作者单位
摘要
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
作者单位
摘要
1 中山大学电子与信息工程学院,广东 广州 510006
2 华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室,上海 200241
目前光声成像中用于探测超声波的主流器件是基于压电材料的超声换能器,考虑到这类换能器的探测性能随器件尺寸的减小而大幅下降,科研者们近年来开始逐渐关注于小型化光学超声传感器的研究与开发。相较于传统的压电超声换能器,这些小型化的光学超声传感器通常具备较宽的探测带宽和与尺寸几乎无关的高灵敏度,在推动更深和更高分辨率的光声成像方面展现出了巨大的潜力。本文首先对光学超声传感器的发展历程进行了简要回顾,然后比较了3种重要的小型化光学超声传感器以及并行寻址的方法,其次介绍了这些传感器在光声活体成像方面的应用进展,最后展望了光学超声传感器的未来前景。
光声成像 光学超声传感器 片上器件 法布里-珀罗干涉仪 光纤布拉格光栅 微环谐振器 
激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211032
许路寒 1张浩 1李东 1,*陈斌 1[ ... ]姚亮 2,**
作者单位
摘要
1 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,陕西 西安 710049
2 西安交通大学第二附属医院眼科,陕西 西安 710004
光声成像是一种结合光学和声学原理的多模态成像技术,可用于观察和获取组织内部的结构和功能信息。血液流速是评估血管功能的重要指标,血液流速的测量与疾病的发生和发展密切相关。推导了基于热测量法测量血液流速的基本理论,搭建了光声测速/成像实验系统,并开展了光声速度测量和成像实验。通过实验研究,获得了光声声压与流体速度间的定量关系,经实验验证流速测量的平均误差为8.2%,最大测速范围可达200 mm·s-1。在此基础上,采用二维机械扫描的方式实现了分辨率为10 μm的光声形态/流速协同测量。
医用光学 光声成像 光声测速 热测量法 光声显微镜 
中国激光
2024, 51(3): 0307205
赖溥祥 1,2,3,4,*赵麒 1,2周颖颖 1,2程圣福 1,2[ ... ]仲天庭 1,2,**
作者单位
摘要
1 香港理工大学生物医学工程系,香港 九龙999077
2 香港理工大学深圳研究院,广东 深圳 518055
3 香港理工大学光子技术研究院,香港 九龙999077
4 香港理工大学体育科技研究院,香港 九龙999077

光学技术在生物医学中扮演着越来越重要的角色,其非电离辐射、高分辨率、高对比度和对生物组织异变高度灵敏等特性使其非常适用于生物组织的研究,包括成像、传感、治疗、刺激以及控制等。然而由于光折射因子在生物组织中的分布是不均匀的,光在生物组织中的传播会受到很强的散射影响,故纯光学技术的穿透深度和空间分辨率是“鱼和熊掌不可兼得”;高分辨率光学成像应用仅限于样品浅表层,当成像深度增加时分辨率急剧下降。实现光在深层生物组织里的高分辨率成像或应用是人们期盼已久的目标。近年来,为解决这一问题,研究者提出了不同的方法,例如切换到更长的光波长以减小组织散射系数,在信号检测时将漫射光转换为散射不明显的超声信号,逆转或者预先补偿由光的多次散射所带来的相位畸变,或借助光纤等微创光学通道实现深层生物组织的高分辨率光学成像、刺激等。基于团队在深层生物组织光学相关领域多年的耕耘,从光在生物组织中的传播特性出发,梳理和总结了近年来研究人员在光-声结合和光学波前整形技术等方面展开的诸多探索,以及在生物组织操控、成像、光学计算以及人工智能等领域中的应用尝试。虽然尚有诸多不足,但随着硬件设备的更新和计算技术的发展,在不远的将来有望实现活体深层生物组织光学高分辨率应用。在这一求索过程中,新方法和新能力将不断激发新的应用灵感,为光学尤其是生物医学光子学带来全新的理念和机遇。

