光纖光聲顯微鏡在血管功能成像的應用

在生物醫學研究領域，準確觀察和理解生物體內的微觀結構與生理功能，一直是科學家們不懈追求的目標。我們能夠像擁有透視眼一樣，清晰地看到動物體內血管的分布，甚至能實時監測血液中氧氣的含量變化，這對于揭示疾病的發生發展機制、開發更有效的治療方法，一起了解這樣一項極具創新性的技術——大視場光纖光聲功能顯微成像技術。

研究背景與技術挑戰
光聲成像技術的興起與局限
光聲成像技術為觀察血管結構和血流動力學過程提供了新的視角，它的工作原理很巧妙，先發射激光，當激光照射到生物組織時，組織中的物質會吸收激光能量，進而產生熱膨脹，這種熱膨脹會引發超聲波。我們通過探測這些超聲波，就能“繪制”出組織內部的結構圖像。這項技術可以對血管結構進行高對比度、高靈敏度、高分辨率成像，能夠清晰呈現血管的細節。利用體內不同物質吸收譜的差異，采用不同波長的激發光，還能獲取物質成分信息，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。

傳統光聲顯微鏡面臨的困境
傳統的光聲顯微鏡在實際應用中也遇到了不少挑戰。以往常用的激
超聲共聚焦方案，就像美國杜克大學ZHU Xiaoyi等人提出的光聲顯微鏡，實現了一定視場內的快速腦功能成像。但水的阻尼系數較大，多邊形掃描儀在水中高速旋轉時，會導致光學像差和成像效果不穩定，影響圖像的質量。

為了解決這個問題，科學家們嘗試了很多方法。比如南方科技大學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，再通過旋轉掃描覆蓋目標視野，實現了較大視野面積的血管結構成像；杜克大學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大視場掃描，但靈敏度下降嚴重，不僅無法提供多光譜功能成像能力，還需要更強的激發光強，可能會帶來激光安全問題。

技術創新與應用
創新的成像系統構建
成像系統主要由雙波長激發光源、光纖超聲傳感器及掃描裝置、解調裝置等部分構成，每一部分都有著獨特的創新之處。先來說說大視野掃描成像部分，成像探頭就像一個精準的“畫筆”，準直的脈沖激發光經過振鏡反射后，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”脈沖激光激發出的超聲波。通過控制振鏡，激發光束能沿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上述掃描過程，利用這些重疊區域進行配準和拼接，最終實現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的又一創新亮點。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“信號轉換器”。科研人員通過采集和解調這個信號，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，靈敏區域寬度約為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光源
雙波長脈沖激發光源的設計也十分巧妙。團隊自行搭建了雙波長激發光源系統，就像為成像系統配備了一對特殊的“光源眼睛”。采用兩臺發射脈寬為5ns、波長為532nm的納秒激光器，其中一臺激光器的光束經過一系列光學元件的“改造”，包括半波片、偏振分束器等，激發受激拉曼散射效應，產生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接近，而在558nm處差異顯著。利用這兩個波長的激發光，根據光聲信號強度，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”。

廣泛的技術應用領域
這項技術能夠對動物模型的血管結構和氧合功能進行高分辨率、大視場的成像監測。無論是研究腦部的血液循環，還是觀察腸道的微循環狀態，都能發揮重要作用。比如，在研究不同麻醉劑對腦部血流動力學的影響時，能清晰呈現出不同麻醉狀態下腦血管的結構和血氧飽和度變化；在研究過敏性休克對腸道微循環的影響時，也能準確捕捉到休克過程中腸道血管的異常變化。

成像實驗與結果分析
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，可能會導致組織缺氧，引發致命危險，不同的麻醉劑對腦部血流動力學狀態有著不同的影響。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層進行全腦范圍的掃描成像。

最終得到的成像結果令人驚嘆。從成像圖中能清楚地看到小鼠全腦范圍內腦皮質層血管的結構分布，甚至能分清動靜脈。通過計算血氧飽和度公式，發現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
科研人員對特殊養殖的大鼠建立過敏性休克模型，通過注射硝普鈉誘導休克。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和休克狀態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，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果，在對比正常狀態和休克狀態下的成像數據，發現與正常狀態相比，休克狀態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，這些結果為研究過敏性休克對微循環狀態的影響提供了關鍵信息。

深遠意義與未來展望
從基礎研究角度，它打破了技術瓶頸，讓科研人員能夠清晰觀測疾病進程中血液循環狀態變化，為探究疾病發生發展機制提供關鍵數據，助力生命科學研究邁向新高度。在臨床應用層面，其潛力巨大，手術中可實時監測組織微循環，提升手術安全性，疾病診斷時能提供精準血流動力學信息，輔助醫生做出更準確的判斷。科研團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急危重癥治療中的應用，通過實時監測關鍵指標，實現更精準的治療方案調整。

論文信息
聲明：本文僅用作學術目的。
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研究（特邀）[J]. 光子學報, 2024, 53(10): 1053401. 

DOI:10.3788/gzxb20245310.1053401