之江实验室类人感知研究中心，浙江 杭州 311121
光声成像（PAI）是一种结合了光学成像高对比度和超声成像深穿透性的生物医学成像模态，近年来得到了迅速发展。其中，光声显微成像（PAM）作为光声成像的重要实现方式之一，可以在毫米级的成像深度上实现微米级甚至百纳米级的分辨率，能够实现对生物组织结构、功能和分子的高分辨率成像，已在临床诊断、皮肤病检测和眼科等领域得到广泛应用。首先对PAM的工作原理和实现方式等进行基本介绍，之后围绕便携式PAM技术，从手持与半手持式、脑部可穿戴式及集成多模态3方面对其研究进展进行综述，随后探讨便携式PAM技术面临的挑战，最后进行总结与展望。
生物医学成像 光声成像 光声显微成像 便携式光声显微成像 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618017
马海钢 1,2,3,*吴家辉 1,2,3朱亚辉 1,2,3魏翔 1,2,3[ ... ]左超 1,2,3,**
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院智能计算成像实验室（SCILab），江苏 南京 210094
2 南京理工大学江苏省光谱成像与智能感知重点实验室，江苏 南京 210094
3 南京理工大学智能计算成像研究院（SCIRI），江苏 南京 210019
光声显微成像（PAM）是一种具有无损、多功能、高分辨率等特点的生物医学成像技术，通过检测光声信号进行图像重建可实现高分辨率和高深度的结构和功能成像，在生命科学、基础医学和医疗诊断中发挥着越来越重要的作用。首先概述光声显微技术的发展背景和原理特点，然后对利用光学增强、声学增强、人工智能增强及光学与声学互补的光声显微成像术促进成像性能提升的方法进行论述，最后讨论当前光声显微技术在生物医学研究中的广泛应用，并对未来技术的发展趋势进行展望。
生物医学影像 光声显微成像 高分辨 多功能 无损 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618006
1 华南师范大学生物光子学研究院激光生命科学教育部重点实验室，广东 广州 510631
2 华南师范大学生物光子学研究院广东省激光生命科学重点实验室，广东 广州 510631
光声成像结合了光学成像的高对比度和超声成像的深穿透性优势，能够利用内源性、外源性造影剂对比显示组织的结构、功能、代谢特征和分子、动力学信息等，同时可以实现从细胞器、细胞、组织到器官的多尺度成像，在生物医学研究中发挥着越来越重要的作用。简要回顾了光声成像的基本原理，重点总结了光声计算断层成像(PACT)、光声显微成像(PAM)、光声内窥成像(PAE)和光声分子成像近年来的研究热点及技术进展，主要涉及成像探测方式的选择与改进、低成本激发光源的替代方案、图像重建算法的进步、系统成像速度和分辨率的提高以及分子探针的新兴设计策略等，最后展望了光声成像的应用前景。
中国激光
2022, 49(20): 2007208
暨南大学光子技术研究院广东省光纤传感与通信技术重点实验室，广东 广州 510632
光纤光声成像技术利用光纤传感器来探测由激光脉冲在生物体内激发出的超声波，从而实现对目标组织成分的高对比度成像。光纤超声传感系统的噪声特性是成像信噪比的决定性因素之一，本研究团队详细分析了超声敏感元件——正交双频光纤激光器与光放大器、光电探测器及数据采集模块等各环节对噪声的贡献，同时分析了系统噪声、拍频信号功率和频率噪声与光功率(或者光电流)之间的关系。研究结果表明，通过光放大器提升注入光探测器的光功率能够显著提升光纤传感系统的信噪比，当注入光探测器的光功率达到10 mW以上时，拍频信号频率抖动的均方值可由74 kHz降低到44 kHz，在50 MHz带宽内提供的噪声等效声压由32.9 Pa降低到19.5 Pa，信噪比提升4.5 dB。进一步，本研究团队基于光纤超声传感器构造了光纤光声显微镜，并采用该显微镜对小鼠耳部血管进行活体成像，结果发现提升信号光功率能够显著增强图像的信噪比。
医用光学 光声显微成像 光纤超声传感器 噪声特性 中国激光
2022, 49(15): 1507204
1 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，广东 深圳 518055
2 中国科学院深圳先进技术研究院劳特伯生物医学成像研究中心，广东 深圳 518055
3 南方医科大学珠江医院肝胆一科，广东 广州 510282
