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超聲分辨率光聲顯微鏡的優(yōu)勢(shì)以及性能特點(diǎn)-華普通用

發(fā)表日期:2019/07/19 瀏覽次數(shù):

光聲成像是基于光聲效應(yīng)的一種復(fù)合成像技術(shù),超聲分辨率光聲顯微鏡有效地綜合了聲學(xué)方法對(duì)深層組織成像分辨率高的優(yōu)點(diǎn),以及光學(xué)成像在獲取組織化學(xué)分子信息方面的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)激光照射物質(zhì)時(shí),被照射區(qū)域及臨近區(qū)域會(huì)吸收電磁波能量并將其轉(zhuǎn)換為熱能,進(jìn)而由于熱脹冷縮而產(chǎn)生應(yīng)力或壓力的變換,激發(fā)并傳播聲波,稱為光聲信號(hào)(見(jiàn)圖)。超聲分辨率光聲顯微鏡其強(qiáng)度和相位不僅取決于光源,更取決于被照射物質(zhì)的光吸收系數(shù)的空間分布,以及被照物質(zhì)的光學(xué)、熱學(xué)、彈性等特性。光聲成像正是通過(guò)檢測(cè)光聲效應(yīng)產(chǎn)生的光聲信號(hào),從而反演成像區(qū)域內(nèi)部物質(zhì)的光學(xué)特性,重構(gòu)出光照射區(qū)域內(nèi)部的圖像。通過(guò)選擇合適的成像模式和選用不同頻率的超聲換能器,光聲成像可以提供微米甚至納米量級(jí)的空間分辨率,同時(shí)獲得毫米到幾十毫米量級(jí)的成像深度。光聲成像技術(shù)十幾年的發(fā)展顯示了它能對(duì)生物組織內(nèi)一定深度病灶組織的結(jié)構(gòu)和生物化學(xué)信息高分辨率、高對(duì)比度成像,而其他技術(shù)則暫不具有這樣的功能。目前,光聲成像技術(shù)已是生物組織無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域里備受關(guān)注的研究方向之一,國(guó)際上眾多研究學(xué)者將重心轉(zhuǎn)移至這一研究方向。


  光聲成像有兩種具體的實(shí)現(xiàn)方式:一種是光聲斷層成像(Photoacoustic tomography,PAT),另一種是光聲顯微鏡(Photoacoustic microscopy,PAM)。光聲斷層成像系統(tǒng)使用非聚焦激光照射成像樣品來(lái)產(chǎn)生光聲信號(hào),并利用非聚焦或線聚焦換能器接收光聲信號(hào),隨后通過(guò)求解光聲傳播逆問(wèn)題來(lái)重構(gòu)光聲圖像。光聲斷層成像的圖像重構(gòu)依賴于特定的圖像重構(gòu)算法,其成像的空間分辨率和成像深度取決于超聲換能器的工作頻率。光聲顯微鏡通常使用掃描的方式獲得,而不需要復(fù)雜的重建算法。掃描的方式主要有兩種,第一種是通過(guò)掃描一個(gè)聚焦的超聲探測(cè)器以獲取光聲圖像,這種方式被稱為超聲分辨率光聲顯微鏡,它通過(guò)超聲來(lái)進(jìn)行定位,分辨率決定于超聲換能器的帶寬以及中心頻率,分辨率能等達(dá)到15微米到100微米,由于利用超聲進(jìn)行定位,因此這種顯微鏡的成像深度能達(dá)到30毫米。第二種掃描方式是采用會(huì)聚的激光束進(jìn)行掃描,通過(guò)這樣的方式能達(dá)到光學(xué)分辨率的光聲成像,它的分辨率取決于會(huì)聚激光束的衍射極限,因此它也被稱為光學(xué)分辨率光聲顯微鏡,由于這種方法通過(guò)光來(lái)定位,由于組織的散射的影響,它的穿透深度不如超聲分辨率光聲顯微鏡。

  我國(guó)科研人員在這一領(lǐng)域做出了較大的貢獻(xiàn),例如華南師范大學(xué)生物光子學(xué)研究院邢達(dá)教授團(tuán)隊(duì)建立了基于二維掃描振鏡的共焦光聲顯微成像系統(tǒng),能夠高分辨地成像多種癌癥細(xì)胞、黑色素細(xì)胞、紅細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞等,并建立起基于中空超聲聚焦探測(cè)器的光聲顯微鏡,實(shí)現(xiàn)了多尺度的光聲顯微成像。唐志列教授課題組建立了基于光聲微腔的顯微成像系統(tǒng),獲得了高分辨率的光聲顯微圖像。中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)研究院宋亮研究員課題組利用壓縮感知技術(shù)提高了光聲顯微成像的成像速度,并通過(guò)改進(jìn)光聲顯微成像系統(tǒng)的掃描裝置實(shí)現(xiàn)了亞波長(zhǎng)分辨率的光聲成像。華中科技大學(xué)駱清銘教授團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了基于反射式顯微物鏡的光聲顯微成像系統(tǒng),改善了成像分辨率及成像深度。


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