微观探索的新光芒：便携式光声显微成像技术的发展

在生物医学领域，诸如眼科、皮肤科、内窥等方面，需要对微血管网络进行成像，传统的X射线断层成像（X-CT）有电离辐射并且需要用到造影剂；磁共振成像（MRI）费用昂贵，且空间分辨率也只有1mm级别；光学相干层析成像（OCT）无辐射、成像速度快、分辨率高，但是由于生物组织对光的强烈散射，光难以在组织内聚焦，无法观测较厚的生物组织。近年来，光声成像（PAI）因无损伤性、高分辨率、大穿透深度等特点，成为生物医学影像领域的重要研究内容。

光声显微成像（PAM）作为PAI的重要分支，成像深度可达数毫米，空间分辨率可达几微米甚至百纳米。与传统的光学显微镜（如共聚焦、双光子显微镜）或光学相干层析成像相比，PAM有独特的优势：利用超声探测，可以克服光学散射极限，获取更深的组织信息；能以高灵敏度获取微血管的结构和功能信息；无须依靠光学切片即可获得三维体图像。

之江实验室类人感知研究中心聚焦于便携式PAM技术，首先对PAM的工作原理、实现方式等进行介绍，之后从手持与半手持式、脑部可穿戴式及集成多模态3方面对便携式PAM的研究进展进行综述，最后探讨便携式PAM技术面临的挑战与展望。

光声显微成像技术
光声成像源于1880年Bell发现的光声效应。当生物组织受短脉冲激光或强度调制激光照射，组织吸收能量产生瞬间温度变化，热弹性机制致使体积涨缩，激发超声波。通过探测超声信号，重构组织光吸收分布图像，以反映生理学特征。光声成像利用超声探测的层析能力，可基于血液在可见光波段的高吸收特性实现内源性无标记成像。

一、分类与特点
1.光学分辨率光声显微成像（OR-PAM）
利用聚焦激光照射与平场式或聚焦式超声探头探测，聚焦式探头检测灵敏度高。横向分辨率取决于光学焦斑尺寸，可达几微米至几百纳米，成像深度约1mm，适用于细胞和亚细胞尺度成像，对强光吸收体组织成像对比度大。

可工作于透射或反射模式，透射模式适用于薄生物样品，反射模式在活体成像中更实用。反射式OR-PAM常用由两个棱镜组成的光声耦合器（棱镜间有硅油层）实现激光透射和超声反射，也可用薄盖玻片代替。

2.声学分辨率光声显微成像（AR-PAM）
采用非聚焦激光照射和聚焦式超声探头探测，成像深度较大（通常2-3mm），横向分辨率取决于声焦尺寸。

二、造影剂应用
1.内源性造影剂
常见为血红蛋白，广泛用于获取血氧饱和度、总血红蛋白浓度和血流速度等参数，有助于肿瘤、血管损伤等病变诊断。黑色素在紫外与可见光波段光吸收高，可用于光声监测黑色素瘤，辅助皮肤癌及眼病诊断与监测。在近红外区，脂质吸收差异可用于观测动脉粥样硬化斑块，光声光谱测量葡萄糖浓度可为糖尿病诊断和治疗提供参考。

2.外源性造影剂
如有机染料、纳米颗粒及荧光蛋白等，有助于深层血管及脑肿瘤等的光声成像。

便携式PAM进展
一、手持与半手持式
1.电控位移台扫描
早期PAM系统多采用电控位移台扫描，体积庞大。如2007年Maslov等开发的便携式实时PAM系统，采用可调谐激光器、电控位移台与轻型手持式探头，成像深度5mm，横向分辨率优于100μm，轴向分辨率35μm，可快速获取B-scan图像。2014年该小组研究的手持式AR-PAM系统对活体裸鼠黑色素瘤成像，但分辨率较低。2013年Zeng等开发的便携式OR-PAM系统结构紧凑、成本低，但成像速度与稳定性受限。

2.新型高速扫描技术
◆ 音圈扫描
速度受音圈驱动力和扫描头质量限制，稳定性差，不易集成化。

◆ 检流计式扫描（GS）振镜
尺寸较大，扫描范围大，空气中稳定性好，但声焦区域有限，光束和声束同轴对准难，视场大易离焦，多采用非聚焦超声换能器检测信号，存在灵敏度低、分辨率不稳定问题。如2011年Hajireza等研制的手持式实时OR-PAM，采用光纤束引导和GS振镜扫描，成像视场小、扫描速度慢。2019年Zhang等开发的手持式光声探测系统，采用快速二维GS振镜扫描，成像速度快、分辨率高、穿透深度深。2021年Seong等研制的大视场手持式PAM装置，采用光声耦合器和双轴水浸式GS振镜扫描，可自由移动调节探头。2021年Qin等改进的系统，时间分辨率5s，横向和轴向分辨率分别为15μm与120μm，横向成像视场10mm，可分析缺氧状态下恒河猴脑血管结构和功能反应。2022年Chen等提出的混合扫描手持式PAM系统，B-scan速度达1288Hz，可实现灵活高速三维成像。