声学分辨率光声显微技术具有较高的光学对比度和声学分辨率以及大穿透深度等优势，是一种具有广阔应用前景的生物医学成像技术。聚光镜聚焦与单侧侧面激发等传统的激发方式具有光斑不均匀、存在光学热噪点、光能利用率低等不足，在一定程度上限制了声学分辨率光声显微技术的临床前和临床应用。本团队通过改进声学分辨率光声显微镜的激发方式，由单侧激发改为双侧激发，提升了成像过程中光束对复杂生物组织的覆盖面积，从而提升了成像质量。结果表明，双侧激发方式使得声学分辨率光声显微镜在复杂生物样品成像过程中可以获得更高的对比度和信噪比，成像性能更好。
生物光学 光声显微成像 声学分辨率 双侧激发 中国激光
2022, 49(15): 1507201
1 山西大学光电研究所, 量子光学与光量子器件国家重点实验室山西 太原 030006
2 山西大学, 极端光学协同创新中心山西 太原 030006
本文设计并搭建了一套激励光和超声探测器对向共轴共焦的具备亚细胞尺度成像分辨率和毫米级成像深度的光学分辨率光声显微成像（OR-PAM：Optical-resolution photoacoustic microscopy）系统。与基于多纵模脉冲激光激励的光声成像系统相比，使用自制的单纵模纳秒532 nm 脉冲激励光源，将光声探测的信号强度提高了1.35 倍，测得成像系统的轴向分辨率为18 m，横向分辨率为8 m，成像深度为1:54 mm，成像深度-横向空间分辨率比达192.5。利用研制的OR-PAM 系统对嵌有碳纤维丝的仿体样品以及活体小鼠的耳朵进行成像，获得了高分辨率的图像。
单纵模纳秒脉冲激光 光学分辨率 光声显微成像 亚细胞结构尺度 single longitudinal mode nanosecond pulsed laser optical resolution photoacoustic microscopy subcellular structure
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，广东 深圳 518055
光声成像综合了光学成像和超声成像的优点，在具备声学穿透深度的同时，保留了光学丰富对比度。在声学分辨率光声成像（AR-PAM）中，为了获得高成像质量，通常采用大数值孔径的聚焦性超声探头。然而由于探头的焦深有限，在离焦区域，光声图像的横向分辨率和信噪比会显著降低。基于虚拟点的合成孔径技术，有助于解决AR-PAM在失焦区域横向分辨率下降的问题。目前，AR-PAM合成孔径聚焦技术已经发展了多种算法，包括一维合成孔径聚焦、二维合成孔径聚焦、自适应合成孔径聚焦、基于空间脉冲响应的合成孔径聚焦，以及基于延迟相乘和的合成孔径聚焦等。本文对这些算法的优缺点进行评价总结，并展望了其在未来发展中的前景。
激光与光电子学进展
2022, 59(6): 0617007
1 华南师范大学生物光子学研究院, 激光生命科学教育部重点实验室暨激光生命科学研究所, 广东 广州 510631
2 华南师范大学生物光子学研究院, 广东省激光生命科学重点实验室, 广东 广州 510631
注射微整形手术中可能会出现经皮针头扎破面部动脉血管的情况,这会导致注射药物(如玻尿酸)渗入血管形成栓子、引发血管栓塞,从而致使局部组织缺血、失明甚至中风。为解决这一问题,提出利用光声显微成像引导注射微整形手术。利用带有导针器的光声显微成像探头对固定角度插入的注射针头进行成像,得到针头的行进路线,然后对目标区域进行三维血管成像,通过图像融合并提取其中针头与血管相交区域的像素点数量,可判断针头是否会扎破面部动脉血管,降低手术风险。通过叶脉和活体小鼠成像实验验证了该方法的可行性,结果表明,该方法可以精确地引导扎针,在提高注射微整形手术安全性方面有良好的应用前景。
生物光学 光声显微成像 手术导航 注射微整形术 图像融合 中国激光
2021, 48(21): 2107002
1 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所, 江苏 苏州 215163
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 中国科学院大学, 北京101408
4 亚里士多德大学电子与计算机工程学院, 希腊 塞萨洛尼基 54124
5 亥姆霍兹慕尼黑研究中心生物与医学影像研究所, 德国 慕尼黑 85764
在光声显微成像中,系统的探测灵敏度是决定成像质量和探测深度的关键因素,也将进一步影响光声成像在生物医学领域中的应用范围。通过将微型放大芯片集成至换能器单元,实现信号的前置放大和输出阻抗的匹配,提高了探测灵敏度和信噪比;基于制备的原型换能器搭建了光声显微成像系统,并通过仿体和大鼠耳部血管的三维成像实验,验证了该系统进行高灵敏光声显微成像的可行性。实验结果表明:基于集成放大芯片换能器的光声显微成像技术可使光声信号的信噪比提升10 dB以上,具有应用于微弱生理、病理变化检测和定量分析的潜力。
医用光学 探测灵敏度 光声显微成像 集成放大芯片 微血管
