776 数据采集与处理 Journal of Data Acquisition and Processing Vol.34,No.5.2019 描,六面转镜结构如图8(b,c)所示。相比MEMS振镜扫描,多面转镜具有更快的扫描速度和更高的损伤 阈值,12mm范围内B-scan扫描速率可高达900Hz,相同大小区域下的成像速度比基于MEMS振镜的 PAM快约10倍,比音圈扫描系统3快约300倍,比机械扫描系统快约3900倍,多面转镜很好地解决 了现有PAM系统成像速度慢和视场局限的问题,具备较高的应用价值。 2.2手持式PAM系统 近年来,为了更好地适应临床应用需求,PAM系统的小型化、集成化和便携性成了另外一个热门研究 方向,和外观笨重而庞大的传统台式成像系 统相比,各类装配紧凑型手持式PAM系统 光纤夹 入 光束 的应用更加灵活和方便。其中,以下课题组 支撑板 开发的手持式PAM具有一定代表性。 调节器 美国圣路易斯华盛顿大学Wang教授 镜筒 课题组的Lin等采用双轴水浸式MEMS H升准直器 位移台 振镜,使激发光和超声通过同一镜面反射 聚焦透镜盖板 MEMS 同时快速扫描,在2.5mm×2.0mm×0.5 镜MEMS 振镜 mm的范围下获得2Hz的三维成像速率 换能器罩 分辨率达到5μm。整个手持系统大小80 棱镜样本 成像窗底板 mm×115mm×150mm,内部充满水用于(a)手持探头二维示意图 (b)手持探头三维维示意图 (a)2-D sketch of the handheld probe (b)3-D rendering of the handheld probe 超声耦合,系统结构如图9所示。 韩国浦项科技大学Kim教授课题组的 g课题组的手持式PAM Fig9 Hand held PAM of Wangs research groups Park等采用自制的双轴水浸式MEMS 振镜,将所有的声学、光学和机械部件集成到直径为17mm和质量为162g的探头中,提出了系统结构 更加紧凑的手持式PAM系统,其中光声耦合方式为透光反声式,与Lin的反光透声式系统有所区别。 通过增大驱动电压可以增大MEMS机械转角,最大视场可以达到4.1mm×2.9mm,结合步进电机移动 可以进一步扩展成像范围,从实验方面论证了该系统在检测人体黑色素瘤等临床应用的潜力,系统结 构如图10所示。 驱动器 透镜耦 放大器 棱镜样本 b)Po手持式PAM探头实物图 hotograph of the handheld PAM probe 单模光纤 31 mm 激光器 光束 耦合器 扫描控郜 (a)手持式PAM探头原理图 (c)手持式PAM探头局部视图 (a)Schematic of the the handheld PAM probe system (c)Partial view of the handheld PAM probe 图10Kim课题组手持式PAM ig. 10 Hand held PAM of Kims research group[ao
数据采集与处理 Journal of Data Acquisition and Processing Vol. 34, No. 5, 2019 描，六面转镜结构如图 8（b, c）所示。相比 MEMS 振镜扫描，多面转镜具有更快的扫描速度和更高的损伤 阈值，12 mm 范围内 B‐scan 扫描速率可高达 900 Hz，相同大小区域下的成像速度比基于 MEMS 振镜的 PAM[17] 快约 10 倍，比音圈扫描系统[13] 快约 300 倍，比机械扫描系统[8] 快约 3 900 倍，多面转镜很好地解决 了现有 PAM 系统成像速度慢和视场局限的问题，具备较高的应用价值。 2. 2 手持式 PAM 系统 近年来，为了更好地适应临床应用需求，PAM 系统的小型化、集成化和便携性成了另外一个热门研究 方向，和外观笨重而庞大的传统台式成像系 统相比，各类装配紧凑型手持式 PAM 系统 的应用更加灵活和方便。其中，以下课题组 开发的手持式 PAM具有一定代表性。 美国圣路易斯华盛顿大学 Wang 教授 课题组的 Lin 等[19] 采用双轴水浸式 MEMS 振镜，使激发光和超声通过同一镜面反射 同 时 快 速 扫 描 ，在 2.5 mm×2.0 mm×0.5 mm 的范围下获得 2 Hz 的三维成像速率， 分辨率达到 5 μm。