◆ 微机电系统（MEMS）振镜
体积小、轻便灵活、易于集成，水浸式可实现光声共聚焦，具有均匀探测灵敏度和较高成像信噪比，但声焦区域限制成像视场基本在3mm以内。如2017年Lin等将水浸式MEMS振镜用于手持式OR-PAM，优化了信噪比。2017年Park等研发的手持式集成光声探头，质量轻、直径小，可获取高分辨率图像。Xi小组研制的多种手持式OR-PAM系统，对小型动物及人体成像效果良好，优化后系统性能提升。2020年Zhang等研发的手持式光声笔，有高速和高分辨率成像模式。

二、脑部可穿戴式
大脑对机体生命活动至关重要，PAI可用于脑成像研究。现有手持式PAM难以实现可穿戴脑成像，小型轻便的可穿戴式脑监测技术发展迅速。如Cao等提出的基于悬浮球和头部固定装置的PAM系统，对清醒与麻醉小鼠大脑成像并研究肥胖小鼠脑血管改变；2021年该小组设计的头戴式颅窗，证明了多参数PAM系统实用性。Xi等在2017年提出适用于自由运动大鼠神经血管单点成像的探针，2019年开发的小型PAM探针可监测自由运动小鼠大脑皮层血管变化。2020年Dangi等设计的低成本、可穿戴式PAM系统初步验证有效，2021年Guo等设计的头戴式探头用于自由运动小鼠脑成像。

三、集成多模态
多模态成像技术结合不同成像模式优势，可提供更全面组织诊断。PAM与共聚焦荧光显微成像（CFM）结合的双模态系统能进行双分子对比成像，如2013年Chen等开发的小型化双模态系统，PAM和CFM横向分辨率均为8.8μm，轴向分辨率分别为19μm和53μm。光学相干层析成像（OCT）与PAM结合可促进脑疾病诊断，Xi等开发的系列小型化系统对小鼠耳部、人体口腔等成像效果良好。超声（US）成像与PAM结合可获取深层与浅层组织信息，2014年Daoudi等研究的手持式PA/US双模态成像系统验证了成像速度与深度，Bai等研发的光声-超声探针分辨率高。将PAM、US、OCT三模态结合可充分发挥各模态优势，如2015年Dai等提出的三模态微型侧视探头及2017年同一小组改进的探头，2021年Leng等开发的微型成像系统可获取血管壁多方面信息。

面临的挑战
◆ 成像速度与视场
多数PAM系统通过激光脉冲逐点扫描重建图像，难以实时显示宽视场图像，限制了成像速度，增加临床诊断时间。需探索微透镜阵列平行扫描、开发更快成像技术和信号处理算法以实现高速成像和实时监测。

◆ 信噪比
光学和声学衰减导致深度信噪比下降，阻碍对深层组织信息的充分获取，未来可利用深度学习去除伪影，提高深层组织图像信噪比与质量。

◆ 耦合介质
多数PAM需水或超声凝胶等耦合介质填充或涂覆于探头与皮肤组织间，限制术中应用。可考虑使用新型探测设备，光学检测也是可选方案，同时有利于系统小型化。

◆ 便携化
完全便携化需简化光路系统，直接连接探头到成像平台。目前多数PAM系统仅探头部分便携，实现整个系统小型化需平衡光学和机械部件集成，满足便携性同时保持成像性能。

◆ 临床应用
便携式PAM临床应用需考虑医学标准、安全性和患者隐私等问题，相关法规和标准化工作有待发展和制定，以确保成像设备可靠性、准确性和安全性。此外，可融合更多互补模态，增强临床适用性。

总结与展望
PAM利用高光学吸收对比度，结合低衰减的超声探测，具有三维高分辨率成像能力，可以提供形态、功能和分子信息。近些年，随着成像性能不断被优化，包括空间分辨率、穿透深度、探测灵敏度、成像速度等，PAM已发展成生物医学研究的重要工具，在脑科学、肿瘤、眼科学及神经学等领域获得广泛的研究。为了将其发展为一个有广泛普适性的临床成像平台，小型化体积与便携化设计的PAM是当前研究的热点。

目前的便携式PAM系统在结构设计、外形及使用方式上差异很大，主要研究还停留在实验室，难以被普遍接受和临床应用。随着新技术与人工智能的飞速发展，未来PAM系统有望在集成化、图像处理等方面得到优化。此外，系统研发与用户实际需求要密切结合，结合当前的技术瓶颈，研发能被普遍接受和便于操作的临床成像平台。

综上所述，便携式PAM技术在医学和生物科学领域具有巨大潜力，随着不断的创新和技术发展，便携式PAM技术会走向成像性能更优、应用范围更广、普适性更高的新阶段。

声明：本文仅用作学术目的。文章来源于：孙明丽, 李驰野, 陈睿黾, 施钧辉. 微观探索的新光芒：便携式光声显微成像技术（特邀）[J]. 激光与光电子学进展, 2024, 61(6): 0618017.