【摘 要】
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光声成像技术以独特的光学吸收对比成像机制,及跨越细胞、组织和器官的多尺度观测能力,在生命科学和临床医学领域展现出巨大的应用前景。利用组织固有的光学吸收特征谱,光声显微技术无需外源标记,可以实现生物组织三维形态结构的高对比、高分辨成像。传统光声显微成像系统一般采用压电型超声换能器作为光声信号的探测装置,受压电材料自身物理属性的限制,这类换能器的探测带宽往往有限。探测带宽不足会导致一系列的问题,比如深
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光声成像技术以独特的光学吸收对比成像机制,及跨越细胞、组织和器官的多尺度观测能力,在生命科学和临床医学领域展现出巨大的应用前景。利用组织固有的光学吸收特征谱,光声显微技术无需外源标记,可以实现生物组织三维形态结构的高对比、高分辨成像。传统光声显微成像系统一般采用压电型超声换能器作为光声信号的探测装置,受压电材料自身物理属性的限制,这类换能器的探测带宽往往有限。探测带宽不足会导致一系列的问题,比如深度定位不准确,三维图像重建失真,出现饱和效应等。为了突破上述技术瓶颈,利用表面等离激元共振（SPR）响应时间快和折射率传感灵敏度高的特点,本文提出了基于SPR差分传感的光声探测技术,以实现对脉冲光声信号的宽带、高灵敏检测。进一步,本工作通过构建微型SPR传感器和反射式显微物镜相融合的光声激发-检测一体化探头,研发完成了反射式光声显微成像系统,获得了活体小鼠微血管的三维微观形态结构。本文工作主要包括三部分。第一,从理论上阐释了SPR对超声波激励的响应原理。利用时域有限差分技术模拟计算了SPR电磁场的空间分布特性,明确了光学反射率对入射光波长、偏振度、入射角度、传感层结构属性、以及环境折射率等要素的依赖关系,实现了SPR传感器材质和光学特性等参数的优化。第二,搭建完成了基于SPR差分传感的反射式光声显微系统。为了实现光声信号的反射模式检测,我们自行设计了微型SPR传感器,并将其与反射式显微物镜相集成,研发了一款光声激发检测一体化探头。以此为核心部件,搭建完成了基于SPR传感的光声显微成像系统,具备探测带宽达173兆赫兹,噪声等效声压约为477帕,线性声压响应范围3千帕到107千帕,横向分辨率4.5微米,纵向分辨率为7.6微米等优良的性能参数。第三,开展了活体生物组织的成像观测。利用血红蛋白在可见光波段的固有强光学吸收特性、以及SPR光声显微系统的微米级空间分辨能力,我们获得了活体小鼠耳部血管网络的无标记、高对比度形态图像,从三维空间上展现了主血管、毛细血管以及单个红血球细胞的精细解剖结构。
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