撰稿 | 李 洋
光学分辨率光声显微成像技术（OR-PAM）结合了光学与超声成像的优点，在当今生物医学领域发展迅速、应用广泛。现今，大部分OR-PAM使用激发光与声探测共聚焦的方式，依靠机械式扫描形成显微图像。其成像速度受限于扫描速度。早期的多焦点光声显微成像通过声学传感器阵列和微透镜阵列的组合提高了光声显微成像速度，但同时，声学传感器阵列的繁杂系统设置和高昂费用极大地限制了该技术的临床发展及应用。
近日，美国加州理工光学成像研究所（COIL）汪立宏团队提出一种结合单传感器遍历腔中继和微透镜阵列的新型多焦点光声成像技术（MFOR-PAMER）（图1），在缩短光声显微成像扫描时间高达400倍的同时，大幅简化了成像系统设置，实现低成本、轻便化的高速光声显微成像。
多焦点光声显微成像的要点在于并行探测由微透镜阵列产生的多个光声信号源。声学传感器阵列通过不同传感器之间收到光声信号的时间差反向求解光声方程，重构出多个信号源的三维空间分布。而汪立宏团队提出的使用遍历腔作为中继的替代方法通过将多维的空间信息进行加密压缩，仅需使用一个传感器便可同时重构出多个信号源的空间分布（图2）。
该成像方法分为两步，第一步对遍历腔的成像区域进行逐点标定，测量成像区域的系统矩阵。第二步是进行宽场成像测量。在接受到通过遍历腔的光声信号后，将逐点标定的系统矩阵作为一组完备的基用于图像重建，将压缩后的一维时间信号解密重建出二维的宽场图像。
该技术此前于 2020年 1月 以“Snapshot photoacoustic topography through an ergodic relay for high-throughput imaging of optical absorption”为题，发表于Nature Photonics，引起了科学界的广泛关注。
图2. 遍历腔中继式光声成像（PATER）
为了进一步提升成像分辨率，汪立宏团队在PATER技术的基础上加入微透镜阵列，使其具备了达到光学分辨率的多焦点成像功能。该方法的原理为利用已知的多焦点聚焦位置对重建的焦点进行数字化定位，将每个重建的焦点的分辨率提升至光学分辨率。然后通过扫描和叠加完全覆盖成像区域，最后通过计算生成完成图像（图3）。
在扫描和叠加步骤中，该方法仅需要覆盖微透镜间距的扫描距离，从而大幅降低了扫描时间。对比传统扫描式显微成像，该方法缩短扫描时间的倍速等于微透镜阵列所含的透镜总数。
图3. 多焦点定位成像原理
文章中，作者对比了多焦点光学分辨率光声显微图像与通过原始重建方法生成的声学分辨率图像结果（图4）。多焦点光学分辨率的成像结果明显更为清晰，并更好地还原了拍摄的血管结构。
图4. 声学分辨率（AR，左）与多焦点光学分辨率（MFOR，右）
MFOR-PAMER是一种系统设置简单，成本低，速度极快的新型光声显微成像技术。在显微成像，临床等领域具有广泛的应用前景。作者对该技术给予很高的期望。比如结合紫外光源的高速无标记组织学检测等，MFOR-PAMER有望将传统需要数小时的扫描时间压缩至1分钟以下，大幅增加检测效率及质量。
该研究成果以”Multifocal photoacoustic microscopy using a single-element ultrasonic transducer through an ergodic relay”为题在线发表在Light: Science & Applications。
本文第一作者为加州理工光学成像研究所（COIL）及圣路易斯华盛顿大学生物医学工程系博士李洋，通讯作者为美国国家工程院院士，加州理工学院汪立宏教授。共同作者包括前研究所成员黄子维等。
https://doi.org/10.1038/s41377-020-00372-x
☞ 本文来源：中科院长春光机所 Light学术出版中心
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