在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，準(zhǔn)確觀察和理解生物體內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)與生理功能，一直是科學(xué)家們不懈追求的目標(biāo)。我們能夠像擁有透視眼一樣，清晰地看到動物體內(nèi)血管的分布，甚至能實時監(jiān)測血液中氧氣的含量變化，這對于揭示疾病的發(fā)生發(fā)展機制、開發(fā)更有效的治療方法，一起了解這樣一項極具創(chuàng)新性的技術(shù)——大視場光纖光聲功能顯微成像技術(shù)。

研究背景與技術(shù)挑戰(zhàn)
光聲成像技術(shù)的興起與局限
光聲成像技術(shù)為觀察血管結(jié)構(gòu)和血流動力學(xué)過程提供了新的視角，它的工作原理很巧妙，先發(fā)射激光，當(dāng)激光照射到生物組織時，組織中的物質(zhì)會吸收激光能量，進而產(chǎn)生熱膨脹，這種熱膨脹會引發(fā)超聲波。我們通過探測這些超聲波，就能“繪制”出組織內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像。這項技術(shù)可以對血管結(jié)構(gòu)進行高對比度、高靈敏度、高分辨率成像，能夠清晰呈現(xiàn)血管的細節(jié)。利用體內(nèi)不同物質(zhì)吸收譜的差異，采用不同波長的激發(fā)光，還能獲取物質(zhì)成分信息，比如檢測出血液中的血氧飽和度，了解組織的氧合與氧代謝情況。

傳統(tǒng)光聲顯微鏡面臨的困境
傳統(tǒng)的光聲顯微鏡在實際應(yīng)用中也遇到了不少挑戰(zhàn)。以往常用的激
超聲共聚焦方案，就像美國杜克大學(xué)ZHU Xiaoyi等人提出的光聲顯微鏡，實現(xiàn)了一定視場內(nèi)的快速腦功能成像。但水的阻尼系數(shù)較大，多邊形掃描儀在水中高速旋轉(zhuǎn)時，會導(dǎo)致光學(xué)像差和成像效果不穩(wěn)定，影響圖像的質(zhì)量。

為了解決這個問題，科學(xué)家們嘗試了很多方法。比如南方科技大學(xué)QIN Wei等人采用線聚焦型超聲傳感器，激光沿著線形視野往返掃描，再通過旋轉(zhuǎn)掃描覆蓋目標(biāo)視野，實現(xiàn)了較大視野面積的血管結(jié)構(gòu)成像；杜克大學(xué)團隊也利用線聚焦傳感器提升了成像速度；還有美國伊利諾斯大學(xué)MOHSIN Z等人提出采用非聚焦型超聲傳感器，通過螺旋式激光掃描機制進行大視場掃描。但這些方法都存在一些局限性，傳統(tǒng)壓電超聲傳感器受材料換能效率的限制，難以兼顧超聲視野面積和檢測靈敏度。非聚焦式超聲傳感器雖然能實現(xiàn)大視場掃描，但靈敏度下降嚴(yán)重，不僅無法提供多光譜功能成像能力，還需要更強的激發(fā)光強，可能會帶來激光安全問題。

技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用
創(chuàng)新的成像系統(tǒng)構(gòu)建
成像系統(tǒng)主要由雙波長激發(fā)光源、光纖超聲傳感器及掃描裝置、解調(diào)裝置等部分構(gòu)成，每一部分都有著獨特的創(chuàng)新之處。先來說說大視野掃描成像部分，成像探頭就像一個精準(zhǔn)的“畫筆”，準(zhǔn)直的脈沖激發(fā)光經(jīng)過振鏡反射后，聚焦到樣品上。

光纖超聲傳感器則像一個靈敏的“耳朵”，在樣品臺上方“傾聽”脈沖激光激發(fā)出的超聲波。通過控制振鏡，激發(fā)光束能沿x方向快速掃描，同時，步進電機帶動樣品沿y方向移動，這樣就能獲得長條形圖像。然后，電機再帶動樣品沿特定方向移動重復(fù)上述掃描過程，利用這些重疊區(qū)域進行配準(zhǔn)和拼接，最終實現(xiàn)視野面積的成倍擴展。

獨特的光纖超聲傳感器
光纖超聲傳感器是這項技術(shù)的又一創(chuàng)新亮點。采用正交雙頻光纖激光器作為超聲傳感器，就像一個小巧而精密的“信號轉(zhuǎn)換器”�？蒲腥藛T通過采集和解調(diào)這個信號，就能還原超聲信號。這個傳感器還有一個厲害的地方是能提供60°的半寬視野角度，靈敏區(qū)域?qū)挾燃s為2.91mm，不過在實際實驗中，由于振鏡掃描視野有限，沒有充分利用到這個寬度。

