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近日，华中科技大学费鹏教授团队开发了一种自监督光声体数据去噪（PSVD）的方法，该方法结合三维随机采样和噪声增强模块，无需高质量基准图像，显著提高了图像质量，并实现了低能量的光声显微系统与基于图像的功能分析方法，有助于进一步实现低剂量的光声显微向临床研究的转化。该成果发表在Laser & Photonics Reviews，题为“High-speed hemodynamic imaging with low-fluence photoacoustic microscopy and self-supervised single volume denoising”。华中科技大学光学与电子信息学院博士后研究员钟丰鹤博士为论文第一作者，钟丰鹤博士与费鹏教授为共同通讯作者。光声显微镜（Photoacoustic
Microscopy, PAM）可通过二维横向扫描对三维血液脉管系统结构和功能信息进行无标记成像,因此成为了生物模式动物研究和临床应用的理想选择之一。然而，由于热积累和过量的光子密度造成的生物组织损伤，当激光器重复频率高时，高激发功率阻碍了对血液动力学的高速监测。研究团队设计的PSVD方法如图1所示，他们提出利用光声显微成像的的特点-天然三维成像，且在深度方向（超声传播方向）过采样的特点，对三维数据相邻体素随机进行选取并生成配对数据; 同时对输入图像加入实测噪声来增强并扩充数据集。图1：PSVD数据处理、训练与预测示意图。
实验通过不同的脉冲能量对鼠耳进行成像，以证明PSVD方法的活体去噪能力。使用正常能量密度、1/5、1/10、1/20 和 1/30脉冲能量进行成像。如图2所示为不同脉冲能量下的体数据XY平面的投影图像，PSVD显著降低了噪声并有良好的恢复图像质量。仅需10%的脉冲能量，得到的投影图像的结构相似度显著提高，而MSE则明显降低。![]()
图2：不同激发能量密度下采集的小鼠体内耳朵的PSVD去噪。此外，研究团队还将该方法应用于高速动态的结构与功能观测。通过通入10%CO2气体，利用低脉冲能量在高帧率下对小鼠耳部血管进行持续监测。如图3所示，动静脉血管的血管直径与血液流速变化可以在使用PSVD算法后被清晰分辨。
该研究团队基于上述方法，在没有高质量基准图像的情况下实现低能量高速光声成像。利用三维体积随机采样策略和噪声增强模块，使恢复图像的SNR提高了6 dB，实验结果验证了其相比于其他无监督方法良好的性能。文章在低照度下对鼠耳进行光声成像，可以在仅需10%普通脉冲功率的情况下恢复高质量图像（如图2所示）。此外，PSVD已应用于小鼠体内氧饱和度 (sO2) 和血流速度等功能参数的量化测量，在高碳酸血症引起的鼠耳血管直径和血流的动态变化中实现了良好监测（如图3所示）。
图3：高碳酸血症下鼠耳血液动力学信息高时空分辨率观测。
F. Zhong, X. Huang, M. Sun, D. Li, P. Fei, High-Speed Hemodynamic Imaging with Low-Fluence Photoacoustic Microscopy and Self-Supervised Single Volume Denoising. Laser Photonics Rev 2024, 2401291.
