在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，諸如眼科、皮膚科、內(nèi)窺等方面，需要對微血管網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行成像，傳統(tǒng)的X射線斷層成像（X-CT）有電離輻射并且需要用到造影劑；磁共振成像（MRI）費(fèi)用昂貴，且空間分辨率也只有1mm級別；光學(xué)相干層析成像（OCT）無輻射、成像速度快、分辨率高，但是由于生物組織對光的強(qiáng)烈散射，光難以在組織內(nèi)聚焦，無法觀測較厚的生物組織。近年來，光聲成像（PAI）因無損傷性、高分辨率、大穿透深度等特點(diǎn)，成為生物醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。

光聲顯微成像（PAM）作為PAI的重要分支，成像深度可達(dá)數(shù)毫米，空間分辨率可達(dá)幾微米甚至百納米。與傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡（如共聚焦、雙光子顯微鏡）或光學(xué)相干層析成像相比，PAM有獨(dú)特的優(yōu)勢：利用超聲探測，可以克服光學(xué)散射極限，獲取更深的組織信息；能以高靈敏度獲取微血管的結(jié)構(gòu)和功能信息；無須依靠光學(xué)切片即可獲得三維體圖像。

之江實(shí)驗(yàn)室類人感知研究中心聚焦于便攜式PAM技術(shù)，首先對PAM的工作原理、實(shí)現(xiàn)方式等進(jìn)行介紹，之后從手持與半手持式、腦部可穿戴式及集成多模態(tài)3方面對便攜式PAM的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，最后探討便攜式PAM技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)與展望。

光聲顯微成像技術(shù)
光聲成像源于1880年Bell發(fā)現(xiàn)的光聲效應(yīng)。當(dāng)生物組織受短脈沖激光或強(qiáng)度調(diào)制激光照射，組織吸收能量產(chǎn)生瞬間溫度變化，熱彈性機(jī)制致使體積漲縮，激發(fā)超聲波。通過探測超聲信號，重構(gòu)組織光吸收分布圖像，以反映生理學(xué)特征。光聲成像利用超聲探測的層析能力，可基于血液在可見光波段的高吸收特性實(shí)現(xiàn)內(nèi)源性無標(biāo)記成像。

一、分類與特點(diǎn)
1.光學(xué)分辨率光聲顯微成像（OR-PAM）
利用聚焦激光照射與平場式或聚焦式超聲探頭探測，聚焦式探頭檢測靈敏度高。橫向分辨率取決于光學(xué)焦斑尺寸，可達(dá)幾微米至幾百納米，成像深度約1mm，適用于細(xì)胞和亞細(xì)胞尺度成像，對強(qiáng)光吸收體組織成像對比度大。

可工作于透射或反射模式，透射模式適用于薄生物樣品，反射模式在活體成像中更實(shí)用。反射式OR-PAM常用由兩個(gè)棱鏡組成的光聲耦合器（棱鏡間有硅油層）實(shí)現(xiàn)激光透射和超聲反射，也可用薄蓋玻片代替。

2.聲學(xué)分辨率光聲顯微成像（AR-PAM）
采用非聚焦激光照射和聚焦式超聲探頭探測，成像深度較大（通常2-3mm），橫向分辨率取決于聲焦尺寸。

二、造影劑應(yīng)用
1.內(nèi)源性造影劑
常見為血紅蛋白，廣泛用于獲取血氧飽和度、總血紅蛋白濃度和血流速度等參數(shù)，有助于腫瘤、血管損傷等病變診斷。黑色素在紫外與可見光波段光吸收高，可用于光聲監(jiān)測黑色素瘤，輔助皮膚癌及眼病診斷與監(jiān)測。在近紅外區(qū)，脂質(zhì)吸收差異可用于觀測動脈粥樣硬化斑塊，光聲光譜測量葡萄糖濃度可為糖尿病診斷和治療提供參考。

2.外源性造影劑
如有機(jī)染料、納米顆粒及熒光蛋白等，有助于深層血管及腦腫瘤等的光聲成像。

便攜式PAM進(jìn)展
一、手持與半手持式
1.電控位移臺掃描
早期PAM系統(tǒng)多采用電控位移臺掃描，體積龐大。如2007年Maslov等開發(fā)的便攜式實(shí)時(shí)PAM系統(tǒng)，采用可調(diào)諧激光器、電控位移臺與輕型手持式探頭，成像深度5mm，橫向分辨率優(yōu)于100μm，軸向分辨率35μm，可快速獲取B-scan圖像。2014年該小組研究的手持式AR-PAM系統(tǒng)對活體裸鼠黑色素瘤成像，但分辨率較低。2013年Zeng等開發(fā)的便攜式OR-PAM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、成本低，但成像速度與穩(wěn)定性受限。

