傳統(tǒng)的生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，如正電子發(fā)射斷層掃描（PET）、功能性磁共振成像（fMRI）、共焦顯微鏡和超聲成像等，在各自的應(yīng)用領(lǐng)域都取得了一定的成果。PET和fMRI雖然能夠深入探測生物組織，但它們的空間和時間分辨率較低，就像透過一層模糊的濾鏡觀察物體，難以清晰地分辨出微小的結(jié)構(gòu)和快速的生理變化。共焦顯微鏡和多光子顯微鏡等光學(xué)成像技術(shù)在高分辨率成像方面表現(xiàn)出色，然而，當(dāng)面對厚生物組織時，光線在組織中的散射嚴(yán)重限制了其穿透深度，仿佛一道無形的屏障，阻止了我們深入窺探組織內(nèi)部的奧秘。超聲成像技術(shù)雖然具有較大的穿透深度和較高的分辨率，但其靈敏度和對比度不足，使得圖像中的細(xì)節(jié)難以清晰呈現(xiàn)，如同在昏暗的燈光下尋找細(xì)微的線索，困難重重。

光聲成像（PAI）技術(shù)的出現(xiàn)，宛如一道曙光，為解決這些難題帶來了新的希望。PAI巧妙地將光能轉(zhuǎn)化為熱能，進(jìn)而產(chǎn)生光聲信號，再通過超聲傳感器捕獲這些信號并重建圖像。光聲顯微成像（PAM）作為PAI的重要分支，更是憑借其從亞微米到亞毫米級的超高空間分辨率以及數(shù)毫米的成像深度，脫穎而出。它宛如一位微觀世界的探險家，能夠在生物組織的微觀結(jié)構(gòu)中穿梭自如，為我們揭示細(xì)胞和亞細(xì)胞層面的精細(xì)結(jié)構(gòu)，以及組織內(nèi)部的代謝、功能、分子對比及力學(xué)等豐富信息。

光聲顯微成像術(shù)基于光聲效應(yīng)，當(dāng)激光脈沖照射生物組織，組織內(nèi)分子吸收光能轉(zhuǎn)化為熱能，引發(fā)熱彈性膨脹產(chǎn)生壓力波（即光聲波），超聲傳感器捕獲這些信號后經(jīng)計算機(jī)處理重建圖像。PAM成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多樣，根據(jù)焦點類型分為光學(xué)焦點PAM（OR-PAM）和聲學(xué)焦點PAM（AR-PAM）。OR-PAM橫向分辨率高（可達(dá)微米級甚至亞微米級），但成像深度較淺（1-2mm）；AR-PAM成像深度大（可達(dá)數(shù)毫米），橫向分辨率相對較低，其分辨率取決于超聲換能器參數(shù)。常見實現(xiàn)方式包括透射式、反射式光聲成像及基于暗場照明的光聲成像，OR-PAM適用于較薄生物樣品成像（透射式）或體內(nèi)成像（反射式），AR-PAM通常采用暗場照明以增大成像深度。

成像性能提升方法
一、光學(xué)增強(qiáng)
1.光束整形
◆ 超透鏡
由負(fù)折射率材料制成，可突破傳統(tǒng)光學(xué)衍射極限。如汽水罐構(gòu)成的結(jié)構(gòu)驗證了負(fù)折射率聲學(xué)超透鏡概念，其光斑寬度和分辨率相比衍射極限有顯著提升，在醫(yī)學(xué)超聲等領(lǐng)域具應(yīng)用潛力。

◆ 貝塞爾光束
以非衍射特性擴(kuò)展焦深，反射式貝塞爾光束光聲顯微系統(tǒng)可解析體內(nèi)單個毛細(xì)血管，但存在旁瓣問題。全光學(xué)光聲顯微系統(tǒng)利用雙貝塞爾光束克服旁瓣影響，提高檢測靈敏度和深度分辨能力，在活體成像中有應(yīng)用前景。

◆ 變焦透鏡
焦距可調(diào)節(jié)，如電動可變焦透鏡與光聲顯微系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn)快速聚焦掃描和大范圍連續(xù)調(diào)焦，提高成像質(zhì)量和效率，但存在成本高、制造校準(zhǔn)復(fù)雜等問題。

2.光學(xué)波前整形（SLM/DMD）
通過空間光調(diào)制器（SLM）或數(shù)字微鏡器件（DMD）調(diào)控光波前，克服散射介質(zhì)影響。其原理是利用反饋信號調(diào)整入射光波前相位或振幅，實現(xiàn)光在目標(biāo)位置重新聚焦。光聲引導(dǎo)的波前整形技術(shù)利用光聲信號作為反饋，具有無創(chuàng)性和非侵入性，可提升成像信噪比、分辨率和穿透深度。

二、聲學(xué)增強(qiáng)
1.高效聲學(xué)探測
◆ 法布里-珀羅傳感器
基于干涉原理檢測光聲信號，如全光學(xué)微超聲傳感器、雙光子三維光刻機(jī)加工的傳感器及透明封裝的光學(xué)微光纖超聲傳感器等，靈敏度高，可用于多尺度光聲成像。

