小型模式动物整体的高分辨、高通量动态生理功能全景捕捉的技术突破
2026-05-13 来源:本站 点击次数:99光声显微镜在生命科学研究中扮演着日益重要的角色，但其系统往往难以在保持高分辨率和高灵敏度的同时，兼顾超大视场与极高成像速度。针对这一长期存在的光学成像瓶颈，本研究提出了一种创新的双通道高速功能光声显微镜系统。该系统通过独特的光路与声路协同设计，在完全不牺牲成像速度与灵敏度的前提下，将视场范围大幅拓宽，从而实现了对小型模式动物整体的高分辨、高通量动态生理功能全景捕捉。
该项突破性研究由 Van Tu Nguyen、Carlos Taboada 等学者共同完成，成果以《Dual-channel high-speed functional photoacoustic microscopy with ultra-wide field of view》为题，于2026年发表在光学期顶尖期刊《Light: Science & Applications》上。
重要发现
01双通道同步激发与探测的光学系统设计
为了实现前所未有的超大视场覆盖，研究团队在光学与声学硬件架构上进行了深度重构。系统采用两台脉冲激光器作为泵浦源，其中一束532纳米的激光通过长达25米的单模光纤，利用受激拉曼散射效应将其转换为558纳米的光源，两束不同波长的光经由二向色镜合并后，再通过偏振分束器精准地划分为两路独立的子光束。为了同步捕获这两路激发光所产生的超声信号，研究人员精心设计了两个完全对称的光-声组合器。每个组合器内部集成了光学矫正与聚焦透镜、直角棱镜以及高频超声换能器与声学透镜。这种双通道独立并行的检测机制，配合高达60分贝的信号增益与250兆赫兹的数字化采集，确保了系统在极宽的视场范围内依然具备极高的检测灵敏度，无需进行任何信号平均处理。
传统的光学扫描方式在视场范围和扫描速度之间存在天然的矛盾。本研究巧妙地利用了单一水浸式六边形扫描仪的对称几何特性，同时使用其相对的两个反射面来偏转两路激发光束及其对应的回波声信号。这种精妙的工程设计使得系统的快轴扫描范围达到了单通道14毫米，叠加后总有效扫描线宽达到了24毫米，扫描速度最快可达每秒500帧的B超成像速率。在慢轴方向上，系统辅以高精度的步进电机扫描。为了消除因多边形旋转扫描带来的图像畸变，研究团队开发了专用的深度校正算法。此外，通过精确控制双波长激光脉冲之间450纳秒的时间延迟，对应软组织中约0.675毫米的空间间隔，成功避免了同一扫描线上不同波长信号的串扰，为后续精准的光谱分离奠定了坚实基础。
02深度学习赋能的图像后处理算法在水介质中高速旋转的六边形扫描仪不可避免地会引入微小的机械抖动，导致不同扫描面之间的轨迹错位，进而造成图像质量下降。为此，团队开发了基于几何变换的配准方法，能够将不同扫描面的路径进行亚像素级的对齐校正。更进一步，研究人员引入了经过大量高质量脑补血管数据训练的深度学习上采样模型。与传统插值方法容易导致的边缘锯齿或模糊不同，该人工智能算法能够在没有增加激光脉冲重复频率的前提下，完美修复因欠采样造成的细节丢失，显著增强了微小血管结构的连续性与对比度，极大地提升了后续定量分析的准确性。
03多物种全器官及整体水平的功能验证实验
为了全面验证该系统的生物医学应用潜力，研究团队对三种具有代表性的模式动物进行了极具说服力的在体功能成像实验。在对两只小鼠进行同步缺氧挑战实验时，系统凭借其超宽视场，首次实现了同时对两只小鼠耳部微血管网络的并行动态监测。实验清晰捕捉到了缺氧状态下血管中氧合血红蛋白比例的显著下降，以及脱氧血红蛋白比例的上升，展现了其在高通量药物筛选与对比研究中的巨大价值。在斑马鱼研究中，系统在无需任何麻醉或固定的自然状态下，成功追踪了15条自由游动幼鱼的群体行为，并清晰分辨出了视网膜色素上皮、主静脉等精细解剖结构。最令人瞩目的莫过于对玻璃蛙的整体成像：系统以极高的时间分辨率记录了玻璃蛙从运动转入睡眠状态时，全身血液灌注与血氧饱和度逐渐降低，而肝脏信号显著升高的全过程，直观揭示了玻璃蛙通过将红细胞隐匿于肝脏来维持身体透明度的神奇生理机制。此外，蓝光刺激实验进一步证实，该系统能够敏锐捕捉到外部光刺激下，玻璃蛙体循环与肝脏之间可逆的血流动力学变化。
创新与亮点
该论文最大亮点在于彻底打破了光声成像中空间分辨率、时间分辨率与视场范围之间的物理权衡壁垒。通过首创的单镜面双通道同步激发与探测架构，配合受激拉曼散射波长转换技术，系统在保持约7.5微米侧向分辨率与33微米轴向分辨率的微观细节下，将成像视场史无前例地扩展至22.5毫米乘24毫米，完成如此庞大区域的全景功能成像仅需约15秒。这种兼具宏观视场与微观分辨率的硬核技术，为神经血管耦合研究、心血管疾病建模以及整体动物水平的代谢动力学分析，提供了一种非侵入式、无与伦比的强大可视化工具，极大推动了光声技术在临床前基础医学研究中的实际应用价值。
总结与展望
综上所述，这种新型双通道光声显微镜系统凭借其超宽视场、极高速度和高分辨率的完美平衡，为生命科学家打开了一扇观测整体动物动态生理过程的全景之窗。尽管当前的六边形水浸式扫描设计在机械阻尼和通道重叠面积上仍存在一定局限，但未来的技术演进已规划得十分明晰。通过引入大孔径柱面聚焦超声换能器实现非水浸式扫描，采用八边形扫描仪减少通道间重叠，以及升级高速线性电机驱动，系统的成像速率与稳定性将获得进一步飞跃。这些持续优化将有力推动该技术在未来更广泛的应用场景中大放异彩。
声明：本文仅用作学术目的。
Nguyen VT, Taboada C, Delia J, Vu T, Menozzi L, Cho SW, Li J, Jayasundara N, DiSpirito A, Yao J. Dual-channel high-speed functional photoacoustic microscopy with ultra-wide field of view. Light Sci Appl. 2026 Jan 28;15(1):91.
DOI:10.1038/s41377-025-02114-3.