ISSN 1004-9037 CODEN SCYCE4 http://sjcj.nuaa.edu. Journal of Data Acquisition and Processing Vol 34. No 5, Sep. 2019.Pp. 771-788 DOI:10.16337/j.1004-9037.2019.05 86-025-84892742 @2019 by Journal of Data Acquisition and Processing 光声显微成像技术的研究进展 张建辉1陈宁波12王柏权12刘成波2龚小竞2 (1.广州大学机械与电气工程学院,广州,510006;2.中国科学院深圳先进技术研究院生物医学光学与分子影像研 究室,深圳,518055) 摘要:光声成像作为一种兼具高光学对比度和大超声探测深度的新兴成像方法,突破了传统光学成 像技术分辨率与成像深度相互制约的壁垒,获得了空前快速的发展,其中,光声显微成像技术继承了光 声成像技术的优点,采用声学或光学聚焦的成像模式,可以实现高对比度、高分辨率的生物组织结构、 分子与功能成像,在神经学、眼科、血管生物学和皮肤学等研究领域具有潜在应用价值。为此,首先介 绍了光声成像技术的原理和分类,然后围绕光声显微成像( Photoacoustic microscopy,PAM)技术这 主题,重点综述了新型PAM技术的发展情况、PAM焦深( Depth of focus,DoF)延拓技术以及PAM的 生物医学应用。最后,总结了PAM技术发展存在的挑战,并对未来发展方向进行了展望 关键词:医用光学;光声成像;光声显微成像;生物医学 中图分类号:Q631 文献标志码:A Advances in Photoacoustic Microscopy Technique Zhang Jianhui, Chen Ningbo 2, Wang Boquan.2, Liu Chengbo2, Gong Xiaojing (1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Guangzhou University, Guangzhou, 510006, China; 2. Research Laboratory for Biomedical Optics and Molecular Imaging, Shenzhen Institutes of Advanced Technology. Chinese Academy of Sciences, Shenzher 518055. China) Abstract: Photoacoustic imaging, as a new imaging technique with high optical contrast and great ultrasonic detection depth, is a breakthrough of the barriers that the resolution and imaging depth of the traditional optical imaging technique are mutually restricted. It has obtained the unprecedented rapi development. In addition, photoacoustic microscopy inherits the advantages of the photoacoustic imaging technology, and has realized high-contrast and high-resolution biological structure ecular and functional imaging by using acoustic or optical focusing imaging mode, and it has potential application value urology, ophthalmology, vascular biology and dermatology. Here, the principle and classification of photoacoustic imaging technology are firstly presented. Then, focusing on the theme of photoacoustic microscopy, we review its novel scanning methods, focal depth extension techniques and biomedical applications in depth. Finally, the challenges of the development of photoacoustic microscopy are summarized, and the future development direction is also prospected Key words: medical optics; photoacoustic imaging: photoacoustic microscopy(PAM); biomedicine 基金项目:深圳市基础研究(学科布局JCYJ20160608214524052)资助项目;深圳市工程实验室资助项目 收稿日期:2019-02-26;修订日期:201906-13