整个手持系统大小 80 mm×115 mm×150 mm，内部充满水用于 超声耦合，系统结构如图 9所示。 韩国浦项科技大学 Kim 教授课题组的 Park 等[20] 采用自制的双轴水浸式 MEMS 振镜，将所有的声学、光学和机械部件集成到直径为 17 mm 和质量为 162 g 的探头中，提出了系统结构 更加紧凑的手持式 PAM 系统，其中光声耦合方式为透光反声式，与 Lin 的反光透声式系统有所区别。 通过增大驱动电压可以增大 MEMS 机械转角，最大视场可以达到 4.1 mm×2.9 mm,结合步进电机移动 可以进一步扩展成像范围，从实验方面论证了该系统在检测人体黑色素瘤等临床应用的潜力，系统结 构如图 10 所示。 图 9 Wang 课题组的手持式 PAM[19] Fig.9 Hand held PAM of Wang’s research group[19] 图 10 Kim 课题组手持式 PAM[20] Fig.10 Hand held PAM of Kim’s research group[20] 776
张建辉等:光声显微成像技术的研究进展 南方科技大学的Ⅺi教授课题组在手持式PAM系统的研究也较为深入,2018年,该课题组的 Chen等设计了一款紧凑型 OR-PAM。将非水浸式MEMS振镜置于光声棱镜前端,单独用作激光 扫描。由于该方案采用聚焦超声的探测方案 无法实现光、声焦点的同步共焦,所以设计中 采用了非聚焦换能器进行超声探测,和基于 激光器 光路系统单模光纤 水浸式MEMS的探测方案相比,非聚焦的超 准直器 声探测一定程度上会降低探测灵敏度,但是 该设计创新性地采用水代替玻璃材质作为光 声耦合,减少了横纵波转换带来的超声损失,电脑 仍然获得了较高的探测灵敏度。系统横向分 辨率达到32m,2mm×2mm范围成像速度 达到3.2Hz,具有良好的便携操作性能,利用 该系统在人体口腔各部位血管进行成像实 e 验,获得了较好的成像效果。系统结构如图 11所示,整个探头约20g,外形尺寸仅22mm 图11Xi课题组手持式PAM2 Fig11 Hand held PAM of Xis research group( 30mm×13mm。 3PAM的DoF延拓技术的研究进展 OR-PAM依靠紧密的光学聚焦可以实现高分辨率的成像效果,然而,传统 OR-PAM通常依靠高 NA的物镜进行激光聚焦,在获取较高横向分辨率的同时会限制成像系统的DoF大小,使得 OR-PAM 在三维成像和获取不同深度方向信息方面存在局限,并且,离焦区域空间分辨率和信噪比的急剧下降 也将影响组织形态结构量化分析的准确性。为了解决短DoF带来的问题,通常需要在二维光栅扫描 的基础上,附加多次不同聚焦位置的深度扫描,进行三维扫描成像,该方法耗时较长;轮廓扫描成像2 是另一种解决方案,首先根据粗略扫描拟合出兴趣目标深度方向的轮廓,然后将轮廓曲面作为正式扫 描时深度方向的参考,由外部软件控制电机沿深度方向运动的轨迹,本质上是简化的三维扫描成像; 另外,对于厚度较薄样本,采取样本上下两侧双激发光照明②的成像方式也能一定程度扩展显微成像 DoF。当前2种新PAM的DoF延拓技术分别为:基于贝塞尔光束的PAM和基于变焦透镜的PAM 3.1基于贝塞尔光束的PAM Durnin等四2于1987年提出了一种无衍射光束一贝塞尔( Bessel)光束,随后在光学界引起研究热 潮。和光声成像中常用的高斯光束相比,无衍射的贝塞尔光束中心光斑的大小和光强可以在某一距离范围 内基本保持不变,目前,已经在多种光学成像模式中开展应用,如光学相干层析成像( Optical coherence to mography,OCT)和双光子荧光显微成像( Two-photon fluorescence,TPF)等2。近年来,一些课题组尝 试将贝塞尔光束用于PAM以拓展其成像DoF,提高焦区外成像分辨率。Jang等通过轴棱镜(AX)和环 形掩模(AM)产生贝塞尔光束,提出了一种反射式贝塞尔光束PAM系统( BB-PAM),并且将盲解卷积技术 用于抑制贝塞尔光束旁瓣造成的成像伪影,提高分辨率。BB-PAM系统原理如图12(a)所示,横向分辨率达 到1.6m,成像DoF达483pm,是基于传统高斯光束PAM系统( GB-PAM)的7倍左右,对开颅小鼠脑 血管成像结果如图12(b-d),分别为 GB-PAM、BB-PAM和盲解卷积处理后的 BB-PAM图像结果。 同样,为了减小贝塞尔光束旁瓣对PAM效果的影响,Sh等國基于热力学中的 Gruneisen弛豫 效应,在透射式PAM系统中使用连续激光作为加热光源,纳秒脉冲激光作为成像光源,利用加热后 光声信号非线性增强的效应,对加热前后的成像结果进行差分,有效抑制了贝塞尔光束旁瓣造成的
