近日，中國科學院深圳先進技術研究院生物醫學光學與分子影像中心劉成波、鄭煒團隊合作，在生物醫學光學領域旗艦期刊Biomedical Optics Express發表了題為“Video-rate high-resolution single-pixel nonscanning photoacoustic microscopy”的研究論文，報道了一種基于單像素非掃描方式的高速光聲顯微成像技術，在國際上率先實現了30幀/秒的三維動態光聲顯微成像，達到同類技術最快的成像速度。該論文被期刊遴選為編輯推薦（Editor's Pick）亮點文章。助理研究員陳寧波、余佳、劉良檢為論文共同第一作者，劉成波研究員、鄭煒研究員為論文共同通訊作者。
光聲顯微成像具備高分辨、三維無標記成像等優勢，被廣泛用于活體生物組織結構和功能成像。傳統光聲顯微成像技術主要依靠逐點掃描進行三維圖像采集，受限于步進電機、光學振鏡等掃描器件的掃描速度局限，傳統光聲顯微技術的成像速度遠低于視頻幀率（30 Hz），難以滿足生物體快速生理活動監測的需求。
針對該問題，研究團隊提出了一種基于單像素成像技術的高速非掃描光聲顯微成像（SPN-PAM）。該技術利用高速數字微鏡（DMD）實現成像區域的結構光場照明，通過快速調制結構光場的傅里葉照明條紋，獲取圖像的變換域頻譜信息，采用傅里葉頻譜逆變換即可完成圖像快速重建。
（a）SPN-PAM成像系統圖；（b）SPN-PAM圖像重建原理。
SPN-PAM技術無需逐點掃描成像，克服了掃描器件對成像速度的限制，此外，該技術能夠充分利用圖像在變換域獨特的頻譜稀疏特征，對頻譜信息進行大幅壓縮采樣。活體成像結果表明，在4.86%的超低采樣率下，該方法仍能夠保持良好的圖像分辨率和信噪比，同時成像速度得到大幅提升。基于此，研究團隊首次實現了視頻幀率（≥30 Hz）的高分辨光聲顯微成像。
活體小鼠微血管網絡SPN-PAM壓縮成像結果
憑借高時間和空間分辨率優勢，SPN-PAM實現了小動物活體水平，對微血管尺度血流再灌注過程的動態監測，觀察到了血流量和流速的瞬時變化，為血流動力學和組織代謝研究提供了一種潛在的有效手段。與此同時，SPN-PAM壓縮成像還能夠有效降低高速光聲顯微成像需要的激光劑量，提升成像安全性，為該技術進一步臨床轉化提供了可能。
活體小鼠微血管血流（左）及血流再灌注過程（右）動態監測
該工作得到科技部重點研發計劃，國家自然科學基金，中國科學院以及廣東省重點實驗室等項目支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1364/BOE.459363
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