ISSN 1004‐9037，CODEN SCYCE4 Journal of Data Acquisition and Processing Vol. 34，No. 5，Sep. 2019，pp. 771-788 DOI：10. 16337/j. 1004‐9037. 2019. 05. 002 Ⓒ 2019 by Journal of Data Acquisition and Processing http：// sjcj. nuaa. edu. cn E‐mail：sjcj @ nuaa. edu. cn Tel/Fax：+86‐025‐84892742 光声显微成像技术的研究进展 张建辉 1 陈宁波 1,2 王柏权 1,2 刘成波 2 龚小竞 2 （1. 广州大学机械与电气工程学院，广州，510006；2. 中国科学院深圳先进技术研究院生物医学光学与分子影像研 究室，深圳，518055） 摘 要：光声成像作为一种兼具高光学对比度和大超声探测深度的新兴成像方法，突破了传统光学成 像技术分辨率与成像深度相互制约的壁垒，获得了空前快速的发展，其中，光声显微成像技术继承了光 声成像技术的优点，采用声学或光学聚焦的成像模式，可以实现高对比度、高分辨率的生物组织结构、 分子与功能成像，在神经学、眼科、血管生物学和皮肤学等研究领域具有潜在应用价值。为此，首先介 绍了光声成像技术的原理和分类，然后围绕光声显微成像（Photoacoustic microscopy，PAM）技术这一 主题，重点综述了新型 PAM 技术的发展情况、PAM 焦深（Depth of focus，DoF）延拓技术以及 PAM 的 生物医学应用。最后，总结了 PAM 技术发展存在的挑战，并对未来发展方向进行了展望。 关键词：医用光学；光声成像；光声显微成像；生物医学 中图分类号：Q631 文献标志码：A Advances in Photoacoustic Microscopy Technique Zhang Jianhui1 ，Chen Ningbo1,2 ，Wang Boquan1,2 ，Liu Chengbo2 ，Gong Xiaojing2 (1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Guangzhou University, Guangzhou, 510006, China; 2. Research Laboratory for Biomedical Optics and Molecular Imaging, Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen, 518055, China) Abstract：Photoacoustic imaging，as a new imaging technique with high optical contrast and great ultrasonic detection depth，is a breakthrough of the barriers that the resolution and imaging depth of the traditional optical imaging technique are mutually restricted. It has obtained the unprecedented rapid development. In addition，photoacoustic microscopy inherits the advantages of the photoacoustic imaging technology， and has realized high‐contrast and high‐resolution biological structure， molecular and functional imaging by using acoustic or optical focusing imaging mode，and it has potential application value in neurology，ophthalmology，vascular biology and dermatology. Here，the principle and classification of photoacoustic imaging technology