一种可切换的声学分辨率（AR）与光学分辨率（OR）光声显微成像系统（AR-OR-PAM），能够在同一样品上实现浅层组织的高分辨率成像和深层组织的低分辨率成像 体内 被展示。
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本文内容
摘要
摘要
光声显微成像（PAM）是一种快速发展的 体内 一种结合光学与超声的成像模态，能够在超越光学平均自由程（皮肤中约为1毫米）的深度实现高分辨率成像。该技术通过在单一模态中融合光学吸收对比度与超声的高空间分辨率，可实现对深层组织的穿透成像。光声显微系统可分为两类：一类具有较低的声学分辨率但探测深度较深，另一类具有较高的光学分辨率但探测深度较浅。在同一系统中同时实现高空间分辨率与大深度穿透仍具挑战性。本研究展示了一种AR-OR-PAM系统，能够对同一样本实现浅层的高分辨率成像与深层组织的低分辨率成像。 体内. 利用光学聚焦实现了4 µm的横向分辨率和1.4 mm的成像深度，利用声学聚焦实现了45 µm的横向分辨率和7.8 mm的成像深度，上述结果已通过该联合系统成功验证。此处， 体内 小动物血液血管成像用于展示其生物成像能力。
引言
高分辨率光学成像技术，如光学相干断层扫描、共聚焦显微镜和多光子显微镜，具有多种优势。然而，随着成像深度的增加，空间分辨率会显著下降，这是由于光在软组织中传输具有扩散性所致。1,2光学激发与超声检测的结合为解决深层组织中高分辨率光学成像的难题提供了一种解决方案。光声显微成像（PAM）便是其中一种能够比其他光学成像方式实现更深层成像的模式。该技术已成功应用于 体内 结构、功能、分子与细胞成像3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 通过结合强光学吸收对比度与....
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方案
所有动物实验均按照新加坡南洋理工大学机构动物护理和使用委员会批准的法规和指南进行（动物实验方案编号 ARF-SBS/NIE-A0263）。
1. AR-OR-PAM 系统（图1）
- 系统配置：AR-PAM
- 使用一个纳秒可调谐激光系统，该系统由一个二极管泵浦的固态Nd-YAG激光器（532 nm）和一个可调谐范围为559–576 nm的染料激光器组成，作为光学照射光源。通过外部控制器将激光波长设置为570 nm，并使用激光软件将激光重复频率设置为1 kHz。
- 在激光器前方以45°角放置一个光束取样器，通过可变中性密度滤光片（NDF1；OD = 0–4.0）将5%的激光功率引向一个光电二极管。
- 使用一个直角棱镜（RAP1）将光束取样器后的激光束以90°角偏转。
- 使用另一个直角棱镜（RAP2）使光束穿过一个可变中性密度滤光片（NDF2；OD = 0–4.0），然后进入一个多模光纤（MMF），并通过光纤耦合器（FC）——由物镜（数值孔径（NA）：0.25）和XY平移台组合而成——进行引导。
- 使用XY平移台将光纤固定在扫描平台上。在光纤输出端25 mm处放置一个平凸透镜（L1），以准直从光纤出射的光束。
- 将准直后的光束通过一个顶角为130°....
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结果
AR-OR-PAM系统的示意图如图1所示。在该装置中，所有组件均集成并组装在一个光学笼式结构中。使用笼式系统可使AR-OR-PAM扫描头结构紧凑，并便于组装、准直，以及集成到单一扫描平台上。
图像采集过程中，对成像探头进行二维连续光栅扫描。将时间分辨的光声信号乘以声速（1,540 m/s）以获得A-line信号。在Y轴载物台连续运动过程中采集多个A-line信号，生成二维B-scan图像。对成像区域采集多个B-scan图像，并将其存储在计算机中，用于后续处理并生成MAP光声图像。
为了确定可切换系统的分辨率，使用单个纳米颗粒的光声显微图像（MAP图像）进行分析31。将图像中心横向方向上的光声信号幅度绘制成曲线，并拟合为高斯函数.......
