多光谱、超低剂量的光声显微镜系统的灵敏度极限得到显著提高

“光学分辨率”光声显微镜是一种新兴的生物医学成像技术，可用于癌症、糖尿病和中风等多种疾病的研究工作。但是灵敏度不足，一直是其获得更广泛应用的长期障碍。据麦姆斯咨询报道，近期，香港城市大学（CityU）的一支研究团队开发出一种多光谱、超低剂量的光声显微镜（SLD-PAM）系统，该系统的灵敏度极限得到了显著提高，为未来新的生物医学应用和临床转化提供了可能，相关研究成果以“Super-Low-Dose Functional and Molecular Photoacoustic Microscopy”为题发表于Advanced Science期刊。

多光谱光声显微镜系统及其灵敏度增强示意图

光声显微镜结合了超声波检测和激光诱导光声信号，以创建生物组织的详细图像。当生物组织被脉冲激光照射时会产生超声波，然后超声波被检测并转换为电信号用于成像。与传统的光学显微镜方法相比，这种新颖的技术可以在更大的深度上实现毛细管水平或亚细胞级别的分辨率。然而，灵敏度不足阻碍了该技术的更广泛应用。

“高灵敏度对于高质量成像很重要。它有助于检测不强烈吸收光的发色团（通过吸收特定波长的可见光赋予材料颜色的分子）。它还有助于减少光漂白和光毒性，减少对脆弱器官生物组织的干扰，并在宽光谱范围内提供更多可选的低成本、低功率激光器。”香港城市大学生物医学工程系Wang Lidai教授解释道。

例如，在眼科检查中，为了更安全和舒适，优选低功率激光器。他补充称，对于药代动力学或血流的长期监测，需要低剂量成像以减轻对组织功能的干扰。

为了克服灵敏度挑战，Wang Lidai教授及其研究团队最近开发了一种多光谱、超低剂量的光声显微镜系统，突破了传统光声显微镜的灵敏度极限，将灵敏度显著提高了约33倍。

他们通过光声传感器设计的改进，结合用于计算的4D光谱空间滤波器算法，实现了这一突破。研究人员通过使用实验室定制的高数值孔径声透镜、优化光学和声学波束组合器，以及改进光学和声学对准来改进光声传感器的设计。该光声显微镜系统还利用低成本的多波长脉冲激光器，提供从绿光到红光的11种波长。其激光器以高达兆赫的重复频率工作，光谱切换时间为亚微秒级。

超低剂量照明下的血管形态提取

为了证明光声显微镜系统的重要性和新颖性，该研究团队通过绿光和红光光源的超低脉冲体内动物成像，对其进行了全面的系统测试，并得到了显著的成果。

首先，该光声显微镜系统能够实现高质量的体内解剖和功能成像。超低的激光功率和高灵敏度，显著地减少了眼睛和大脑成像的干扰，为临床转化铺平了道路。其次，在不影响图像质量的情况下，该光声显微镜系统较低的激光功率，将光漂白减少了约85%，并能够使用范围更广的分子和纳米探针。此外，该系统成本显著降低，使研究实验室和诊所更能负担得起。

Wang Lidai教授说道：“该光声显微镜系统能够在对受试者损伤最小的情况下，对生物组织进行非侵入性成像，为解剖、功能和分子成像提供了一种强大而有前景的工具。我们相信该光声显微镜系统有助于推进光声成像的应用，实现许多新的生物医学应用，并为临床转化铺平新的道路。”

接下来，Wang Lidai教授及其研究团队将利用该系统在生物成像中测试更广泛的小分子和基因编码生物标志物。他们还计划在宽光谱中试验更多类型的低功率光源，以开发可穿戴或便携式光声成像显微镜。

        审核编辑：彭菁