are firstly presented. Then，focusing on the theme of photoacoustic microscopy，we review its novel scanning methods，focal depth extension techniques and biomedical applications in depth. Finally， the challenges of the development of photoacoustic microscopy are summarized，and the future development direction is also prospected. Key words: medical optics; photoacoustic imaging; photoacoustic microscopy (PAM); biomedicine 基金项目：深圳市基础研究(学科布局)(JCYJ20160608214524052)资助项目；深圳市工程实验室资助项目。 收稿日期：2019‐02‐26；修订日期：2019‐06‐13
772 数据采集与处理 Journal of Data Acquisition and Processing Vol.34,No.5.2019 引言 早在1880年,Be就发现了光声转换现象,并在给美国科学进展协会的报告中将这种物理现象称 为“光声效应”,即光吸收体吸收经调制的光或脉冲光后,进行光热转换,热弹性效应使吸收体介质周期 性的胀缩从而产生超声波。然而,直到20世纪90年代,随着固体光声理论的完善,在激光、计算机和超 声探测等技术的推动下,光声效应在散射介质和生物组织中应用取得重大突破,光声成像( Photoacous tic imaging,PAI)才被正式提出,在过去20余年间获得空前快速的发展,并正在成为生命科学研究和临 床医学应用中的新型生物医学影像技术之一。光声成像主要包括以下过程:纳秒激光脉冲照射生物组 织一组织中光吸收体吸收光能量一组织热膨胀一周期性的振动产生超声波一宽带超声换能器探测超 声波一根据探测的信号完成图像重建。 目前,国内外针对光声成像技术开展的研究正处于快速发展阶段,主要分为以下3个方向:光声显 微成像( Photoacoustic microscopy,PAM)、光声计算层析成像( Photoacoustic computed tomography, PACT)、光声内窥成像( Photoacoustic endoscopy,PAE),每个研究方向又衍生出不同的研究分支2 其中,PAM可实现亚微米至亚毫米级的空间分辨率,成像深度达百微米至数毫米,和依赖于重建算法的 PACT相比,PAM仅依靠逐点光栅扫描的方式来获取光声信号,无需复杂算法即可完成图像重建,且 PAM能够实现活体结构、分子与功能的多参量高分辨成像,故成为当前生物医学成像领域的研究热 点。本文首先按不同的结构形式对PAM技术进行了分类,并回顾其发展起源;其次,重点阐述了新型 PAM技术的研究进展,主要包括PAM的新型扫描方法和手持式PAM设备的研究进展;再次,针对 PAM技术焦深( Depth of focus,DoF)受限的问题,分析了PAM的DoF延拓的新技术;然后,从多角度 展示了PAM技术的生物医学应用研究;最后,总结了PAM技术发展面临的挑战,并展望了PAM技术 未来的发展方向 1PAM技术的分类及其起源 PAM是一种聚焦型扫描成像技术,根据激发光和超声探测聚焦方式的不同,可以分为光学分辨率 PAM( Optical- resolution Pam,OR-PAM)和声学分辨率PAM( Acoustic-resolution pam,AR-PAM), 者聚焦方式如图1所示,其中, OR-PAM的光学聚焦比声学聚焦更加紧密,光学焦点比声探测焦点 小,如图1(a)所示,其横向分辨率取决于光学焦点的大小,可以达到从百纳米到数微米的亚细胞或细胞 尺度,但是受光在生物组织中的散射限制,活体成像深度1~2mm。在超过光学扩散极限的几毫米甚至 几十毫米深的组织处,AR-PAM则可以利用超声的低散射特性,采用更加紧密的声学聚焦方式,实现从 几十微米到几百微米的横向分辨率,此时,横向分辨率取决于超声焦点的大小,如图1(b)所示 目前,常见的PAM实现形式如图2所示,为了最大化成像系统的探测灵敏度,通常将激发光和超声 探测共轴共焦设置同。图2(a,b)分别为典型的透射式和反射式 OR-PAM,透射式 OR-PAM利用较高 数值孔径( Numerical aperture,NA)的物镜将激光光斑聚焦到衍射极限,可以实现亚微米级分辨率,但 是,值得注意的是其工作距离也会随着物镜NA增大而减小,如聚焦物镜NA为1.2时,工作距离仅有约 200μm,且聚焦物镜和超声换能器置于样本两侧的结构形式,使其只能对厚度较薄的样品成像,而反射 式OR-PAM使用光声耦合棱镜将换能器和光聚焦物镜配置在同侧来实现光声共轴共焦,利用稍低NA 的物镜进行光学聚焦可延长其工作距离,分辨率仍能到微米级,应用范围更加灵活。图2(c)为暗场照 明的AR-PAM,激光透过锥透镜后呈环形,经过聚光镜反射后在样本表面弱聚焦,高频超声换能器进行 更紧密的声学聚焦,该结构形式可提高显微成像的深度 2005年,美国圣路易斯华盛顿大学的Wang教授课题组利用暗场激光照明和高频超声探测设计 了最早的光声显微镜,该系统实现了小鼠皮下血管的无创成像,横向分辨率达到45m,成像深度大于