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讨论
总之，已开发出一种可切换的光声显微成像系统（AR-PAM与OR-PAM），能够实现较浅成像深度下的高分辨率成像以及较深成像深度下的低分辨率成像。该可切换系统的横向分辨率和成像深度已被测定。该可切换PAM系统的优势包括：（1）利用紧密光学聚焦实现高分辨率成像；（2）利用声学聚焦实现深层组织成像；（3）采用暗场照明用于AR-PAM，避免皮肤表面产生强烈的光声信号；（4）可在不移动样品的情况下在同一位置完成两种模式的成像；（5）无需使用多个激光器和扫描平台；（6）极少使用自制组件。这是首次报道将OR-PAM与暗场AR-PAM相结合的技术，能够在不移动样品或目标的情况下，对同一样品获取高分辨率的浅层图像和低分辨率的深层组织图像。由于使用相同的扫描平台和激光器，该系统具有高效且成本较低的优点。该组合系统在1.4 mm成像深度下可实现4 µm的横向分辨率，在7.8 mm成像深度下可实现45 µm的横向分辨率。系统采用光学笼式结构设计，自制组件极少，便于组装、光路对准以及在AR-PAM与OR-PAM之间切换。集成化的扫描头结构紧凑，可方便地安装于单一扫描平台上。利用该组合系统， 体内 成像成功实现。
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披露
所有动物实验均按照新加坡南洋理工大学机构动物护理和使用委员会批准的指南和规定进行（动物实验方案编号 ARF-SBS/NIE-A0263）。作者在本论文中无相关财务利益，也无其他潜在的利益冲突需要披露。
致谢
作者感谢新加坡教育部资助的二类资助项目（ARC2/15：M4020238）提供的经费支持。作者还感谢周伟雄先生（Mr. Chow Wai Hoong Bobby）在机械加工车间提供的帮助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Q 开关 Nd:YAG 激光器 | Edgewave | BX80-2-L | 泵浦激光器 |
| Credo 高重复频率染料激光器 | Spectra physics | CREDO-DYE-N | 染料激光器 |
| 精密线性位移台 | Physik Instrumente | PLS 85 | XY 光栅扫描平台 |
| 平移位移台 | Physik Instrumente | VT 80 | 共聚焦测定 |
| 带安装座的硅光电二极管 | Thorlabs | SM05PD1A | 触发/脉冲变化 |
| 电动连续旋转位移台 | Thorlabs | CR1/M-Z7 | 偏转激光束 |
| 带安装座的连续可变中性密度滤光片 | Thorlabs | NDC-50C-4M | 强度可调 |
| 光纤跳线 | Thorlabs | M29L01 | 多模光纤 |
| 显微镜物镜 | Newport | M-10X | 物镜 |
| XY 平移安装架 | Thorlabs | CXY1 | 平移安装架 |
| 平凸透镜 | Thorlabs | LA1951 | 准直透镜 |
| 锥形透镜 | Altechna | APX-2-B254 | 环形光束 |
| 平移位移台 | Thorlabs | CT1 | 平移位移台 |
| 光学聚光镜 | 自制 | ||
| 超声换能器 | Olympus-NDT | V214-BB-RM | 50 MHz 换能器 |
| 平凹透镜 | Thorlabs | LC4573 | 声学透镜 |
| 脉冲发生器/接收器 | Olympus-NDT | 5073PR | 脉冲回波放大器 |
| 带安装座的标准光阑 | Thorlabs | ID12/M | 光束整形 |
| 平凸透镜 | Thorlabs | LA4327 | 聚光镜 |
| 带安装座的精密针孔 | Thorlabs | P50S | 空间滤波 |
| 单模光纤跳线 | Thorlabs | P1-460B-FC-1 | 单模光纤 |
| 光纤耦合器 | Newport | F-91-C1 | 单模耦合 |
| 消色差双合透镜 | Edmund Optics | 32-317 | 消色差双合透镜 |
| 镀保护银膜的椭圆反射镜 | Thorlabs | PFE10-P01 | 反射镜 |
| 直角运动学反射镜安装架 | Thorlabs | KCB1 | 反射镜安装架 |
| Z 轴平移安装架 | Thorlabs | SM1Z | z 向位移器 |
| 透镜套管 | Thorlabs | SM05L10 | |
| 紫外熔融石英直角棱镜 | Thorlabs | PS615 | 直角棱镜 |
| 菱形棱镜 | Edmund Optics | 47-214 | 剪切波 |
| 二甲基聚硅氧烷 | Sigma Aldrich | DMPS1M | 硅油 |
| 放大器 | Mini Circuits | ZFL-500LN | 放大器 |
| 16 位高速数字化仪 | Spectrum | M4i.4420 | 数据采集卡 |
| 示波器 | Agilent Technologies | DS06014A | |
| 小鼠 | InVivos Pte.Ltd | ICR | 动物模型 |
| 超声耦合凝胶 | Progress/parker acquasonic gel | PA-GEL-CLEA-5000 | 声学耦合 |
| 水槽 | 自制 | ||
| 平移位移台 | 自制 | 切换 AR-OR | |
| 金纳米颗粒 | Sigma Aldrich | 742031 | 横向分辨率 |
| 无菌眼用软膏 | Alcon | Duratears | 动物成像 |
| 1951 USAF 分辨率测试板 | Edmund Optics | 38257 | 共聚焦校准 |
| 数据采集软件 | National Instrument | Labview | 基于 Labview 自制的软件 |
| 图像处理软件 | Mathworks | Matlab | 基于 Matlab 自制的程序 |
参考文献
- Hu, S., Wang, L. V. Photoacoustic imaging and characterization of the microvasculature. J Biomed Opt. 15, 011101-01-011101-15 (2010).
- Ntziachristos, V. Going deeper than microscopy: the optical imaging frontier in biology. Nat Methods. 7 (8), 603-614 ....
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重印与许可
