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《Light: Science & Applications》
光声显微成像系统（OAM）能够实时提供动物和人体的解剖、功能和分子信息，是一种重要的显微成像工具。然而，常规的光声显微成像系统存在时间/空间分辨率受限的问题。Kim 教授与其团队设计了一种高速光声显微成像系统，并提出了一种基于稳定的商用振镜扫描仪和定制扫描镜的无需对比剂的定位方法。该系统具有高信噪比（SNR）和高速的B模式速率（500 Hz），能够通过定位捕获的红细胞产生的光声信号（无需任何外源性对比剂），清晰地分辨出原本无法分辨的微血管，在提高时间分辨率的同时也成功将空间分辨率提高了2.5倍。此外，该系统还成功地在体内监测和量化了微血管中的血流速率。通过应用此系统，研究人员希望提供更精确的微血管解剖与血流动力学信息，支持神经学、肿瘤学等领域的生物医学研究。
该研究由韩国浦项科技大学的 Chulhong Kim 教授及其团队发表于《Light: Science & Applications》（IF = 20.7）。
研究重点
光声成像是一种基于光声效应的生物医学成像技术，能够提供高分辨率的解剖、功能和分子信息。特别是光声显微成像系统（OAM）因其高分辨率的微血管成像能力，被广泛用于活体动物和人体的非侵入性观察。
对于光声显微成像系统 OAM 尤其是光学分辨率光声显微成像系统 OR-OAM 系统而言，需要实现高信噪比（SNR）、快速时间分辨率和高空间分辨率。然而，以往的 OAM 系统在这三者存在局限，往往难以兼顾。
基于这一问题，Kim 教授与其团队开发了一种新的超分辨率定位光声显微成像系统，该系统采用振镜扫描仪，首先通过定位过程技术在提高时间分辨率的同时也提高了空间分辨率。其次，本研究中使用的半水浸式振镜扫描器能够同时引导激发光束和发射声波。借助增强的振镜扫描仪，可将时间分辨率提升至每秒500帧的 B 扫描速率。卓越的成像速度性能使得该系统在仅通过红细胞光声信号即可研究小动物和人体内的微血管解剖结构和功能性血流动力学。在本研究中，研究者以2.5 Hz 的体积成像速率对连续拍摄的60帧常规 OA 体积数据进行后处理，重建得到的图像空间分辨率较传统光学分辨率光声显微镜（OR-OAM）提高了2.5倍。可以预见，该超分辨率定位光声显微成像系统在临床及临床前相关领域具有十分广阔的应用前景。
图1. 小鼠体内（小鼠耳朵、眼睛和大脑）微血管的光声显微图像。
为了展示超分辨率定位光声显微成像系统在生命科学研究中的实用性，本研究对老鼠的耳朵、眼睛和大脑的微血管进行了成像。结果显示该成像系统具有高分辨率、高速度和广域视野成像能力，能够清晰捕捉到小鼠不同部位微血管的精细结构，为活体微血管的解剖和功能研究提供了重要支持。
图2. 超分辨率定位光声显微成像系统对人类手指皮肤下的微血管进行非侵入性成像及去除皮肤信号后的处理效果。
超分辨率定位光声显微成像系统能够在短时间内（约2秒）获取指尖微血管的精细结构，并可以通过去除表层皮肤信号，生成高分辨率的血管图像。这一结果验证了超分辨率定位光声显微镜系统在非侵入性人体微血管成像中的有效性，特别是皮肤信号去除后微血管成像的清晰度显著提升。这不仅能够帮助实现人体微血管的高精度观测，也为皮肤微循环系统的功能性评估提供了有效工具。
图3. 展示了超分辨率定位光声显微成像系统对小鼠耳朵微血管内血液流动的实时监测结果。
图3展示了在高时间分辨率下记录的红细胞（RBC）流动过程。通过标记红细胞在图像序列中不同位置的位移量和拍摄时间间隔，系统计算出红细胞的平均流速。实验测量到的流速分别为125 μm/s和137 μm/s（图中用白色和绿色箭头标出），这与其它文献中报告的静脉血流速度一致。这一结果验证了超分辨率定位光声显微镜系统用于实时监测微血管血液动力学的能力。通过高分辨率和快速成像的结合，该成像系统可以在不使用造影剂的情况下，非侵入性地追踪活体微血管内红细胞的流动。此技术为血液动力学研究提供了精准、动态的观测手段，有望在疾病的早期检测、微循环障碍监测等应用中发挥重要作用。
图4. 小鼠耳部血管常规光声显微成像与超分辨率定位光声显微成像的对比。
超分辨率定位光声显微成像系统凭借快速时间分辨率和高信噪比，能即时捕获流动红细胞的光声信号。它定位同一红细胞在不同帧中的信号，并通过叠加这些位置点来绘制高分辨率图像，从而更清晰地呈现微小血管结构。对比小鼠耳部血管常规光声显微成像与超分辨率定位光声显微成像，可以发现验证了超分辨率定位光声显微成像系统的无造影剂定位成像方法能够显著提高微血管成像的分辨率。通过多帧叠加和定位算法，系统可将横向和轴向分辨率提升至常规成像的2.5倍，使得微血管结构在成像中更为清晰。这一方法为微血管系统的超分辨率研究提供了有力工具，特别适用于无造影剂的情况下观察血管的超微结构。
论文信息：
Super-resolution localization photoacoustic microscopy using intrinsic red blood cells as contrast absorbers
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41377-019-0220-4
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