光声成像技术作为一种非侵入式的生物医学成像方法，近年来在疾病诊断和基础研究中展现出巨大潜力。然而，光声信号在光通量高于几mJ/cm²时往往表现出非线性行为，这可能影响测量的准确性和量化解释。传统观点认为这种非线性源于纳米气泡的形成或热物理参数的变化，但这些机制通常需要更高的光通量或高吸收材料（如金纳米颗粒）才能显现。本研究通过理论与实验结合，提出在低光通量（<20 mJ/cm²）和低吸收系数条件下，光声信号的非线性主要源于光子吸收引起的电磁介电常数变化，这种变化与热激发的三阶非线性磁化率相关。这一发现不仅挑战了现有理论，还衍生出一种新的对比机制，可用于识别材料介电常数对光致热变化的敏感性，从而提升成像的精确度和功能信息获取能力。

本研究的核心贡献来自Jaber Malekzadeh-Najafabadi、Jaya Prakash、Daniel Razansky、Jorge Ripoll、Vipul Gujrati和Vasilis Ntziachristos等研究者，他们共同发表了题为“Nonlinearity of optoacoustic signals and contrast mechanism for imaging”的论文。该文于2025年发表在Light: Science & Applications期刊。这项工作是光声成像领域的一项重要突破，为后续生物医学应用奠定了理论基础。

重要发现
01理论背景与非线性机制
光声信号的非线性行为在生物医学成像中长期被忽视，因为传统模型假设信号强度与光通量呈线性关系。本研究首先从理论角度推导了光声压力的生成方程，考虑了一个理论上的吸收性介电平板模型，该模型近似模拟了光与组织的相互作用。通过分析，研究者发现，在低光通量（<20 mJ/cm²）和低吸收系数条件下，温度变化仅为毫开尔文量级，不足以引起Grüneisen参数或吸收系数的显著变化，从而排除了传统热物理机制的主导作用。相反，论文提出介电常数变化（Δε_th）是非线性信号的主要来源，这种变化与热激发的三阶非线性磁化率（χ_th^(3)）相关。理论公式表明，非线性压力变化（Δp_th）与光强度的平方成正比，且在高频信号中更为显著，这为实验验证提供了方向。

在频域分析中，信号经过傅里叶变换后，显示非线性行为随频率升高而增强。低频区域（<1 MHz）信号接近线性，而高频区域则表现出明显的非线性，这与理论公式Δp_th ∝ ωI₀²一致，表明非线性源于介电常数变化，而非吸收系数或Grüneisen参数。

在时域分析中，通过比较不同光通量下的归一化信号，提取非线性分量Δp_tot。结果显示，Δp_tot与热压力的导数高度相关，进一步支持了介电常数变化机制。实验还排除了双光子吸收等潜在干扰因素，确保结果的可靠性。

03成像应用与算法开发
基于上述发现，研究团队开发了一种新型重建算法，用于生成三阶非线性磁化率（χ_th^(3)）的对比图像。该算法通过求解声波方程，从两个不同光通量下的测量数据中提取非线性压力变化。在幻影实验中，使用纯乙醇和蒸馏水作为样本，添加墨水以统一吸收系数。标准线性算法重建的图像显示乙醇与水的像素强度比随光通量增加而非线性变化（从4.5到6.5），而新算法重建的χ_th^(3)图像比值为3.28，与理论值3.37高度吻合，验证了新对比机制的有效性。

创新与亮点
01突破传统成像难题
研究突破了低光通量下光声信号非线性解释的瓶颈。传统理论将非线性归因于纳米气泡或热参数变化，但这些机制在生物医学常用通量下难以成立。论文通过介电常数变化机制，填补了理论空白，解决了长期存在的量化误差问题。这不仅提升了光声成像的准确性，还为非线性行为的系统研究提供了新范式。

总结与展望
本研究通过理论推导和实验验证，确立了光声信号非线性行为的新机制——介电常数变化，并成功开发出基于三阶非线性磁化率的成像技术。这不仅纠正了传统模型的局限性，还引入了一种全新的对比机制，能够敏感反映组织介电特性。在幻影和活体实验中，新方法展示了高精度和可靠性，为光声成像赋予了更丰富的功能信息。展望未来，这项技术有望在疾病早期诊断、代谢研究和新药开发中发挥重要作用。下一步工作将聚焦于χ_th^(3)的生理相关性探索，以及在不同病理条件下的应用验证，进一步推动光声成像向定量化、多功能化发展。

DOI:10.1038/s41377-025-01772-7.