张建辉 等：光声显微成像技术的研究进展 南 方 科 技 大 学 的 Xi 教 授 课 题 组 在 手 持 式 PAM 系 统 的 研 究 也 较 为 深 入 ，2018 年 ，该 课 题 组 的 Chen 等[21] 设计了一款紧凑型 OR‐PAM。将非水浸式 MEMS 振镜置于光声棱镜前端，单独用作激光 扫描。由于该方案采用聚焦超声的探测方案 无法实现光、声焦点的同步共焦，所以设计中 采 用 了 非 聚 焦 换 能 器 进 行 超 声 探 测 ，和 基 于 水 浸 式 MEMS 的 探 测 方 案 相 比 ，非 聚 焦 的 超 声 探 测 一 定 程 度 上 会 降 低 探 测 灵 敏 度 ，但 是 该设计创新性地采用水代替玻璃材质作为光 声耦合，减少了横纵波转换带来的超声损失， 仍然获得了较高的探测灵敏度。系统横向分 辨率达到 3.2 μm，2 mm×2 mm 范围成像速度 达到 3.2 Hz，具有良好的便携操作性能 ，利用 该 系 统 在 人 体 口 腔 各 部 位 血 管 进 行 成 像 实 验 ，获 得 了 较 好 的 成 像 效 果 。 系 统 结 构 如 图 11 所示，整个探头约 20 g，外形尺寸仅 22 mm× 30 mm×13 mm。 3 PAM 的 DoF 延拓技术的研究进展 OR‐PAM 依靠紧密的光学聚焦可以实现高分辨率的成像效果，然而，传统 OR‐PAM 通常依靠高 NA 的物镜进行激光聚焦，在获取较高横向分辨率的同时会限制成像系统的 DoF 大小，使得 OR‐PAM 在三维成像和获取不同深度方向信息方面存在局限，并且，离焦区域空间分辨率和信噪比的急剧下降 也将影响组织形态结构量化分析的准确性。为了解决短 DoF 带来的问题，通常需要在二维光栅扫描 的基础上，附加多次不同聚焦位置的深度扫描，进行三维扫描成像，该方法耗时较长；轮廓扫描成像[22] 是另一种解决方案，首先根据粗略扫描拟合出兴趣目标深度方向的轮廓，然后将轮廓曲面作为正式扫 描时深度方向的参考，由外部软件控制电机沿深度方向运动的轨迹，本质上是简化的三维扫描成像； 另外，对于厚度较薄样本，采取样本上下两侧双激发光照明[23] 的成像方式也能一定程度扩展显微成像 DoF。当前 2 种新 PAM 的 DoF 延拓技术分别为：基于贝塞尔光束的 PAM 和基于变焦透镜的 PAM。 3. 1 基于贝塞尔光束的 PAM Durnin 等[24‐25] 于 1987 年提出了一种无衍射光束——贝塞尔（Bessel）光束，随后在光学界引起研究热 潮。和光声成像中常用的高斯光束相比，无衍射的贝塞尔光束中心光斑的大小和光强可以在某一距离范围 内基本保持不变，目前，已经在多种光学成像模式中开展应用，如光学相干层析成像（Optical coherence to‐ mography, OCT）和双光子荧光显微成像（Two‐photon fluorescence, TPF）等[26‐28] 。近年来，一些课题组尝 试将贝塞尔光束用于 PAM 以拓展其成像 DoF，提高焦区外成像分辨率。Jiang等[29] 通过轴棱镜（AX）和环 形掩模（AM）产生贝塞尔光束，提出了一种反射式贝塞尔光束 PAM 系统（BB‐PAM），并且将盲解卷积技术 用于抑制贝塞尔光束旁瓣造成的成像伪影，提高分辨率。BB‐PAM 系统原理如图 12（a）所示，横向分辨率达 到 1.6 μm，成像 DoF 达 483 μm，是基于传统高斯光束 PAM 系统（GB‐PAM）的 7 倍左右，对开颅小鼠脑 血管成像结果如图 12（b—d），分别为 GB‐PAM、BB‐PAM 和盲解卷积处理后的 BB‐PAM 图像结果。 同样，为了减小贝塞尔光束旁瓣对 PAM 效果的影响，Shi 等[30] 基于热力学中的 Grueneisen 弛豫 效应，在透射式 PAM 系统中使用连续激光作为加热光源，纳秒脉冲激光作为成像光源，利用加热后 光声信号非线性增强的效应，对加热前后的成像结果进行差分，有效抑制了贝塞尔光束旁瓣造成的 图 11 Xi课题组手持式 PAM[21] Fig.11 Hand held PAM of Xi’s research group[21] 777