数据采集与处理 Journal of Data Acquisition and Processing Vol. 34, No. 5, 2019 引 言 早在 1880 年，Bell[1] 就发现了光声转换现象，并在给美国科学进展协会的报告中将这种物理现象称 为“光声效应”，即光吸收体吸收经调制的光或脉冲光后，进行光热转换，热弹性效应使吸收体介质周期 性的胀缩从而产生超声波。然而，直到 20 世纪 90 年代，随着固体光声理论的完善，在激光、计算机和超 声探测等技术的推动下，光声效应在散射介质和生物组织中应用取得重大突破，光声成像（Photoacous‐ tic imaging，PAI）才被正式提出，在过去 20 余年间获得空前快速的发展，并正在成为生命科学研究和临 床医学应用中的新型生物医学影像技术之一。光声成像主要包括以下过程：纳秒激光脉冲照射生物组 织—组织中光吸收体吸收光能量—组织热膨胀—周期性的振动产生超声波—宽带超声换能器探测超 声波—根据探测的信号完成图像重建。 目前，国内外针对光声成像技术开展的研究正处于快速发展阶段，主要分为以下 3 个方向：光声显 微 成 像（Photoacoustic microscopy，PAM）、光 声 计 算 层 析 成 像（Photoacoustic computed tomography， PACT）、光声内窥成像（Photoacoustic endoscopy，PAE），每个研究方向又衍生出不同的研究分支[2‐3] 。 其中，PAM 可实现亚微米至亚毫米级的空间分辨率，成像深度达百微米至数毫米，和依赖于重建算法的 PACT 相比，PAM 仅依靠逐点光栅扫描的方式来获取光声信号，无需复杂算法即可完成图像重建，且 PAM 能够实现活体结构、分子与功能的多参量高分辨成像，故成为当前生物医学成像领域的研究热 点。本文首先按不同的结构形式对 PAM 技术进行了分类，并回顾其发展起源；其次，重点阐述了新型 PAM 技术的研究进展，主要包括 PAM 的新型扫描方法和手持式 PAM 设备的研究进展；再次，针对 PAM 技术焦深（Depth of focus, DoF）受限的问题，分析了 PAM 的 DoF 延拓的新技术；然后，从多角度 展示了 PAM 技术的生物医学应用研究；最后，总结了 PAM 技术发展面临的挑战，并展望了 PAM 技术 未来的发展方向。 1 PAM 技术的分类及其起源 PAM 是一种聚焦型扫描成像技术，根据激发光和超声探测聚焦方式的不同，可以分为光学分辨率 PAM（Optical‐resolution PAM，OR‐PAM）和声学分辨率 PAM（Acoustic‐resolution PAM，AR‐PAM）[4] ， 二者聚焦方式如图 1 所示，其中，OR‐PAM 的光学聚焦比声学聚焦更加紧密，光学焦点比声探测焦点 小，如图 1（a）所示，其横向分辨率取决于光学焦点的大小，可以达到从百纳米到数微米的亚细胞或细胞 尺度，但是受光在生物组织中的散射限制，活体成像深度 1~2 mm。在超过光学扩散极限的几毫米甚至 几十毫米深的组织处，AR‐PAM 则可以利用超声的低散射特性，采用更加紧密的声学聚焦方式，实现从 几十微米到几百微米的横向分辨率，此时，横向分辨率取决于超声焦点的大小，如图 1（b）所示。 目前，常见的 PAM 实现形式如图 2 所示，为了最大化成像系统的探测灵敏度，通常将激发光和超声 探测共轴共焦设置[5] 。图 2（a, b）分别为典型的透射式和反射式 OR‐PAM，透射式 OR‐PAM 利用较高 数值孔径（Numerical aperture, NA）的物镜将激光光斑聚焦到衍射极限，可以实现亚微米级分辨率，但 是，值得注意的是其工作距离也会随着物镜 NA 增大而减小，如聚焦物镜 NA 为 1.2 时，工作距离仅有约 200 μm，且聚焦物镜和超声换能器置于样本两侧的结构形式，使其只能对厚度较薄的样品成像，而反射 式 OR‐PAM 使用光声耦合棱镜将换能器和光聚焦物镜配置在同侧来实现光声共轴共焦，利用稍低 NA 的物镜进行光学聚焦可延长其工作距离，分辨率仍能到微米级，应用范围更加灵活。图 2（c）为暗场照 明的 AR‐PAM，激光透过锥透镜后呈环形，经过聚光镜反射后在样本表面弱聚焦，高频超声换能器进行 更紧密的声学聚焦，该结构形式可提高显微成像的深度。 2005 年，美国圣路易斯华盛顿大学的 Wang 教授[6] 课题组利用暗场激光照明和高频超声探测设计 了最早的光声显微镜，该系统实现了小鼠皮下血管的无创成像，横向分辨率达到 45 μm，成像深度大于 772
