光纤光声显微镜在血管功能成像的应用

在生物医学研究领域，准确观察和理解生物体内的微观结构与生理功能，一直是科学家们不懈追求的目标。我们能够像拥有透视眼一样，清晰地看到动物体内血管的分布，甚至能实时监测血液中氧气的含量变化，这对于揭示疾病的发生发展机制、开发更有效的治疗方法，一起了解这样一项极具创新性的技术——大视场光纤光声功能显微成像技术。

研究背景与技术挑战
光声成像技术的兴起与局限
光声成像技术为观察血管结构和血流动力学过程提供了新的视角，它的工作原理很巧妙，先发射激光，当激光照射到生物组织时，组织中的物质会吸收激光能量，进而产生热膨胀，这种热膨胀会引发超声波。我们通过探测这些超声波，就能“绘制”出组织内部的结构图像。这项技术可以对血管结构进行高对比度、高灵敏度、高分辨率成像，能够清晰呈现血管的细节。利用体内不同物质吸收谱的差异，采用不同波长的激发光，还能获取物质成分信息，比如检测出血液中的血氧饱和度，了解组织的氧合与氧代谢情况。

传统光声显微镜面临的困境
传统的光声显微镜在实际应用中也遇到了不少挑战。以往常用的激
超声共聚焦方案，就像美国杜克大学ZHU Xiaoyi等人提出的光声显微镜，实现了一定视场内的快速脑功能成像。但水的阻尼系数较大，多边形扫描仪在水中高速旋转时，会导致光学像差和成像效果不稳定，影响图像的质量。

为了解决这个问题，科学家们尝试了很多方法。比如南方科技大学QIN Wei等人采用线聚焦型超声传感器，激光沿着线形视野往返扫描，再通过旋转扫描覆盖目标视野，实现了较大视野面积的血管结构成像；杜克大学团队也利用线聚焦传感器提升了成像速度；还有美国伊利诺斯大学MOHSIN Z等人提出采用非聚焦型超声传感器，通过螺旋式激光扫描机制进行大视场扫描。但这些方法都存在一些局限性，传统压电超声传感器受材料换能效率的限制，难以兼顾超声视野面积和检测灵敏度。非聚焦式超声传感器虽然能实现大视场扫描，但灵敏度下降严重，不仅无法提供多光谱功能成像能力，还需要更强的激发光强，可能会带来激光安全问题。

技术创新与应用
创新的成像系统构建
成像系统主要由双波长激发光源、光纤超声传感器及扫描装置、解调装置等部分构成，每一部分都有着独特的创新之处。先来说说大视野扫描成像部分，成像探头就像一个精准的“画笔”，准直的脉冲激发光经过振镜反射后，聚焦到样品上。

光纤超声传感器则像一个灵敏的“耳朵”，在样品台上方“倾听”脉冲激光激发出的超声波。通过控制振镜，激发光束能沿x方向快速扫描，同时，步进电机带动样品沿y方向移动，这样就能获得长条形图像。然后，电机再带动样品沿特定方向移动重复上述扫描过程，利用这些重叠区域进行配准和拼接，最终实现视野面积的成倍扩展。

独特的光纤超声传感器
光纤超声传感器是这项技术的又一创新亮点。采用正交双频光纤激光器作为超声传感器，就像一个小巧而精密的“信号转换器”。科研人员通过采集和解调这个信号，就能还原超声信号。这个传感器还有一个厉害的地方是能提供60°的半宽视野角度，灵敏区域宽度约为2.91mm，不过在实际实验中，由于振镜扫描视野有限，没有充分利用到这个宽度。

巧妙的双波长脉冲激发光源
双波长脉冲激发光源的设计也十分巧妙。团队自行搭建了双波长激发光源系统，就像为成像系统配备了一对特殊的“光源眼睛”。采用两台发射脉宽为5ns、波长为532nm的纳秒激光器，其中一台激光器的光束经过一系列光学元件的“改造”，包括半波片、偏振分束器等，激发受激拉曼散射效应，产生558nm的新波长。然后，通过滤波、聚焦等操作，将光束合并，以相同脉冲能量注入生物组织。

设置两波长脉冲之间的时间间隔为2.75μs，这是为什么呢？因为不同血氧饱和度下血红蛋白的吸收光谱有差异，在532nm处，有氧血红蛋白和无氧血红蛋白的吸收系数接近，而在558nm处差异显著。利用这两个波长的激发光，根据光声信号强度，就能计算出血氧饱和度，帮助科研人员打开了测量血氧饱和度的“大门”。

广泛的技术应用领域
这项技术能够对动物模型的血管结构和氧合功能进行高分辨率、大视场的成像监测。无论是研究脑部的血液循环，还是观察肠道的微循环状态，都能发挥重要作用。比如，在研究不同麻醉剂对脑部血流动力学的影响时，能清晰呈现出不同麻醉状态下脑血管的结构和血氧饱和度变化；在研究过敏性休克对肠道微循环的影响时，也能准确捕捉到休克过程中肠道血管的异常变化。

成像实验与结果分析
脑功能成像实验探究
脑组织灌注不足、氧合功能障碍等问题，可能会导致组织缺氧，引发致命危险，不同的麻醉剂对脑部血流动力学状态有着不同的影响。科研人员挑选了两只健康小鼠，分别用气体吸入（异氟烷与氧气混合气）和液体注射（戊巴比妥钠注射液）两种方式进行麻醉，然后对麻醉小鼠的脑皮质层进行全脑范围的扫描成像。

最终得到的成像结果令人惊叹。从成像图中能清楚地看到小鼠全脑范围内脑皮质层血管的结构分布，甚至能分清动静脉。通过计算血氧饱和度公式，发现异氟烷和氧气混合气体麻醉下，异氟烷对血管有扩张作用，使得脑部供氧更充足。

过敏性休克动物肠道血管成像实验
科研人员对特殊养殖的大鼠建立过敏性休克模型，通过注射硝普钠诱导休克。实验时，先对大鼠腹部开窗，暴露小肠表面，然后对大鼠正常状态和休克状态下小肠表面的血管进行大视野扫描。实验过程中，科研人员同样精心照顾大鼠，用戊巴比妥钠注射液麻醉并维持麻醉状态，用自反馈加热垫保温，用无菌生理盐水冲洗止血。

实验获得的肠道血管成像结果，在对比正常状态和休克状态下的成像数据，发现与正常状态相比，休克状态下小肠表面静脉血管平均血氧饱和度变低，血管扩张；动脉血管平均血氧饱和度变高，血管也扩张，不过血管总量变少，这些结果为研究过敏性休克对微循环状态的影响提供了关键信息。

深远意义与未来展望
从基础研究角度，它打破了技术瓶颈，让科研人员能够清晰观测疾病进程中血液循环状态变化，为探究疾病发生发展机制提供关键数据，助力生命科学研究迈向新高度。在临床应用层面，其潜力巨大，手术中可实时监测组织微循环，提升手术安全性，疾病诊断时能提供精准血流动力学信息，辅助医生做出更准确的判断。科研团队之后将聚焦更多急危重症模型的成像研究，深入挖掘疾病奥秘。同时，积极探索光声氧合成像在引导急危重症治疗中的应用，通过实时监测关键指标，实现更精准的治疗方案调整。

论文信息
声明：本文仅用作学术目的。
程欢, 仲晓轩, 曾生, 许毓楷, 梁贻智, 白雪, 麦聪, 金龙. 大视场光纤光声功能显微成像技术研究（特邀）[J]. 光子学报, 2024, 53(10): 1053401. 

DOI:10.3788/gzxb20245310.1053401