制成像系统的 DoF 大小，使得 OR‐PAM 在三维成像和获取不同深度方向信息方面存在局限，并且，离焦区域空间分辨率和信噪比的急剧下降 也将影响组织形态结构量化分析的准确性。为了解决短 DoF 带来的问题，通常需要在二维光栅扫描 的基础上，附加多次不同聚焦位置的深度扫描，进行三维扫描成像，该方法耗时较长；轮廓扫描成像[22] 是另一种解决方案，首先根据粗略扫描拟合出兴趣目标深度方向的轮廓，然后将轮廓曲面作为正式扫 描时深度方向的参考，由外部软件控制电机沿深度方向运动的轨迹，本质上是简化的三维扫描成像； 另外，对于厚度较薄样本，采取样本上下两侧双激发光照明[23] 的成像方式也能一定程度扩展显微成像 DoF。当前 2 种新 PAM 的 DoF 延拓技术分别为：基于贝塞尔光束的 PAM 和基于变焦透镜的 PAM。 3. 1 基于贝塞尔光束的 PAM Durnin 等[24‐25] 于 1987 年提出了一种无衍射光束——贝塞尔（Bessel）光束，随后在光学界引起研究热 潮。和光声成像中常用的高斯光束相比，无衍射的贝塞尔光束中心光斑的大小和光强可以在某一距离范围 内基本保持不变，目前，已经在多种光学成像模式中开展应用，如光学相干层析成像（Optical coherence to‐ mography, OCT）和双光子荧光显微成像（Two‐photon fluorescence, TPF）等[26‐28] 。近年来，一些课题组尝 试将贝塞尔光束用于 PAM 以拓展其成像 DoF，提高焦区外成像分辨率。Jiang等[29] 通过轴棱镜（AX）和环 形掩模（AM）产生贝塞尔光束，提出了一种反射式贝塞尔光束 PAM 系统（BB‐PAM），并且将盲解卷积技术 用于抑制贝塞尔光束旁瓣造成的成像伪影，提高分辨率。BB‐PAM 系统原理如图 12（a）所示，横向分辨率达 到 1.6 μm，成像 DoF 达 483 μm，是基于传统高斯光束 PAM 系统（GB‐PAM）的 7 倍左右，对开颅小鼠脑 血管成像结果如图 12（b—d），分别为 GB‐PAM、BB‐PAM 和盲解卷积处理后的 BB‐PAM 图像结果。 同样，为了减小贝塞尔光束旁瓣对 PAM 效果的影响，Shi 等[30] 基于热力学中的 Grueneisen 弛豫 效应，在透射式 PAM 系统中使用连续激光作为加热光源，纳秒脉冲激光作为成像光源，利用加热后 光声信号非线性增强的效应，对加热前后的成像结果进行差分，有效抑制了贝塞尔光束旁瓣造成的 图 11 Xi课题组手持式 PAM[21] Fig.11 Hand held PAM of Xi’s research group[21] 777
数据采集与处理 Journal of Data Acquisition and Processing Vol.34,No.5.2019 分束镜光阑 激光器 射镜1 透镜1透镜2透镜3透镜4 透镜6 透镜5 换能器透镜 本 放大器 反射镜2 环形掩模 数采大N前置放大器 维位移台 (a)贝塞尔光束PAM系统原理图 (a) Schematic of the Bessel-beam PAM system NPA (b)小鼠脑皮层血管高斯光束PAM成像结果(c)小鼠脑皮层血管贝塞尔光束PAM成像结果(d小鼠脑皮层血管盲解卷积结果 (b) Mouse cerebral vasculature imaged (c) Mouse cerebral vasculature imaged (d)Deconvolved view of mouse by Gaussian-beam PAM by Bessel-beam PAM cerebral vasculature 图12反射式贝塞尔光束PAM系统和脑血管成像结果 Fig 12 Reflection-mode Bessel-beam PAM and imaging results of cerebral vasculature e) 伪影信号,成功将透射式PAM的DoF拓展到约1mm,此时横向分辨率约7m。近期,Park等采 用高NA(NA=1.0)的聚焦物镜和微型超声换能器,提出了一种贝塞尔光束和高斯光束成像模式自 由切换的反射式PAM系统,贝塞尔光束成像模式下可实现亚波长级分辨率(300mm),DoF达 229μm,是高斯光束成像模式下的7倍,成像过程同样采用盲解卷积算法来减小贝塞尔光束旁瓣的 伪影 3.2基于变焦透镜的PAM 电动位移台驱动的深度扫描虽然可以在一定程度弥补传统PAM的DoF不足,但是三维成像速度 受限。