2.新型高速掃描技術(shù)
◆ 音圈掃描
速度受音圈驅(qū)動力和掃描頭質(zhì)量限制，穩(wěn)定性差，不易集成化。

◆ 檢流計(jì)式掃描（GS）振鏡
尺寸較大，掃描范圍大，空氣中穩(wěn)定性好，但聲焦區(qū)域有限，光束和聲束同軸對準(zhǔn)難，視場大易離焦，多采用非聚焦超聲換能器檢測信號，存在靈敏度低、分辨率不穩(wěn)定問題。如2011年Hajireza等研制的手持式實(shí)時(shí)OR-PAM，采用光纖束引導(dǎo)和GS振鏡掃描，成像視場小、掃描速度慢。2019年Zhang等開發(fā)的手持式光聲探測系統(tǒng)，采用快速二維GS振鏡掃描，成像速度快、分辨率高、穿透深度深。2021年Seong等研制的大視場手持式PAM裝置，采用光聲耦合器和雙軸水浸式GS振鏡掃描，可自由移動調(diào)節(jié)探頭。2021年Qin等改進(jìn)的系統(tǒng)，時(shí)間分辨率5s，橫向和軸向分辨率分別為15μm與120μm，橫向成像視場10mm，可分析缺氧狀態(tài)下恒河猴腦血管結(jié)構(gòu)和功能反應(yīng)。2022年Chen等提出的混合掃描手持式PAM系統(tǒng)，B-scan速度達(dá)1288Hz，可實(shí)現(xiàn)靈活高速三維成像。

◆ 微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）振鏡
體積小、輕便靈活、易于集成，水浸式可實(shí)現(xiàn)光聲共聚焦，具有均勻探測靈敏度和較高成像信噪比，但聲焦區(qū)域限制成像視場基本在3mm以內(nèi)。如2017年Lin等將水浸式MEMS振鏡用于手持式OR-PAM，優(yōu)化了信噪比。2017年P(guān)ark等研發(fā)的手持式集成光聲探頭，質(zhì)量輕、直徑小，可獲取高分辨率圖像。Xi小組研制的多種手持式OR-PAM系統(tǒng)，對小型動物及人體成像效果良好，優(yōu)化后系統(tǒng)性能提升。2020年Zhang等研發(fā)的手持式光聲筆，有高速和高分辨率成像模式。

二、腦部可穿戴式
大腦對機(jī)體生命活動至關(guān)重要，PAI可用于腦成像研究�，F(xiàn)有手持式PAM難以實(shí)現(xiàn)可穿戴腦成像，小型輕便的可穿戴式腦監(jiān)測技術(shù)發(fā)展迅速。如Cao等提出的基于懸浮球和頭部固定裝置的PAM系統(tǒng)，對清醒與麻醉小鼠大腦成像并研究肥胖小鼠腦血管改變；2021年該小組設(shè)計(jì)的頭戴式顱窗，證明了多參數(shù)PAM系統(tǒng)實(shí)用性。Xi等在2017年提出適用于自由運(yùn)動大鼠神經(jīng)血管單點(diǎn)成像的探針，2019年開發(fā)的小型PAM探針可監(jiān)測自由運(yùn)動小鼠大腦皮層血管變化。2020年Dangi等設(shè)計(jì)的低成本、可穿戴式PAM系統(tǒng)初步驗(yàn)證有效，2021年Guo等設(shè)計(jì)的頭戴式探頭用于自由運(yùn)動小鼠腦成像。