张建辉等:光声显微成像技术的研究进展 激发光 换能器 换能 换能器 NA:0.1) 锥透镜 超声探测 超声探测 校正透镜 聚焦透镜 (NA:12 光焦点 声焦点 声透镜 硅油层 声焦点 (a) OR-PAM聚焦方式 (b) AR-PAM聚焦方式(a)透射式 OR-PAM()反射式 OR-PAM(c)暗场照明 AR-PAM (a) F mode of Focusing mode of (a)Transmission-mode (b)Reflection-mode (c)AR-PAM system with a OR-P OR-PAM system dark-field illumination 1PAM聚焦方式对比 图2常见PAM形式可 Fig.I Comparison of focusing modes of PAM Fig2 Representative implementations of PAMI 3mm,属于AR-PAM,如图3(a)所示。 2008年,该课题组在 AR-PAM基础上通过 可调激光}□激光器 光学强聚焦的方式开发出第1代OR 光电二极管 PAM,其光声耦合方式如图3(b)实线框 放大器 中所示,光声耦合棱镜由两个直角石英棱 水槽 镜组成,其间填充与石英光学折射率接近 反射镜 载物台 但声阻抗相差较大的硅酮油,用作透光反 N[电皮表 加热垫 声,超声信号由侧面放置的换能器完成探10m 焦点组织」环形光照 测。虽然该系统分辨率达到5μm,成像深 (a)AR-PAM系统 (a)AR-PAM system 度大于0.7mm,实现了小鼠微血管的活体 成像,但是系统灵敏度依然不高,究其原因 光路系统 激光器 反射镜 是超声波的反射使大部分纵波转换为横 物镜白PD 波,而换能器对横波探测灵敏度较低。因匚扫描控制 此,该课题组的Hu等对光声耦合棱镜进 校正透镜 行了重新设计,如图3(b)虚线框所示,将其 数据采集 菱形棱钐 中一个直角棱镜替换成菱形棱镜,使超声 在空气-玻璃界面重新由横波转换为纵波, 水 相比第1代系统,成像灵敏度提高了约 (b) OR-PAM系统 b)OR-PAM system 184dB。 图3Wang课题组早期设计的PAM系统图 2新型PAM技术的研究进展 Fig 3 Early design of PAM system diagram of Wangs research PAM技术凭借高性能的空间分辨率和 特有的高光学对比度受到越来越多生物医学研究者的青睐,经过十余年的发展,在国内外众多研究小 组的共同努力下,PAM技术已经在探测灵敏度、成像分辨率和成像速度等方面取得了长足进步。为了 解决传统电机机械扫描方式成像速度受限的冋题,各种新型扫描方法的PAM相继冋世;为了使系统形 式更加紧凑、便携,小型化的手持式PAM系统成为了另一热门研究方向。下文将重点介绍新型PAM 扫描方法和手持式PAM系统的研究进展。 2.1新型PAM扫描方法 成像速度的提升对高动态、时间敏感的生物学现象研究至关重要,如何在不牺牲成像灵敏度和成
张建辉 等：光声显微成像技术的研究进展 3 mm，属 于 AR ‐ PAM，如 图 3（a）所 示 。 2008 年，该课题组在 AR‐PAM 基础上通过 光 学 强 聚 焦 的 方 式 开 发 出 第 1 代 OR ‐ PAM[7] ，其光声耦合方式如图 3（b）实线框 中所示，光声耦合棱镜由两个直角石英棱 镜组成，其间填充与石英光学折射率接近 但声阻抗相差较大的硅酮油，用作透光反 声，超声信号由侧面放置的换能器完成探 测。虽然该系统分辨率达到 5 μm，成像深 度大于 0.7 mm，实现了小鼠微血管的活体 成像，但是系统灵敏度依然不高，究其原因 是 超 声 波 的 反 射 使 大 部 分 纵 波 转 换 为 横 波，而换能器对横波探测灵敏度较低。因 此，该课题组的 Hu 等[8] 对光声耦合棱镜进 行了重新设计，如图 3（b）虚线框所示，将其 中一个直角棱镜替换成菱形棱镜，使超声 在空气‐玻璃界面重新由横波转换为纵波， 相 比 第 1 代 系 统 ，成 像 灵 敏 度 提 高 了 约 18.4 dB。 2 新型 PAM 技术的研究进展 PAM 技术凭借高性能的空间分辨率和 特有的高光学对比度受到越来越多生物医学研究者的青睐，经过十余年的发展，在国内外众多研究小 组的共同努力下，PAM 技术已经在探测灵敏度、成像分辨率和成像速度等方面取得了长足进步。为了 解决传统电机机械扫描方式成像速度受限的问题，各种新型扫描方法的 PAM 相继问世；为了使系统形 式更加紧凑、便携，小型化的手持式 PAM 系统成为了另一热门研究方向。下文将重点介绍新型 PAM 扫描方法和手持式 PAM 系统的研究进展。 2. 1 新型 PAM 扫描方法 成像速度的提升对高动态、时间敏感的生物学现象研究至关重要，如何在不牺牲成像灵敏度和成 图 1 PAM 聚焦方式对比 Fig.1 Comparison of focusing modes of PAM 图 2 常见 PAM 形式[5] Fig.2 Representative implementations of PAM[5] 图 3 Wang 课题组早期设计的 PAM 系统图[6‐7] Fig.3 Early design of PAM system diagram of Wang’s research group[6‐7] 773
