光声显微镜

2020-12-21 14:01:39 浏览:936

定义

光声显微镜(Photoacoustic microscope,PAM)是光声成像[1] 的一种成像模式,主要针对于浅表组织进行成像,成像分辨率高,而成像深度浅。在PAM中,光学激发和超声波检测都是聚焦的,并且双焦点通常被配置为共焦以求达到最大灵敏度。每个激光脉冲产生一维(1D)深度分辨图像而无需机械扫描,沿X轴(或Y轴)扫描产生2D图像,沿X、Y轴扫描产生3D图像。轴向分辨率由声波传播时间确定,而横向分辨率由重叠的双焦点确定。根据光学或超声波焦点谁更精细,PAM进一步分为光学分辨率光声显微镜(OR-PAM)[2,3] 和声学分辨率光声显微镜(AR-PAM)[4]

光学分辨率光声显微镜

OR-PAM在亚细胞或细胞范围内提供从几百纳米到几微米的横向分辨率(图1)。如果要在声学上实现这样的分辨率,则声学信号的中心频率必须至少为300MHz。在如此高的频率下,超声波会严重地传播损失并且在组织中仅能穿透几百微米。幸运的是,光学聚焦可以容易地限制光声激发焦点的大小以获得高横向分辨率,同时保持一定的成像深度。然而,成像深度受到体内光学扩散极限的限制,最多在1mm左右[3]

图 1 OR-PAM下的小鼠耳中SO2

声学分辨率光声显微镜

在超出光学扩散极限的深度,甚至高达几毫米的深度时,AR-PAM通过利用低得多的声学散射实现高分辨率。尽管是漫射光激发,但是通过衍射限制声学检测实现了数十微米的横向分辨率。在AR-PAM中,通过暗场照明实现光激发,如图3所示,出于两个关键原因:首先,环形照明消除了来自组织表面的其他显着干扰信号。其次,环形孔对于超声换能器相对于光学激发同轴地和共同地定位是理想的。该系统在体内提供45μm的横向分辨率,成像深度为3 mm。通过检测血红蛋白获得了浅表皮和深层真皮中人皮肤微血管的解剖图像(图2)[5] 。然而,为了宏观成像,将成像深度进一步推进到厘米需要在低脉冲重复率下使用更高能量的激光。而这样的横向扫描对于许多临床应用而言变得太慢。

图2 AR-PAM下的人手掌中标准化总血红蛋白浓度

参考文献

[1] L. V. Wang and S. Hu, Photoacoustic tomography: in vivo imaging from organelles to organs. Science 335.6075(2012):1458-1462.
[2] S. Hu, K. Maslov, L. V. Wang, Second-generation optical-resolution photoacoustic microscopy with improved sensitivity and speed. Opt. Lett. 36, 1134 (2011).
[3] K. Maslov, H. F. Zhang, S. Hu, L. V. Wang, Optical-resolution photoacoustic microscopy for in vivo imaging of single capillaries. Opt. Lett. 33, 929 (2008).
[4] H. F. Zhang, K. Maslov, G. Stoica, L. V. Wang, Functional photoacoustic microscopy for high-resolution and noninvasive in vivo imaging. Nat. Biotechnol. 24, 848 (2006).
[5] C. P. Favazza, O. Jassim, L. A. Cornelius, L. V. Wang, In vivo photoacoustic microscopy of human cutaneous microvasculature and a nevus. J. Biomed. Opt. 16, 016015 (2011).

光声成像

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