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超快光聲顯微成像系統的構成和優勢
超快光聲顯微成像系統是一種融合光學激發與聲學探測的先進成像技術，其核心在于通過脈沖激光誘導生物組織的光聲效應，結合高性能超聲檢測技術實現高分辨率、高對比度的成像。以下是其系統構成與優勢的詳細分析：
一、系統構成
1. 激光激發模塊
- 多光譜光源：采用脈沖激光器(如綠光、紅光等)提供多波長激發，覆蓋不同組織的吸收峰。例如，香港城大的SLD-PAM系統使用11個波長的低成本脈沖激光，支持從綠光到紅光的光譜切換。
- 光束整形與聚焦：通過微透鏡陣列或光學聚焦系統(如二維多聚焦技術MFOR-PAM)，將激光分解為多焦點陣列，提升成像速度并減少機械掃描依賴。
2. 超聲檢測模塊
- 高靈敏度傳感器：采用光纖激光傳感器(如正交雙頻光纖激光器)或壓電超聲探頭，實現低噪聲、寬頻帶信號檢測。例如，光纖傳感器可檢測最小40Pa聲壓，帶寬超20MHz。
- 聲學遍歷繼電器：通過聲學遍歷技術替代傳統機械掃描，提升成像速度并擴大視野范圍。
3. 控制與算法系統
- 4D光譜-空間濾波算法：通過算法優化分離信號中的噪聲與有效成分，提升信噪比。例如，SLD-PAM系統利用該算法將靈敏度提高33倍。
- 實時成像處理：結合人工智能(AI)技術實現快速圖像重建與動態事件捕捉，如血流動態監測。
4. 樣品處理與定位系統
- 多維掃描平臺：采用二維光學掃描或旋轉電極(如RDE-OES系統)實現樣品快速定位，避免傳統逐點掃描的低效問題。
- 恒溫與流體控制：集成溫控模塊與流體循環系統，維持樣品穩定性并減少環境干擾。
二、核心優勢
1. 高分辨率與深層穿透
- 亞細胞級分辨率：光學分辨率光聲顯微術(OR-PAM)可達到微米級(如13μm)，遠超傳統超聲成像。
- 厘米級穿透深度：超聲信號在生物組織中傳播損耗低，可穿透至深層(約7cm)，適用于活體組織成像。
2. 超快成像速度
- 多焦點并行激發：MFOR-PAM系統通過微透鏡陣列實現多焦點同步激發，成像速度提升400倍(如小鼠血管成像僅需1分鐘)。
- 無機械掃描設計：光纖傳感器固定放置，結合光學掃描消除機械延遲，實現4Hz幀速。
3. 低損傷與安全性
- 超低劑量激光：SLD-PAM系統僅需傳統方法1%的脈沖能量，顯著減少光毒性和光漂白。
- 非侵入式檢測：以超聲波為信號載體，避免光學散射限制，適用于脆弱組織(如眼、腦)的長期監測。
4. 多功能成像能力
- 多尺度分析：支持從分子(如血紅蛋白)到組織(如血管網絡)的多尺度成像。
- 功能與分子成像：通過光譜切換檢測血氧飽和度、血流動力學等參數，并兼容外源性造影劑(如納米探針)。
5. 臨床轉化潛力
- 低成本與便攜性：SLD-PAM采用低成本多波長激光，且光纖傳感器體積小，便于集成至臨床設備。
- 廣泛適用性：可用于腫瘤血管分析、神經活動監測、皮膚病理研究等，為精準醫療提供工具。