生物光学 光学成像 生物医学光子学 深层组织 光学波前整形 光声成像 
中国激光
2024, 51(1): 0107003
作者单位
摘要
上海大学机电工程与自动化学院,上海 200072
光声成像技术结合光学的高对比度、高分辨率和声学的高穿透深度,已经发展成为一项独具优势的无损检测与成像技术。光声成像技术利用光声效应产生的超声信号解析深度信息,从而在三维空间对被测对象进行定位。在文物保护领域,制作文物的各种材料具有不同的光学吸收特性,在激光的激励下,产生并向外辐射幅值和频率不同的超声信号。超声信号的典型特征兼具鉴别材料类型和识别表面缺陷的功能,因此光声成像技术在文物保护领域具有应用价值。分类概述了现有的光声成像技术,阐述了光声成像技术在文物保护领域的发展现状及局限性,最后总结展望了光声成像技术在该领域的发展前景。
光学检测 光声成像 超声波 文物特征信息检测 文物保护 
激光与光电子学进展
2023, 60(24): 2400005
作者单位
摘要
1 曲阜师范大学计算机学院,山东 日照 276826
2 中国科学院深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所,广东 深圳 518055
光声计算层析成像(PACT)不需要外源性对比剂便可获取厘米级深度的光声图像。然而,来自皮肤的高强度光声信号遮盖了皮下深层组织信息,阻碍了感兴趣区域光声图像的正面显示和分析。因此,笔者提出了融合多尺度感知和残差连接的U型深度学习模型,并采用该模型实现了PACT光声图像中皮肤信号的智能分割。首先,提出以单类皮肤区域标注为基准标签图像的非像素级皮肤区域标注方法,该方法不需要像素级图像标注,能够显著降低数据处理的复杂度;然后,设计了皮肤完整性拟合和皮肤掩膜生成算法,并采用该算法实现了PACT图像中皮肤信号的自动去除。使用PACT成像实验获得的人体腿部外周血管光声图像验证了所提方法在皮肤组织高精度智能提取和去除方面的正确性和有效性。与现有的皮肤去除工作相比,本文所提皮肤去除算法对MAP图像的重建误差下降了50%~70%,峰值信噪比平均提升了约4.5 dB,为深层组织PACT图像的高清晰显示提供了一条有效途径。
生物光学 光声成像 皮肤分割 深度学习 外周血管成像 
中国激光
2023, 50(21): 2107111
孙彤 1,2黄国家 3,*张振辉 1,2,**
作者单位
摘要
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
3 南方医科大学附属广东省医学科学院广东省人民医院医学研究部,广东 广州 510080
建立了小鼠原位肝癌模型,利用活体荧光成像系统激发的荧光信号对肿瘤进行了定位,通过光声显微成像系统观察了正常肝小叶、肿瘤中心和癌旁的微血管结构特征和血氧功能。结果表明,正常的血管分布均匀、分化良好,而肿瘤的血管分布不均匀且混乱,分支直径增加,更适合低氧环境。光声技术在研究肝细胞癌方面展现出巨大的潜力,可以为肿瘤抗血管生成治疗和诸多肝脏相关疾病的诊断提供更深入的见解。
医用光学 光声成像 肝细胞癌 肿瘤微环境 血氧饱和度 抗血管生成治疗 
中国激光
2023, 50(15): 1507105
作者单位
摘要
山西大学 激光光谱研究所,量子光学与光量子器件国家重点实验室,太原 030006
随着光声光谱的不断发展,以光声效应为基础所兴起的非侵入式光声成像技术正逐步成为生物医学的研究热点。该技术除具有光学成像优点外,还拥有声学深度传播优势,能够突破光学衍射极限、散射极限,获得高成像分辨率。本文介绍了光声成像的原理机制,对目前三种典型光声成像技术:光声断层成像技术、光声显微镜技术和光声内窥镜技术分别进行了介绍,总结对比了这三种成像技术的优势,同时总结了近十几年随着光声技术的不断发展,为提高其成像分辨率的各类方法,最后展望了三种技术的未来发展趋势。
光声光谱 生物医学 光声成像 结构成像 Photoacoustic spectroscopy Biomedicine Photoacoustic imaging Structural imaging 
光子学报
2023, 52(3): 0352105
作者单位
摘要
1 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 511443
2 暨南大学附属第一医院消化内科,广东 广州 510632
3 广东省人民医院广东省心血管病研究所,广东 广州510080
4 广州信筑医疗技术有限公司,广东 广州 510535
微循环功能是反映危重病人器官生理状态的关键指标,为确定后续治疗手段提供了重要依据。传统上采用显微镜等手段观察体表微循环状态,但仅能获得组织毛细血管的空间形态,获取的功能性信息有限,难以满足临床需求。针对肠道内微循环监测需求构建了小型化光纤光声内窥镜,将成像探头伸入活体小动物直肠内以旋转扫描的方式进行内窥成像。在扫描过程中通过逐点探测由激光脉冲在生物体内激发出的超声波,能够获得消化道内壁血管空间分布;基于动静脉血在光学吸收谱上的差异,采用双波长激发获得了血氧饱和度的空间分布。基于数小时的连续监测,发现小动物患脓毒症后直肠内壁血管结构与血氧饱和度均发生明显变化。实验结果表明,该技术能够以无创方式表征典型微循环疾病模型的功能性变化,为微循环的无创监测提供了一种新的技术途径。
生物医学 光声成像 光声内窥镜 超声传感器 光纤传感器 微循环障碍 
中国激光
2023, 50(9): 0907103
万余洋 1,2雷鹏 3,*熊科迪 1,2杨思华 1,2,**
作者单位
摘要
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
3 广东省科学院生物与医学工程研究所,广东 广州 510316
识别动脉粥样硬化斑块的易损性是防治急性冠状动脉疾病的重要途径。纤维帽厚度、脂质核心大小、管腔狭窄程度和管腔的力学特性是评估斑块易损性的关键参数。然而,单一模态的血管内成像技术难以通过一次成像获取用于评估斑块易损性的全面信息。本团队通过复用光路和声路,将血管内超声成像(IVUS)和血管内光学相干层析成像(IVOCT)与血管内光声成像(IVPA)、光声弹性成像(IVPAE)有机结合到一起,开发了一种血管内光声-超声-光学相干层析-光声弹性四模态一体化成像探头及成像系统。该一体化成像探头的成像直径仅为0.97 mm,光学相干层析、光声、超声模态的横向分辨率分别为20.5、61.3、122.2 μm,纵向分辨率分别为15.8、57.4、72.5 μm。离体模拟样品和兔腹主动脉的在体成像实验验证了血管内四模态成像能够提供血管壁的宏观和微观结构信息,同时能够特异性识别脂质成分和反映脂质斑块的弹性力学信息。该一体化探头可一次性获取血管内斑块的多物理影像特性,有望为动脉粥样硬化斑块的深入理解和诊治提供新型的介入成像方法和工具。
医用光学 光声成像 超声成像 光学相干层析成像 光声弹性成像 血管内多模态成像 
中国激光
2023, 50(3): 0307107

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