基于回音壁模式光学微腔的非接触多光谱光声显微成像技术

Photoacoustic imaging is an emerging, non-invasive biomedical imaging modality, which has experienced rapid developments in the past decade. Current photoacoustic imaging systems prevailingly employ piezoelectric transducers for signal detection. Piezoelectric transducer usually has a good detection sensitivity, but suffers from the problem of needing coupling medium such as ultrasound gel or water to facilitate ultrasound propagation, which is not favored in many applications and limits its practical use. Developing new ultrasonic sensors that can detect ultrasound with high sensitivity but without physical contact is highly demanded and is one of the intensely researched frontiers. Based on preliminary data, I propose that highly-sensitive, non-contact photoacoustic signal detection can be achieved using a whispering-gallery-mode (WGM) optical resonator with an ultra-high quality factor. By integrating the WGM optical resonator with spectroscopic photoacoustic microscopy, the project is aimed to develop a novel non-contact spectroscopic photoacoustic microscopy, which can achieve structural and functional (including total hemoglobin concentration HbT, oxygen saturation sO2, and physiochemical information) imaging of biological tissue without any physical contact. The proposed imaging technique not only can advance the technology development of photoacoustic imaging and expand its biomedical applications, but also will shed new light on the fundamental study of the optical resonator and photoacoustic-induced highly-sensitive bioanalytes sensing.

生物医学光声成像技术是一种新兴的、非侵入式成像模态，在过去的十几年里经历了快速的发展。在目前的光声系统中，光声信号的检测大多是利用压电传感器完成的。压电传感器通常具有较高的灵敏度，但由于其需要介质耦合超声信号，在实际应用中受到一定程度的限制。开发可以高灵敏、非接触探测光声信号的新型传感技术是目前光声影像的研究前沿之一。基于已有的研究基础，项目提出一种基于回音壁模式光学微腔的非接触多光谱光声显微成像技术。该技术利用具有超高品质因子的光学微腔传感光声信号，可以高灵敏、非接触地实现光声结构功能（血红蛋白浓度、血氧饱和度等）成像和生物组织物理结构及化学成分的定量表征。项目的展开有望为光声信号的非接触检测提供一种全新的方案，这不仅有助于推动光声成像技术的进步，扩展其生物医学应用，还可以为研究光学微腔的光机模式和光声激发生物分析物的高灵敏检测等提供全新思路。

生物医学光声成像是近年来得到快速发展的一种高分辨率、高对比度生物医学成像模态。光声信号的非接触、高灵敏度探测是制约光声成像广泛应用的重要瓶颈。项目从超高品质因子回音壁模式光学微腔基础理论出发，研究了非接触多光谱光声成像原理，建立了相应的光声信号处理和图像重建体系，开展了生物组织成像和表征应用研究，解决了光声信号的非接触高灵敏度探测问题。在光声成像原理与方法方面，项目深入研究了微腔基础理论，探讨了其用于超声信号探测的理论极限、实验性能、系统集成与优化方法；研究了多光谱光声成像原理与方法，实现了与普通明场、荧光、相衬显微镜的集成；研究了系统关键参数如传感器中心频率、带宽、口径、聚焦特性等对成像质量的影响，建立了信号产生、传播、接收和图像重建的数学模型，获得了高质量的离体和在体光声图像。在光声信号处理和图像重建方法，建立了系统点扩散函数模型，发展了基于主成分分析方法的空变点扩散函数图像复原方法；阐明了图像重建中负值伪影的产生机制，分析了有限带宽和有限探测角度对负值伪影幅值和分布的影响，并研究了相应的抑制方法；提出了基于卷积神经网络的由光声信号至光声图像的高效映射和直接重建新方法，实现了由数据至图像的高质量重建，解决了常规反投影算法和迭代算法重建伪影严重、计算效率低等问题。在生物组织成像和表征应用方面，研究了基于光声技术的小动物血管成像，实现了全身血管三维、高分辨率、无标记成像；研究了活体小动物脑部血管的高分辨率光声成像，实现了脑部微循环的在体显像和动态监测；开展了乳腺癌早期诊断方面的研究，在体实现了光声前哨淋巴结实时动态示踪和图像引导的细针穿刺活检，为临床中乳腺癌前哨淋巴结活检提供了一种可转化的成像方案。本项目系统深入地研究了多光谱光声成像的原理与方法，为拓展光声成像生物医学应用、研究微腔的光机模式和光声激发生物分析物的高灵敏检测等提供了新思路，具有重要的学术价值和良好的应用前景。