巧妙的雙波長脈沖激發(fā)光源
雙波長脈沖激發(fā)光源的設(shè)計也十分巧妙。團隊自行搭建了雙波長激發(fā)光源系統(tǒng)，就像為成像系統(tǒng)配備了一對特殊的“光源眼睛”。采用兩臺發(fā)射脈寬為5ns、波長為532nm的納秒激光器，其中一臺激光器的光束經(jīng)過一系列光學(xué)元件的“改造”，包括半波片、偏振分束器等，激發(fā)受激拉曼散射效應(yīng)，產(chǎn)生558nm的新波長。然后，通過濾波、聚焦等操作，將光束合并，以相同脈沖能量注入生物組織。

設(shè)置兩波長脈沖之間的時間間隔為2.75μs，這是為什么呢？因為不同血氧飽和度下血紅蛋白的吸收光譜有差異，在532nm處，有氧血紅蛋白和無氧血紅蛋白的吸收系數(shù)接近，而在558nm處差異顯著。利用這兩個波長的激發(fā)光，根據(jù)光聲信號強度，就能計算出血氧飽和度，幫助科研人員打開了測量血氧飽和度的“大門”。

廣泛的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域
這項技術(shù)能夠?qū)�動物模型的血管結(jié)構(gòu)和氧合功能進行高分辨率、大視場的成像監(jiān)測。無論是研究腦部的血液循環(huán)，還是觀察腸道的微循環(huán)狀態(tài)，都能發(fā)揮重要作用。比如，在研究不同麻醉劑對腦部血流動力學(xué)的影響時，能清晰呈現(xiàn)出不同麻醉狀態(tài)下腦血管的結(jié)構(gòu)和血氧飽和度變化；在研究過敏性休克對腸道微循環(huán)的影響時，也能準(zhǔn)確捕捉到休克過程中腸道血管的異常變化。

成像實驗與結(jié)果分析
腦功能成像實驗探究
腦組織灌注不足、氧合功能障礙等問題，可能會導(dǎo)致組織缺氧，引發(fā)致命危險，不同的麻醉劑對腦部血流動力學(xué)狀態(tài)有著不同的影響。科研人員挑選了兩只健康小鼠，分別用氣體吸入（異氟烷與氧氣混合氣）和液體注射（戊巴比妥鈉注射液）兩種方式進行麻醉，然后對麻醉小鼠的腦皮質(zhì)層進行全腦范圍的掃描成像。

最終得到的成像結(jié)果令人驚嘆。從成像圖中能清楚地看到小鼠全腦范圍內(nèi)腦皮質(zhì)層血管的結(jié)構(gòu)分布，甚至能分清動靜脈。通過計算血氧飽和度公式，發(fā)現(xiàn)異氟烷和氧氣混合氣體麻醉下，異氟烷對血管有擴張作用，使得腦部供氧更充足。

過敏性休克動物腸道血管成像實驗
科研人員對特殊養(yǎng)殖的大鼠建立過敏性休克模型，通過注射硝普鈉誘導(dǎo)休克。實驗時，先對大鼠腹部開窗，暴露小腸表面，然后對大鼠正常狀態(tài)和休克狀態(tài)下小腸表面的血管進行大視野掃描。實驗過程中，科研人員同樣精心照顧大鼠，用戊巴比妥鈉注射液麻醉并維持麻醉狀態(tài)，用自反饋加熱墊保溫，用無菌生理鹽水沖洗止血。

實驗獲得的腸道血管成像結(jié)果，在對比正常狀態(tài)和休克狀態(tài)下的成像數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)與正常狀態(tài)相比，休克狀態(tài)下小腸表面靜脈血管平均血氧飽和度變低，血管擴張；動脈血管平均血氧飽和度變高，血管也擴張，不過血管總量變少，這些結(jié)果為研究過敏性休克對微循環(huán)狀態(tài)的影響提供了關(guān)鍵信息。

深遠意義與未來展望
從基礎(chǔ)研究角度，它打破了技術(shù)瓶頸，讓科研人員能夠清晰觀測疾病進程中血液循環(huán)狀態(tài)變化，為探究疾病發(fā)生發(fā)展機制提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，助力生命科學(xué)研究邁向新高度。在臨床應(yīng)用層面，其潛力巨大，手術(shù)中可實時監(jiān)測組織微循環(huán)，提升手術(shù)安全性，疾病診斷時能提供精準(zhǔn)血流動力學(xué)信息，輔助醫(yī)生做出更準(zhǔn)確的判斷�？蒲袌F隊之后將聚焦更多急危重癥模型的成像研究，深入挖掘疾病奧秘。同時，積極探索光聲氧合成像在引導(dǎo)急危重癥治療中的應(yīng)用，通過實時監(jiān)測關(guān)鍵指標(biāo)，實現(xiàn)更精準(zhǔn)的治療方案調(diào)整。

論文信息
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。
程歡, 仲曉軒, 曾生, 許毓楷, 梁貽智, 白雪, 麥聰, 金龍. 大視場光纖光聲功能顯微成像技術(shù)研究（特邀）[J]. 光子學(xué)報, 2024, 53(10): 1053401. 

DOI:10.3788/gzxb20245310.1053401