技术突破：空间偏移成像技术实现可视化光声光热波传播
2025-11-26 来源:本站 点击次数:45在生物医学成像领域，光声与光热效应作为非辐射弛豫过程的重要表现形式，长期以来因检测技术的局限难以实现高分辨率动态观测。传统超声传感器与热像仪受限于带宽、空间分辨率及穿透深度，无法同时捕捉微秒级压力波与热扩散过程。波士顿大学研究团队于2025年7月在《Science Advances》上发表的论文《Spatial-offset pump-probe imaging of nonradiative dynamics at optical resolution》，提出了一种突破性解决方案——空间偏移泵浦-探测成像（SOPPI）。该技术通过分离泵浦光与探测光的光路，以6.1微米空间分辨率、5.56纳秒时间分辨率及9.9帕斯卡噪声等效压力灵敏度，首次实现了对光声/光热波生成、传播与组织相互作用的全程可视化。
本研究由Guo Chen、Yuhao Yuan、Hongli Ni、Guangrui Ding、Mingsheng Li、Yifan Zhu、Deming Li、Hongru Zeng、Hongjian He、Zhongyue Guo、Ji-Xin Cheng与Chen Yang合作完成。论文系统验证了SOPPI在纤维发射器声场映射、水吸收波长依赖性分析、生物组织穿透成像及斑马鱼光声计算机断层扫描等场景的卓越性能，为光学-声学多模态成像技术开辟了新维度。
重要发现
01SOPPI技术原理与性能突破
SOPPI的核心创新在于将泵浦光束与探测光束空间偏移布置。泵浦光（如1064纳米脉冲激光）激发样品产生非辐射弛豫，引发局部温度升高与压力波动；探测光（1310纳米连续激光）则通过检测折射率变化捕捉光热与光声信号。这种设计使探测区域不再局限于吸收点，而是扩展至声波传播路径，从而实现对远场与近场动力学的同步监测。
系统性能量化数据显示，SOPPI的空间分辨率达6.1微米，接近光学衍射极限；时间分辨率由180兆赫兹采样率支撑，可解析5.56纳秒级动态过程。与传统水听器对比实验中，SOPPI的噪声等效压力低至9.9帕斯卡，灵敏度提升两个数量级，且对血红蛋白的检测限达3.4微摩尔，为活体微量生物分子监测奠定基础。
02光声-光热场演化可视化实验通过纤维发射器模型，SOPPI成功分离了高频光声信号与低频光热信号。实验显示，光声波以兆赫兹频率传播，而光热场则局限于吸收体周边，持续时间可达数十微秒。频率分解进一步揭示高频分量（>10兆赫兹）的定向传播特性与低频分量（<10兆赫兹）的各向同性扩散规律，这一发现对优化超声聚焦治疗具有指导意义。
在生物组织实验中，SOPPI清晰呈现了超声波穿透500微米厚小鼠脑切片的过程。通过AC/DC信号归一化处理，定量分析表明脑组织与磷酸盐缓冲液界面声阻抗匹配良好，波衰减可忽略。而在颅骨样本中，超声波因高阻抗差产生显著反射与波形畸变，SOPPI精准映射了边界效应，为颅脑超声治疗设备设计提供了实测依据。
03近场物理现象与物质特性表征利用锥形光纤激发水吸收效应，SOPPI捕捉到波长依赖性光声生成规律。在1448纳米与1928纳米吸收峰处，光声振幅与水的本征吸收谱高度一致，且1928纳米处因吸收体积更小导致带宽增加。实验还观察到倏逝波吸收诱导的侧向声波发射、反向传播声马赫锥等近场现象，彰显了SOPPI在微纳尺度声-热耦合研究中的独特优势。
04虚拟传感器阵列推动成像革新
SOPPI可编程为高密度虚拟传感器阵列，应用于光声计算机断层扫描。以斑马鱼幼虫为例，内源性色素产生的光声信号通过延迟求和算法重建后，眼睛、卵黄囊等结构以26微米分辨率清晰呈现。相比传统 transducer阵列，SOPPI-PACT凭借全角度探测与10微米级元素间距，将交叉峰值信噪比从17.23提升至27.99，显著增强了对弱吸收目标的成像能力。
创新与亮点
01突破成像技术瓶颈
SOPPI解决了传统光声-光热检测的三大痛点：其一，将超声检测带宽提升至65兆赫兹，覆盖从兆赫兹级瞬态声波到千赫兹级热扩散的全频段信号；其二，通过光学探测实现角度无关的声场采集，克服了压电传感器指向性限制；其三，借助折射率变化监测机制，灵敏度较水听器提升百倍，且可穿透固体样品实现原位测量。
在神经科学领域，SOPPI能够可视化超声波与脑组织的相互作用，为无创神经调控技术提供优化依据。在肿瘤治疗方面，其高精度温度场映射能力可指导光热疗法的剂量控制。此外，基于内源性色素或水分子的成像能力，使得SOPPI在皮肤癌早期诊断、血管网络重建等场景展现出潜力。
03技术通用性拓展
SOPPI的开放式光路设计支持多种泵浦波长切换，可适配不同吸收特性的生物分子。结合锥形光纤等微纳器件，还能用于材料黏弹性、热导率等物理参数表征，为生物材料开发与药物递送系统优化提供新工具。
总结与展望
SOPPI技术通过光学精度与非侵入式探测的融合，重新定义了光声-光热动力学研究的边界。其高时空分辨率与灵敏度不仅为生物医学成像提供了新范式，更在材料科学、微流控器件表征等领域开辟了应用空间。未来，通过集成高重复频率泵浦激光与雪崩光电探测器，有望将成像速度提升百倍，推动活体动态监测技术的实用化。随着计算算法的进一步优化，SOPPI或将成为继共聚焦显微镜之后，又一颠覆性光学检测平台，为精准医疗与基础科学研究注入持续动能。
声明：本文仅用作学术目的。
Chen G, Yuan Y, Ni H, Ding G, Li M, Zhu Y, Li D, Zeng H, He H, Guo Z, Cheng JX, Yang C. Spatial-offset pump-probe imaging of nonradiative dynamics at optical resolution. Sci Adv. 2025 Jul 4;11(27):eadw4939.
DOI:10.1126/sciadv.adw4939.