774 数据采集与处理 Journal of Data Acquisition and Processing Vol.34,No.5.2019 像视场的情况下提高PAM速度,成为众多研究者思索的一大问题。近年来,针对扫描速度提升,各种 新型扫描方法的PAM相继被研发 Zhang等凹提出了一种基于扫描振镜的PAM来提高成像速度,如图4(a)所示。成像过程中,超声 换能器保持固定,通过检流计驱动的二维扫描振镜反射激光在样本表面扫描,使用重复频率为1024Hz 激光扫描一个256像素×256像素大小的区域耗时不超过2min。该系统的缺点是成像视场取决于非聚 焦型超声换能器探测范围的大小,受到一定限制,并且视场内探测灵敏度分布不均匀,有效视场直径为 6mm。随后Rao等将检流计驱动的扫描振镜作为扫描快轴,电机机械轴作为扫描慢轴,同时采用线 聚焦型换能器,改进提出一种混合扫描方式的PAM,如图4(b)所示,一定程度上解决了成像视场较小 的问题,成像信噪比也得到了提高。 光电二极管 不光器 }料激光器 NNd: YLF激光 位移台 衰减片 时钟激光触发 水棱镜 扫描控制模块 放大器 換能器 A/D 透镜 声换能器 据采集电脑 (a)二维扫描振镜PAM (b)混合扫描PAM (a) PAM based on 2D galvo mirrors (b) Hybrid-scanning PAM 图4基于扫描振镜的PAM系统 Fig 4 PAM systems based on galvo mirrors -o Song等采用微透镜阵列聚焦激光阵列式换能器探测超声的方式首次提出了一种透射式多焦点 扫描模式的PAM,如图5(a)所示,与传统逐点扫描方法相比,较大提高了扫描速度,1000像素×500像 素×200像素的体数据扫描时间不超过4min,分辨率可达到10μm。为了突破透射式对成像样品厚度 的局限,Li等凹2在此基础上,采用阵列式微型反射棱镜,开发出反射式多焦点PAM,如图5(b)所示,系 统横向分辨率达到16μm,扫描6mm×5mm×2.5mm大小的区域用时不超过2.5min Wang等将PAM扫描探头集成到高速音圈线性平移台( Voice-coil stage)上,在1mm扫描范围实 换能器阵列 柱透镜狭缝 柱透镜超声换能器阵列 光声波 样本 激光 微棱镜 组织 微透镜阵列 微透镜阵列 超声波 (a)透射式多焦点PAM (b)反射式多焦点PAM (a) Transmission-mode multifocal PAM (b)Reflection-mode multifocal PAM 5多焦点扫描PAM系统 Fig 5 Multifocus scanning PAM systemsl-12
数据采集与处理 Journal of Data Acquisition and Processing Vol. 34, No. 5, 2019 像视场的情况下提高 PAM 速度，成为众多研究者思索的一大问题。近年来，针对扫描速度提升，各种 新型扫描方法的 PAM 相继被研发。 Zhang 等[9] 提出了一种基于扫描振镜的 PAM 来提高成像速度，如图 4（a）所示。成像过程中，超声 换能器保持固定，通过检流计驱动的二维扫描振镜反射激光在样本表面扫描，使用重复频率为 1 024 Hz 激光扫描一个 256 像素×256 像素大小的区域耗时不超过 2 min。该系统的缺点是成像视场取决于非聚 焦型超声换能器探测范围的大小，受到一定限制，并且视场内探测灵敏度分布不均匀，有效视场直径为 6 mm。随后 Rao 等[10] 将检流计驱动的扫描振镜作为扫描快轴，电机机械轴作为扫描慢轴，同时采用线 聚焦型换能器，改进提出一种混合扫描方式的 PAM，如图 4（b）所示，一定程度上解决了成像视场较小 的问题，成像信噪比也得到了提高。 Song 等[11] 采用微透镜阵列聚焦激光，阵列式换能器探测超声的方式首次提出了一种透射式多焦点 扫描模式的 PAM，如图 5（a）所示，与传统逐点扫描方法相比，较大提高了扫描速度，1 000 像素×500 像 素×200 像素的体数据扫描时间不超过 4 min，分辨率可达到 10 μm。为了突破透射式对成像样品厚度 的局限，Li 等[12] 在此基础上，采用阵列式微型反射棱镜，开发出反射式多焦点 PAM，如图 5（b）所示，系 统横向分辨率达到 16 μm，扫描 6 mm×5 mm×2.5 mm 大小的区域用时不超过 2.5 min。 Wang 等[13] 将 PAM 扫描探头集成到高速音圈线性平移台（Voice‐coil stage）上，在 1 mm 扫描范围实 图 4 基于扫描振镜的 PAM 系统[9‐10] Fig.4 PAM systems based on galvo mirrors[9‐10] 图 5 多焦点扫描 PAM 系统[11‐12] Fig.5 Multifocus scanning PAM systems[11‐12] 774