近年来,同样为了提升PAM的DoF,一些课题组提出将快速变焦透镜用于PAM的变焦点扫描 其较快的响应速度、较长而连续的变焦范围为PAM的DoF延拓提供了另一种有效的方法。 Li等将电动变焦透镜(ETL)用于PAM系统,通过电动变焦透镜快速连续调节聚焦激光束的扩 张角,使激光透过平场显微物镜(POL)后实现不同深度的聚焦。系统原理图如图13(a)所示,图13(b) 为变焦过程示意图,采用NA=0.3的平场物镜可以实现1μm的变焦点调节精度,调节范围可达 2.82mm,小鼠耳部和脑部血管活体成像实验结果验证了该方法用于深度扫描的可行性。该方法不足 之处在于电动变焦响应时间还不够快,10m变焦距离耗时约15ms,当采用较高重复频率激光
数据采集与处理 Journal of Data Acquisition and Processing Vol. 34, No. 5, 2019 伪影信号，成功将透射式 PAM 的 DoF 拓展到约 1 mm，此时横向分辨率约 7 μm。近期，Park 等[31] 采 用高 NA（NA=1.0）的聚焦物镜和微型超声换能器，提出了一种贝塞尔光束和高斯光束成像模式自 由 切 换 的 反 射 式 PAM 系 统 ，贝 塞 尔 光 束 成 像 模 式 下 可 实 现 亚 波 长 级 分 辨 率（300 nm），DoF 达 229 μm，是高斯光束成像模式下的 7 倍，成像过程同样采用盲解卷积算法来减小贝塞尔光束旁瓣的 伪影。 3. 2 基于变焦透镜的 PAM 电动位移台驱动的深度扫描虽然可以在一定程度弥补传统 PAM 的 DoF 不足，但是三维成像速度 受限。近年来，同样为了提升 PAM 的 DoF，一些课题组提出将快速变焦透镜用于 PAM 的变焦点扫描， 其较快的响应速度、较长而连续的变焦范围为 PAM 的 DoF 延拓提供了另一种有效的方法。 Li 等[32] 将电动变焦透镜（ETL）用于 PAM 系统，通过电动变焦透镜快速连续调节聚焦激光束的扩 张角，使激光透过平场显微物镜（POL）后实现不同深度的聚焦。系统原理图如图 13（a）所示，图 13（b） 为变焦过程示意图 ，采用 NA = 0.3 的平场物镜可以实现 1 μm 的变焦点调节精度 ，调节范围可达 2.82 mm，小鼠耳部和脑部血管活体成像实验结果验证了该方法用于深度扫描的可行性。该方法不足 之 处 在 于 电 动 变 焦 响 应 时 间 还 不 够 快 ，10 μm 变 焦 距 离 耗 时 约 15 ms，当 采 用 较 高 重 复 频 率 激 光 图 12 反射式贝塞尔光束 PAM 系统和脑血管成像结果[29] Fig.12 Reflection‐mode Bessel‐beam PAM and imaging results of cerebral vasculature[29] 778
张建辉等:光声显微成像技术的研究进展 (>1000Hz)作为激发光源时,变焦速度有待进一步提高。 激光器 电动 扫描透镜 衰减片 可调透镜 电二极管 平场物镜 平场物镜 样本 换能器 数据采集卡 (a)变焦PAM系统原理图 (b)变焦过程示意图 (a)Schematic of the variable focus PAM system (b) Schematic of variable focus process 图13采用电动可调透镜的快速变焦PAM凹 Fig13 Fast variable focus PAM using an electrically tunable lens 2) 为实现PAM更加快速的变焦扫描,拓展成像DoF,Yang等B33将一种可调谐声学梯度(TAG)指 数透镜用于PAM。TAG透镜是由充满折射液体的圆柱形压电腔体构成,通过压电驱动器产生超声波 来改变液体的密度和折射率,达到高速变焦的目的,稳态状态下,变焦时间在1As以内3。系统原理 如图14(a)所示,通过一定长度光纤将单个激光脉冲延时获取3个间隔120ns的激光脉冲序列,结合 TAG透镜的变焦点扫描,可以获取同一位置处3个不同聚DoF度处信号,成像系统DoF达到360m 较之前提高了大约3倍,图14(b,c)分别为TAG透镜开启和关闭时小鼠脑血管的成像结果,虚线框处 可以看出TAG透镜对成像DoF的提高效果显著。 