多光譜、超低劑量的光聲顯微鏡系統(tǒng)的靈敏度極限得到顯著提高

“光學(xué)分辨率”光聲顯微鏡是一種新興的生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，可用于癌癥、糖尿病和中風(fēng)等多種疾病的研究工作。但是靈敏度不足，一直是其獲得更廣泛應(yīng)用的長(zhǎng)期障礙。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，香港城市大學(xué)（CityU）的一支研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種多光譜、超低劑量的光聲顯微鏡（SLD-PAM）系統(tǒng)，該系統(tǒng)的靈敏度極限得到了顯著提高，為未來新的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用和臨床轉(zhuǎn)化提供了可能，相關(guān)研究成果以“Super-Low-Dose Functional and Molecular Photoacoustic Microscopy”為題發(fā)表于Advanced Science期刊。

多光譜光聲顯微鏡系統(tǒng)及其靈敏度增強(qiáng)示意圖

光聲顯微鏡結(jié)合了超聲波檢測(cè)和激光誘導(dǎo)光聲信號(hào)，以創(chuàng)建生物組織的詳細(xì)圖像。當(dāng)生物組織被脈沖激光照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生超聲波，然后超聲波被檢測(cè)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)用于成像。與傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡方法相比，這種新穎的技術(shù)可以在更大的深度上實(shí)現(xiàn)毛細(xì)管水平或亞細(xì)胞級(jí)別的分辨率。然而，靈敏度不足阻礙了該技術(shù)的更廣泛應(yīng)用。

“高靈敏度對(duì)于高質(zhì)量成像很重要。它有助于檢測(cè)不強(qiáng)烈吸收光的發(fā)色團(tuán)（通過吸收特定波長(zhǎng)的可見光賦予材料顏色的分子）。它還有助于減少光漂白和光毒性，減少對(duì)脆弱器官生物組織的干擾，并在寬光譜范圍內(nèi)提供更多可選的低成本、低功率激光器。”香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系Wang Lidai教授解釋道。

例如，在眼科檢查中，為了更安全和舒適，優(yōu)選低功率激光器。他補(bǔ)充稱，對(duì)于藥代動(dòng)力學(xué)或血流的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，需要低劑量成像以減輕對(duì)組織功能的干擾。

為了克服靈敏度挑戰(zhàn)，Wang Lidai教授及其研究團(tuán)隊(duì)最近開發(fā)了一種多光譜、超低劑量的光聲顯微鏡系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng)光聲顯微鏡的靈敏度極限，將靈敏度顯著提高了約33倍。

他們通過光聲傳感器設(shè)計(jì)的改進(jìn)，結(jié)合用于計(jì)算的4D光譜空間濾波器算法，實(shí)現(xiàn)了這一突破。研究人員通過使用實(shí)驗(yàn)室定制的高數(shù)值孔徑聲透鏡、優(yōu)化光學(xué)和聲學(xué)波束組合器，以及改進(jìn)光學(xué)和聲學(xué)對(duì)準(zhǔn)來改進(jìn)光聲傳感器的設(shè)計(jì)。該光聲顯微鏡系統(tǒng)還利用低成本的多波長(zhǎng)脈沖激光器，提供從綠光到紅光的11種波長(zhǎng)。其激光器以高達(dá)兆赫的重復(fù)頻率工作，光譜切換時(shí)間為亞微秒級(jí)。

超低劑量照明下的血管形態(tài)提取

為了證明光聲顯微鏡系統(tǒng)的重要性和新穎性，該研究團(tuán)隊(duì)通過綠光和紅光光源的超低脈沖體內(nèi)動(dòng)物成像，對(duì)其進(jìn)行了全面的系統(tǒng)測(cè)試，并得到了顯著的成果。

首先，該光聲顯微鏡系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的體內(nèi)解剖和功能成像。超低的激光功率和高靈敏度，顯著地減少了眼睛和大腦成像的干擾，為臨床轉(zhuǎn)化鋪平了道路。其次，在不影響圖像質(zhì)量的情況下，該光聲顯微鏡系統(tǒng)較低的激光功率，將光漂白減少了約85%，并能夠使用范圍更廣的分子和納米探針。此外，該系統(tǒng)成本顯著降低，使研究實(shí)驗(yàn)室和診所更能負(fù)擔(dān)得起。

Wang Lidai教授說道：“該光聲顯微鏡系統(tǒng)能夠在對(duì)受試者損傷最小的情況下，對(duì)生物組織進(jìn)行非侵入性成像，為解剖、功能和分子成像提供了一種強(qiáng)大而有前景的工具。我們相信該光聲顯微鏡系統(tǒng)有助于推進(jìn)光聲成像的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)許多新的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，并為臨床轉(zhuǎn)化鋪平新的道路?！?/p>

接下來，Wang Lidai教授及其研究團(tuán)隊(duì)將利用該系統(tǒng)在生物成像中測(cè)試更廣泛的小分子和基因編碼生物標(biāo)志物。他們還計(jì)劃在寬光譜中試驗(yàn)更多類型的低功率光源，以開發(fā)可穿戴或便攜式光聲成像顯微鏡。

審核編輯：彭菁