◆ 壓電式超聲換能器
利用壓電效應(yīng)，如線性壓電微機(jī)械超聲換能器陣列、無鉛復(fù)合材料超聲換能器及緊湊型壓電微機(jī)械超聲換能器陣列等，在組織模型光聲成像等方面有應(yīng)用，雙壓電晶片換能器可提高皮膚鏡檢測靈敏度和成像深度。

◆ 微型環(huán)形諧振器
基于光的共振現(xiàn)象，如硅平臺上的微環(huán)諧振器超聲傳感器、狹縫聚二甲基硅氧烷聚合物微環(huán)超聲傳感器及一次性超聲傳感慢性顱窗等，具有高靈敏度、寬帶寬等優(yōu)點，可實現(xiàn)高分辨率超聲成像和光聲層析成像。

◆ 電容式微機(jī)械超聲換能器（CMUT）
具有寬帶寬和高接收靈敏度，如透明CMUT線性陣列、無傳輸模式的電容微機(jī)械超聲換能器單次發(fā)射近場體積成像系統(tǒng)等，為光學(xué)超聲和光聲成像帶來新可能。

2.合成孔徑算法
如創(chuàng)新的SAFT、自適應(yīng)干涉校正合成孔徑聚焦技術(shù)（IntC-SAFT）、二維SAFT結(jié)合三維反卷積（SAFT+反卷積）及改進(jìn)算法（FA-SAFT和D-MB的反卷積）等，可改善成像性能，提高圖像分辨率、信噪比和保真度。

三、人工智能增強(qiáng)
1.提升成像速度
深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于稀疏采樣反演，如使用ResNet、深度圖像先驗（DIP）及基于多任務(wù)殘差密集網(wǎng)絡(luò)的方法等，可提高成像速度、降低數(shù)據(jù)采集難度和成本，同時保持圖像質(zhì)量。

2.提升分辨率及深度
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可從稀疏信息中重建稠密圖像，提升OR-PAM和AR-PAM成像分辨率和深度，如基于深度神經(jīng)的網(wǎng)絡(luò)（DNN）、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)分辨率光聲顯微在體三維微血管成像和分割方法（HM3DCE-Net）、基于深度學(xué)習(xí)生成對抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）的方法及結(jié)合基于模型和基于學(xué)習(xí)方法的補充框架等。

3.提升信噪比
注意力增強(qiáng)的GAN可去除PAM圖像噪聲，基于光聲皮膚鏡（PAD）的四維光譜空間成像計算方法可提高成像質(zhì)量，已有開源共享的光聲數(shù)據(jù)集用于深度學(xué)習(xí)研究。

生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用
一、光聲結(jié)構(gòu)顯微成像
可揭示生物組織微觀結(jié)構(gòu)，如對小鼠耳朵微血管成像、腫瘤微血管成像、皮膚結(jié)構(gòu)成像及單個紅細(xì)胞和黑色素瘤細(xì)胞成像等，多波長頻域光聲顯微鏡（FDOM）可降低成像成本。

◆ 心腦血管醫(yī)學(xué)
為血管狹窄、動脈瘤、心臟瓣膜病變等診斷和監(jiān)測提供解決方案，可描繪血管內(nèi)壁變化、評估心臟瓣膜功能、監(jiān)測心腦功能及腦血流和氧合狀態(tài)，有助于早期識別和預(yù)測疾病風(fēng)險。

◆ 神經(jīng)科學(xué)
能提供快速、高空間分辨率的神經(jīng)活動映射，用于研究腦網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作，在神經(jīng)退行性疾病研究中具有潛力，可早期捕捉腦血流異常，定位受損區(qū)域并監(jiān)測恢復(fù)進(jìn)程。

總結(jié)與展望
PAM技術(shù)在光學(xué)、聲學(xué)、人工智能增強(qiáng)及光學(xué)與聲學(xué)互補方面取得顯著進(jìn)展，成像性能不斷提升，在生物醫(yī)學(xué)多個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。未來，PAM有望在光學(xué)增強(qiáng)方面進(jìn)一步突破，如開發(fā)高速自適應(yīng)光聲顯微鏡解決OR-PAM景深問題，隨著光子工學(xué)和數(shù)字光處理技術(shù)發(fā)展，實現(xiàn)更精密光波整形以提高成像分辨率；聲學(xué)增強(qiáng)方面，創(chuàng)新高效聲學(xué)超敏感探測器將提升聲學(xué)分辨率，不同物理原理成像模式結(jié)合可增強(qiáng)檢測能力；多模態(tài)融合方面，PAM與PACT等成像技術(shù)結(jié)合實現(xiàn)多模態(tài)成像，提供更豐富生物信息，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可提高成像速度、靈敏度，降低成本和復(fù)雜度；在心血管疾病研究、藥物監(jiān)測、癌癥研究、基因表達(dá)研究、神經(jīng)科學(xué)及疾病傳感和早期診斷等領(lǐng)域具有巨大潛力，有望成為疾病預(yù)防和干預(yù)的重要手段。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，PAM將為生物醫(yī)學(xué)研究和臨床應(yīng)用帶來更多突破。

聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。文章來源于：馬海鋼, 吳家輝, 朱亞輝, 魏翔, 于音什, 任世利, 陳錢, 左超. 面向先進(jìn)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的光聲顯微成像術(shù)（特邀）[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2024, 61(6): 0618006.