多模光纤 51m 1 NDFITNDF? NDF3 换能器 (b)TAG透镜开启时小鼠脑血管深度编码图像 FP (b)The depth-coding image of mouse cerebral 一列上 asculature when TAG lens on L12 Z/um 大 同步输出触发器LI1Mn 触发信号 信号发生器 a)系统原理示意图 (c)TAG透镜关闭时小鼠脑血管深度编码图像 (c) The depth-coding image of mouse cerebral (a) Schematic of the system vasculature when TAG lens off 图14采用TAG透镜的多焦点PAM Fig 14 Multifocus PAM using TAG lens a
张建辉 等：光声显微成像技术的研究进展 （>1 000 Hz）作为激发光源时，变焦速度有待进一步提高。 为实现 PAM 更加快速的变焦扫描，拓展成像 DoF，Yang 等[33‐34] 将一种可调谐声学梯度（TAG）指 数透镜用于 PAM。TAG 透镜是由充满折射液体的圆柱形压电腔体构成，通过压电驱动器产生超声波 来改变液体的密度和折射率，达到高速变焦的目的，稳态状态下，变焦时间在 1 μs 以内[35‐36] 。系统原理 如图 14（a）所示，通过一定长度光纤将单个激光脉冲延时获取 3 个间隔 120 ns 的激光脉冲序列，结合 TAG 透镜的变焦点扫描，可以获取同一位置处 3 个不同聚 DoF 度处信号，成像系统 DoF 达到 360 μm， 较之前提高了大约 3 倍，图 14（b, c）分别为 TAG 透镜开启和关闭时小鼠脑血管的成像结果，虚线框处 可以看出 TAG 透镜对成像 DoF 的提高效果显著。 图 13 采用电动可调透镜的快速变焦 PAM[32] Fig.13 Fast variable focus PAM using an electrically tunable lens[32] 图 14 采用 TAG 透镜的多焦点 PAM[33] Fig.14 Multifocus PAM using TAG lens[33] 779
数据采集与处理 Journal of Data Acquisition and Processing Vol.34,No.5.2019 4PAM技术的生物医学应用 PAM技术在生物医学领域具有广泛的应用前景。首先,依靠血红蛋白作为内源性对比剂,可以对 生物微血管结构进行高分辨成像,实现肿瘤等以血管变化为病理特征疾病的连续无标记监测;然后, PAM可结合光声光谱技术,对血氧饱和度、血流速度、氧代谢率等生理参数进行多参量光声功能成像 最后,结合高特异性的外源性对比剂进行高灵敏度分子成像,可弥补组织内源性对比剂在疾病诊断或 生物过程示踪中特异性不足的问题。下文将从血管生物学结构成像、多参量功能成像和外源性分子成 像3个应用方向介绍PAM技术的生物医学应用研究进展。 4.1血管生物学结构成像 生物组织中微血管的直径范围一般在2~100m,是负责氧气、营养物质和代谢废物交换的通 道,微血管结构成像可以为众多疾病的诊断提供生理和病理信息,如糖尿病、尿毒症和类风湿性关节 炎等。PAM可以实现微血管结构的非侵入性成像,如图15所示为OR-PAM用于血管生物学结构 高分辨成像的结果,微米级的分辨率使其在微血管结构成像中具有独特优势。小鼠耳部毛细血管网 络丰富,且厚度较薄(约300μm),是用于肿瘤血管生成和其它微血管疾病研究的理想模型,Hu等图 基于PAM技术率先实现了小鼠耳部微血管的成像(图15(a));Li等通过PAM技术首次获取了猫 脑初级视觉皮层的完整微血管网络(图15(b)),结合创新性血管提取算法为神经血管偶联及脑疾病 的应用研究提供了新的方法;zhao等结合三维 Hessian矩阵血管增强算法实现了大鼠虹膜血管结 构的高精度提取(图15(c)),与此同时,zhao等2还提出一种创新的运动校正算法,对活体PAM过程 中的运动伪影进行校正,实现了高精度图像配准,首次获取了小鼠背部微血管结构的大视场光声显微 图像(图15(d))。此外,PAM还被广泛用于小鼠穴位微循环、大鼠肠系叫、人体皮肤和口腔1等 组织的血管生物学结构的成像研究,正在成为生命科学研究和临床应用中一项重要的新型成像 技术。 (a)小鼠耳部血管 b)猫脑部初级视觉皮层血管 (a) Vasculature structure of mouse ear (b) Vasculature structure of cat primary visual cortex (c)大鼠虹膜血管 d)小鼠背部血管 (c) Vasculature structure of rat iris d) vasculature structure of mouse dorsum 图15 OR-PAM的血管生物学结构成像结果04 Fig 15 OR-PAM imaging of vascular biological structure. 40-42) 由于PAM技术出色的微血管结构成像性能,使肿瘤等以微血管变化为病理特征疾病的无标记监 测成为可能。近年来,涌现出大量利用PAM技术进行肿瘤诊断和监测的应用研究71,Jin等2通过手 持式PAM系统对LS174T癌细胞肿瘤的微血管生成过程进行了连续多天监测,如图16所示,随着肿瘤 的生长,新生血管不断生成,其形成开始于肿瘤的边界,并随着血管密度的增加逐渐向肿瘤中心扩散。 由于口腔内存在着高密度的血管网络,其结构的改变与口腔的早期癌变密切相关,Jin等还通过对人体
数据采集与处理 Journal of Data Acquisition and Processing Vol. 34, No. 5, 2019 4 PAM 技术的生物医学应用 PAM 技术在生物医学领域具有广泛的应用前景。首先，依靠血红蛋白作为内源性对比剂，可以对 生物微血管结构进行高分辨成像，实现肿瘤等以血管变化为病理特征疾病的连续无标记监测；然后， PAM 可结合光声光谱技术，对血氧饱和度、血流速度、氧代谢率等生理参数进行多参量光声功能成像； 最后，结合高特异性的外源性对比剂进行高灵敏度分子成像，可弥补组织内源性对比剂在疾病诊断或 生物过程示踪中特异性不足的问题。下文将从血管生物学结构成像、多参量功能成像和外源性分子成 像 3 个应用方向介绍 PAM 技术的生物医学应用研究进展。 4. 1 血管生物学结构成像 生物组织中微血管的直径范围一般在 2~100 μm[37] ，是负责氧气、营养物质和代谢废物交换的通 道，微血管结构成像可以为众多疾病的诊断提供生理和病理信息，如糖尿病、尿毒症和类风湿性关节 炎等[38] 。PAM 可以实现微血管结构的非侵入性成像，如图 15 所示为 OR‐PAM 用于血管生物学结构 高分辨成像的结果，微米级的分辨率使其在微血管结构成像中具有独特优势。小鼠耳部毛细血管网 络丰富，且厚度较薄（约 300 μm）,是用于肿瘤血管生成和其它微血管疾病研究的理想模型[39] ，Hu 等[8] 基于 PAM 技术率先实现了小鼠耳部微血管的成像（图 15（a））；Li 等[40] 通过 PAM 技术首次获取了猫 脑初级视觉皮层的完整微血管网络（图 15（b）），结合创新性血管提取算法为神经血管偶联及脑疾病 的应用研究提供了新的方法；Zhao 等[41] 结合三维 Hessian 矩阵血管增强算法实现了大鼠虹膜血管结 构的高精度提取（图 15（c）），与此同时，Zhao 等[42] 还提出一种创新的运动校正算法，对活体 PAM 过程 中的运动伪影进行校正，实现了高精度图像配准，首次获取了小鼠背部微血管结构的大视场光声显微 图像（图 15（d））。此外，PAM 还被广泛用于小鼠穴位微循环[43] 、大鼠肠系[44] 、人体皮肤[45] 和口腔[46] 等 组 织 的 血 管 生 物 学 结 构 的 成 像 研 究 ，正 在 成 为 生 命 科 学 研 究 和 临 床 应 用 中 一 项 重 要 的 新 型 成 像 技术。 由于 PAM 技术出色的微血管结构成像性能，使肿瘤等以微血管变化为病理特征疾病的无标记监 测成为可能。近年来，涌现出大量利用 PAM 技术进行肿瘤诊断和监测的应用研究[47‐51] ，Jin 等[52] 通过手 持式 PAM 系统对 LS174T 癌细胞肿瘤的微血管生成过程进行了连续多天监测，如图 16 所示，随着肿瘤 的生长，新生血管不断生成，其形成开始于肿瘤的边界，并随着血管密度的增加逐渐向肿瘤中心扩散。 由于口腔内存在着高密度的血管网络，其结构的改变与口腔的早期癌变密切相关，Jin 等还通过对人体 图 15 OR‐PAM 的血管生物学结构成像结果[8,40‐42] Fig.15 OR‐PAM imaging of vascular biological structure[8,40‐42] 780