三、集成多模態(tài)
多模態(tài)成像技術(shù)結(jié)合不同成像模式優(yōu)勢，可提供更全面組織診斷。PAM與共聚焦熒光顯微成像（CFM）結(jié)合的雙模態(tài)系統(tǒng)能進(jìn)行雙分子對比成像，如2013年Chen等開發(fā)的小型化雙模態(tài)系統(tǒng)，PAM和CFM橫向分辨率均為8.8μm，軸向分辨率分別為19μm和53μm。光學(xué)相干層析成像（OCT）與PAM結(jié)合可促進(jìn)腦疾病診斷，Xi等開發(fā)的系列小型化系統(tǒng)對小鼠耳部、人體口腔等成像效果良好。超聲（US）成像與PAM結(jié)合可獲取深層與淺層組織信息，2014年Daoudi等研究的手持式PA/US雙模態(tài)成像系統(tǒng)驗(yàn)證了成像速度與深度，Bai等研發(fā)的光聲-超聲探針分辨率高。將PAM、US、OCT三模態(tài)結(jié)合可充分發(fā)揮各模態(tài)優(yōu)勢，如2015年Dai等提出的三模態(tài)微型側(cè)視探頭及2017年同一小組改進(jìn)的探頭，2021年Leng等開發(fā)的微型成像系統(tǒng)可獲取血管壁多方面信息。

面臨的挑戰(zhàn)
◆ 成像速度與視場
多數(shù)PAM系統(tǒng)通過激光脈沖逐點(diǎn)掃描重建圖像，難以實(shí)時(shí)顯示寬視場圖像，限制了成像速度，增加臨床診斷時(shí)間。需探索微透鏡陣列平行掃描、開發(fā)更快成像技術(shù)和信號處理算法以實(shí)現(xiàn)高速成像和實(shí)時(shí)監(jiān)測。

◆ 信噪比
光學(xué)和聲學(xué)衰減導(dǎo)致深度信噪比下降，阻礙對深層組織信息的充分獲取，未來可利用深度學(xué)習(xí)去除偽影，提高深層組織圖像信噪比與質(zhì)量。

◆ 耦合介質(zhì)
多數(shù)PAM需水或超聲凝膠等耦合介質(zhì)填充或涂覆于探頭與皮膚組織間，限制術(shù)中應(yīng)用�？煽紤]使用新型探測設(shè)備，光學(xué)檢測也是可選方案，同時(shí)有利于系統(tǒng)小型化。

◆ 便攜化
完全便攜化需簡化光路系統(tǒng)，直接連接探頭到成像平臺。目前多數(shù)PAM系統(tǒng)僅探頭部分便攜，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)小型化需平衡光學(xué)和機(jī)械部件集成，滿足便攜性同時(shí)保持成像性能。

◆ 臨床應(yīng)用
便攜式PAM臨床應(yīng)用需考慮醫(yī)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)、安全性和患者隱私等問題，相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)化工作有待發(fā)展和制定，以確保成像設(shè)備可靠性、準(zhǔn)確性和安全性。此外，可融合更多互補(bǔ)模態(tài)，增強(qiáng)臨床適用性。

總結(jié)與展望
PAM利用高光學(xué)吸收對比度，結(jié)合低衰減的超聲探測，具有三維高分辨率成像能力，可以提供形態(tài)、功能和分子信息。近些年，隨著成像性能不斷被優(yōu)化，包括空間分辨率、穿透深度、探測靈敏度、成像速度等，PAM已發(fā)展成生物醫(yī)學(xué)研究的重要工具，在腦科學(xué)、腫瘤、眼科學(xué)及神經(jīng)學(xué)等領(lǐng)域獲得廣泛的研究。為了將其發(fā)展為一個(gè)有廣泛普適性的臨床成像平臺，小型化體積與便攜化設(shè)計(jì)的PAM是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

目前的便攜式PAM系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、外形及使用方式上差異很大，主要研究還停留在實(shí)驗(yàn)室，難以被普遍接受和臨床應(yīng)用。隨著新技術(shù)與人工智能的飛速發(fā)展，未來PAM系統(tǒng)有望在集成化、圖像處理等方面得到優(yōu)化。此外，系統(tǒng)研發(fā)與用戶實(shí)際需求要密切結(jié)合，結(jié)合當(dāng)前的技術(shù)瓶頸，研發(fā)能被普遍接受和便于操作的臨床成像平臺。

綜上所述，便攜式PAM技術(shù)在醫(yī)學(xué)和生物科學(xué)領(lǐng)域具有巨大潛力，隨著不斷的創(chuàng)新和技術(shù)發(fā)展，便攜式PAM技術(shù)會走向成像性能更優(yōu)、應(yīng)用范圍更廣、普適性更高的新階段。

聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。文章來源于：孫明麗, 李馳野, 陳睿黽, 施鈞輝. 微觀探索的新光芒：便攜式光聲顯微成像技術(shù)（特邀）[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2024, 61(6): 0618017.