深圳先进院高速光声显微成像技术获得进展

近日，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中心刘成波、郑炜团队合作，在生物医学光学领域旗舰期刊Biomedical Optics Express发表了题为“Video-rate high-resolution single-pixel nonscanning photoacoustic microscopy”的研究论文，报道了一种基于单像素非扫描方式的高速光声显微成像技术，在国际上率先实现了30帧/秒的三维动态光声显微成像，达到同类技术最快的成像速度。该论文被期刊遴选为编辑推荐（Editor's Pick）亮点文章。助理研究员陈宁波、余佳、刘良检为论文共同第一作者，刘成波研究员、郑炜研究员为论文共同通讯作者。

光声显微成像具备高分辨、三维无标记成像等优势，被广泛用于活体生物组织结构和功能成像。传统光声显微成像技术主要依靠逐点扫描进行三维图像采集，受限于步进电机、光学振镜等扫描器件的扫描速度局限，传统光声显微技术的成像速度远低于视频帧率（30 Hz），难以满足生物体快速生理活动监测的需求。

针对该问题，研究团队提出了一种基于单像素成像技术的高速非扫描光声显微成像（SPN-PAM）。该技术利用高速数字微镜（DMD）实现成像区域的结构光场照明，通过快速调制结构光场的傅里叶照明条纹，获取图像的变换域频谱信息，采用傅里叶频谱逆变换即可完成图像快速重建。

（a）SPN-PAM成像系统图；（b）SPN-PAM图像重建原理。

SPN-PAM技术无需逐点扫描成像，克服了扫描器件对成像速度的限制，此外，该技术能够充分利用图像在变换域独特的频谱稀疏特征，对频谱信息进行大幅压缩采样。活体成像结果表明，在4.86%的超低采样率下，该方法仍能够保持良好的图像分辨率和信噪比，同时成像速度得到大幅提升。基于此，研究团队首次实现了视频帧率（≥30 Hz）的高分辨光声显微成像。

活体小鼠微血管网络SPN-PAM压缩成像结果

凭借高时间和空间分辨率优势，SPN-PAM实现了小动物活体水平，对微血管尺度血流再灌注过程的动态监测，观察到了血流量和流速的瞬时变化，为血流动力学和组织代谢研究提供了一种潜在的有效手段。与此同时，SPN-PAM压缩成像还能够有效降低高速光声显微成像需要的激光剂量，提升成像安全性，为该技术进一步临床转化提供了可能。