用遙感技術(shù)進行光聲脂質(zhì)成像

為了創(chuàng)建身體內(nèi)部的圖像，光聲成像是一種利用光和聲音的最先進技術(shù)。

光聲遙感的機制。圖片來源：Guyue Hu, PARS Mechanism，2023年

當脈沖激光照射在生物組織的表面時，部分光子能量被組織吸收，從而產(chǎn)生熱量。熱量的增加導致了組織的熱彈性膨脹，從而以超聲波的形式釋放出能量。通過掃描樣品和收集匹配的光聲信號，科學家能夠重建生物組織的二維或三維圖像。

一般來說，超聲波傳感器收集光聲信號。然而，由于聲波在空氣中會衰減，通常必須在組織樣品和換能器之間添加超聲波凝膠或水，以保證信號檢測的靈敏度。

這種物理接觸或浸泡可能會對生物樣本產(chǎn)生相當大的影響，從而大大限制了傳統(tǒng)光聲成像在幾個實際場景中的適用性。

相反，由于超聲波傳感器的材料和先天結(jié)構(gòu)特性，其中心響應頻率和檢測帶寬受到限制，這可能會降低系統(tǒng)關(guān)于寬帶信號檢測的靈敏度?？紤]到這些限制，傳統(tǒng)的光聲成像需要更新，以便進行高質(zhì)量的光聲研究。

光聲遙感成像被稱為是一種新型的光聲成像方式。與傳統(tǒng)的借助于超聲波傳感器的聲學檢測不同，光聲遙感利用另一束激光來檢測聲學信號。

特別是，再采用一個激光源作為探測光束，與激發(fā)光束共焦。當能量被樣品吸收以產(chǎn)生初始壓力時，樣品表面的折射率會因彈性光學折射率的調(diào)制而發(fā)生變化。

通過跟蹤探針光束的反射強度，可以檢查出匹配的光聲信號。對聲學信號的全光檢測消除了與樣品的直接接觸。

同時，作為光學傳感的結(jié)果，檢測帶寬可能僅僅從有限的超聲波換能器轉(zhuǎn)移到一個廣泛的光電二極管。這就提供了額外提高系統(tǒng)的信噪比和檢測靈敏度的機會。

基于上述發(fā)現(xiàn)，香港大學的一個研究小組報告了近紅外光聲遙感顯微鏡用于脂質(zhì)的非接觸成像。

正如Advanced Photonics Nexus雜志所報道的那樣，該小組的光聲遙感顯微鏡利用一個1.7微米的摻銩光纖激光器作為泵浦光束，選擇性地刺激脂類中的C-H鍵。

同時，另一個測量約1.5微米連續(xù)波（CW）的激光被用作檢測光束，與泵浦光束共焦，以檢測初始超聲波壓力。

超聲波信號的光學檢測消除了對超聲波傳感器的需求，實現(xiàn)了對光聲信號的遠程感應。這種技術(shù)提供了一個寬的檢測帶寬，并提高了系統(tǒng)的信噪比和檢測靈敏度。

在他們的實驗中，研究小組展示了使用光聲遙感對兩種類型的純脂質(zhì)樣品的成像結(jié)果。他們還分析了信號的可比性功率譜密度。

與傳統(tǒng)的傳感器相比，光檢測技術(shù)提供了一個更廣泛的頻率響應。此外，該團隊在生物樣品上進行了光聲遙感成像，包括腦切片和線蟲，這些樣品表現(xiàn)出了出色的對比度和信噪比。這證明了該技術(shù)在組織范圍內(nèi)的高性能成像能力。

Wong補充說："超聲波信號的光學檢測提供了非接觸操作和更廣泛的頻率響應。同時，光聲遙感顯微鏡顯示了在組織尺度上繪制脂質(zhì)分布圖的高性能"。

新開發(fā)的方法表明在一系列生物醫(yī)學研究中具有巨大的應用潛力。

參考資料

Hu, G., et al. (2023) Noncontact photoacoustic lipid imaging by remote sensing on first overtone of the C-H bond. Advanced Photonics Nexus. doi.org/10.1117/1.APN.2.2.026011.