张建辉等:光声显微成像技术的研究进展 现最快40帧/s的B-scan扫描速度,其横向分辨率达到3.4μm,高分辨率的快速扫描性能,使其在血流速 度和血氧饱和度等高动态过程的实时成像方面具有潜在应用价值,系统结构如图6所示,其扫描速度 定程度受到探头的重量和激光重复频率限制。 为了进一步提升PAM的成像速度和灵敏度,Yao等山采用水浸式微机电系统( Micro-electro-me- chanical system,MEMS)振镜作为扫描快轴,机械电机作为扫描慢轴,开发出一种高灵敏度宽视场快速 扫描PAM系统,如图7所示。成像过程中,水浸式MEMS振镜可以同时反射激光和超声,使激发光和 超声探测在较大视场内保持共焦性能,保证了视场内探测灵敏度的一致性。该系统在3mm范围内的 线扫描速度达到400帧/s,相同的扫描范围下,比Hu提出的第2代机械扫描系统快了约400倍,比 Wang提出的快速音圈扫描系统13快了约20倍,极大提升了PAM的成像速度。此后,众多基于MEMS 振镜的PAM研究工作相继开展[51 一步进电机 聚焦透镜 光束 放大器 针孔 声束 换能器 透镜 上 铝涂覆层 MEMS 声透镜 放大器 图6快速音圈扫描PAM 图7基于水浸MEMS振镜的PAM Fig 6 Fast voice-coil scanning PAMIL Fig7 PAM system based on a water- immersible MEMS scanning mirror 近期,Lan等1首次将多面转镜( Polygonal scanners)应用于PAM系统,提出了一种基于六面转镜的 高速宽视场PAM成像系统,系统原理如图8(a)所示。多面转镜由电机与多面棱镜组成,多面棱镜具有多 个反射面,安装在电动机的旋转轴上,通过电机的旋转实现大范围、超高速、高精度与高重复性的光束扫 反射镜 多面 电机 (b)直流电机驱动的六面转镜三维图 riven by a high-speed DC-motor a)基于六面转镜的 OR-PAM 直流电机 系统原理示 (c)直流电机驱动的六面转镜实物图 (a) Schematic of the OR-PAM based (c) Photograph of the hexagon-mirrc on hexagon-mirror scanner driven by a high-speed DC-motor 图8基于多面转镜的PAM Fig8 PAM system based on polygonal scanners LB)
张建辉 等：光声显微成像技术的研究进展 现最快 40 帧/s 的 B‐scan 扫描速度，其横向分辨率达到 3.4 μm，高分辨率的快速扫描性能，使其在血流速 度和血氧饱和度等高动态过程的实时成像方面具有潜在应用价值，系统结构如图 6 所示，其扫描速度一 定程度受到探头的重量和激光重复频率限制。 为了进一步提升 PAM 的成像速度和灵敏度，Yao 等[14] 采用水浸式微机电系统（Micro‐electro‐me‐ chanical system, MEMS）振镜作为扫描快轴，机械电机作为扫描慢轴，开发出一种高灵敏度宽视场快速 扫描 PAM 系统，如图 7 所示。成像过程中，水浸式 MEMS 振镜可以同时反射激光和超声，使激发光和 超声探测在较大视场内保持共焦性能，保证了视场内探测灵敏度的一致性。该系统在 3 mm 范围内的 线扫描速度达到 400 帧/s，相同的扫描范围下，比 Hu 提出的第 2 代机械扫描系统[8] 快了约 400 倍，比 Wang 提出的快速音圈扫描系统[13] 快了约 20 倍，极大提升了 PAM 的成像速度。此后，众多基于 MEMS 振镜的 PAM 研究工作相继开展[15‐17] 。 近期，Lan 等[18] 首次将多面转镜（Polygonal scanners）应用于 PAM 系统，提出了一种基于六面转镜的 高速宽视场 PAM 成像系统，系统原理如图 8（a）所示。多面转镜由电机与多面棱镜组成，多面棱镜具有多 个反射面，安装在电动机的旋转轴上，通过电机的旋转实现大范围、超高速、高精度与高重复性的光束扫 图 6 快速音圈扫描 PAM[13] Fig.6 Fast voice‐coil scanning PAM[13] 图 7 基于水浸 MEMS 振镜的 PAM[14] Fig.7 PAM system based on a water ‐ immersible MEMS scanning mirror[14] 图 8 基于多面转镜的 PAM[18] Fig.8 PAM system based on polygonal scanners[18] 775