利用遥感技术进行光声脂肪成像

图1光声遥感的机理。图片来源：古月虎，帕尔斯机制，2023

当脉冲激光照射到生物组织表面时，部分光子能量被组织吸收以产生热量。热量的增加导致组织的热弹性膨胀，从而以超声波的形式释放能量。通过扫描样本并收集匹配的光声信号，科学家能够重建生物组织的2D或3D图像。

通常，超声波换能器收集光声信号。然而，由于声波在空气中会衰减，通常必须在组织样品和换能器之间添加超声波凝胶或水，以保证信号检测的灵敏度。

这种物理接触或浸入可能会对生物样品产生相当大的影响，从而极大地限制了传统光声成像在几个实际场景中的适用性。

相反，由于超声换能器的材料和固有结构特性，其中心响应频率和检测带宽受到了限制，这可能会降低系统对宽带信号检测的灵敏度。考虑到这些局限性，传统的光声成像需要更新以进行高质量的光声研究。

光声遥感成像是一种新型的光声成像方式。与传统的借助超声波换能器的声检测不同，光声遥感利用另一束激光来检测声信号。

特别是，采用了另一个激光光源作为与激发光共焦的探测光束。当样品吸收能量产生初始压力时，样品表面的折射率会因弹性光学折射率调制而发生变化。

通过跟踪探测光束的反射强度，可以检查匹配的光声信号。对声信号的全光学检测消除了与样品的直接接触。

同时，由于光学传感的结果，检测带宽可能仅从受限的超声换能器转移到扩展的光电二极管。这为进一步提高系统的信噪比和检测灵敏度提供了机会。

基于上述发现，香港大学的一个研究小组报告了用于非接触成像血脂的近红外光声遥感显微镜。

据《高级光子学联系》杂志报道，该小组的光声遥感显微镜利用1.7μm的Tu掺杂光纤激光器作为泵浦光束，选择性地刺激脂质中的C-H键。

同时，采用另一束测量约1.5μm连续波的激光作为检测光束，与泵浦光束共焦检测初始超声压力。

超声波信号的光学检测消除了对超声波换能器的需要，并实现了对光声信号的遥测。该技术提供了较宽的检测带宽，提高了系统的信噪比和检测灵敏度。

在他们的实验中，研究小组展示了两种类型的纯脂样本使用光声遥感的成像结果。他们还分析了信号的可比功率谱密度。

与传统换能器相比，光学检测技术提供了更宽的频率响应。此外，该团队对包括脑片和线虫在内的生物样本进行了光声遥感成像，显示出良好的对比度和信噪比。这证明了该技术在组织尺度上的高性能成像能力。

“光声遥感显微镜实现了无标记成像，可以针对特定的分子键。

——研究通讯作者、香港大学工程学教授黄建元”

Wong补充说：“超声波信号的光学检测提供了非接触式操作和更宽的频率响应。同时，光声遥感显微镜在组织尺度上显示出高性能的脂肪分布图谱。

新开发的方法表明，在一系列生物医学研究中具有巨大的应用潜力。