实时光声_荧光双模态小动物成像

实时光声/荧光双模态小动物成像

探索成像新境界

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“近日，北京大学生物医学工程系李长辉课题组，设计了一个光声荧光(PA-FL)成像系统，可提供实时双模态成像，其中半环超声阵列用于高质量的PA断层扫描，特别设计的光学窗口允许同时进行全身荧光成像。这种双模态系统的性能在活体动物研究中得到了证明，包括实时监测荧光染料的灌注和代谢过程。研究表明，PA-FL成像系统在活体小动物研究中具有独特的潜力。相关成果以“Real-time dual-modal photoacoustic and fluorescence small animal imaging”为题发表在光声学顶级期刊Photoacoustics（中国科学院一区，2022年影响因子为7.9），北京大学未来技术学院生物医学工程系孙宇为第一作者，李长辉老师为通讯作者。”

光声成像(PAI)通过结合光吸收对比度和声分辨率，在深度上突破了高分辨率光学成像的障碍。同时，荧光成像(FLI)由于具有高灵敏度和高特异性的优势，荧光剂和荧光蛋白丰富，一直在活体动物研究中发挥着关键作用。基于不同的光学对比机制，PAI和FLI可以相互提供重要的互补信息。

PAI-FLI系统由两个子系统组成：FLI子系统和PAI子系统。如图1所示，PAI系统采用定制的256元半环形超声换能器阵列(ULSO TECH Inc, China)，中心频率为5.0 MHz，单向带宽为80%。所述半环直径为100 mm，每个阵列元件在仰角方向上圆柱聚焦，焦距为40 mm。

图1 双模态成像系统。(a)系统三维原理图;(b)光路和声路的图解

为了使超声换能器阵列的信噪比(SNR)最大化，将自主开发的256通道前置放大器(40 dB增益)直接连接在超声换能器阵列上。然后，放大后的PA信号由256通道数据采集系统DAQ(Marsonics: DAQ, Tsingpai Tech-Co, China, 6 dB增益)以40 MHz采样率并行接收。扩声信号由光参量振荡器(OPO)脉冲激光器(德国Innolas SpitLight 600)激发，重复频率为10赫兹。激光耦合成1 ~ 10光纤束，每个分支端为1 × 7mm的矩形。分支端均匀分布在成像目标周围，形成近似均匀的圆形照明图案，如图1所示。

使用重复周期为100 ms的10 Hz OPO激光器激发PA信号，且使用785 nm连续波激光器激发FL信号。当光电探测器探测到来自OPO激光器的脉冲激光时，它发射一个脉冲信号来触发荧光相机和数据采集系统(DAQ)。一旦接收到触发器，PA的DAQ系统在40 MHz下捕获2048个数据点，在51.2 μs内完成。但是，荧光相机会延迟10ms开始曝光，这是为了避免荧光成像受到强烈的OPO激光的影响，原理如图2所示。

图2
双模同步运行原理图

图3
小鼠身体的光声成像

在这项工作中，开发了一种实时PA-FL双模态成像系统，采用半环形超声阵列实现实时二维成像PAI与通过光学窗口的全身FLI相结合。该成像系统成功实现了荧光染料在小鼠体内灌注和代谢过程的实时成像。该系统融合了FLI和PAI的优点，其中FLI具有实时的全身覆盖大视场和高灵敏度，PAI在深层组织成像中具有高分辨率，并提供组织结构信息。双模态荧光和光声系统的实时同步成像能力为小动物研究和临床前研究开辟了新的途径。

DOI:
10.1016/j.pacs.2024.100593.

文献来源：Photoacoustics, 2024.

北京清湃科技为该项研究提供了数据采集系统——MarsonicsDAQ（点击可查看详情）。MarsonicsDAQ 系列产品是为高端光声成像、热声成像、磁声成像等声学科学研究工作设计的专用数据采集设备。该系列产品以128通道及256通道为基础型号，同时支持客户按需定制更多通道、更高性能以及一些特殊化功能。产品采用高精度的数据采集硬件设计及人性化易上手的高效软件工作流程设计，设备采样率高达80MSPS，特殊定制的DAQxxx-S48型号产品采样率可高达125MSPS，采样深度为14bit，最大增益80dB并多级可调。所有通道均可实现同步采集，并支持多台设备通道集联成像。
在声学信号采集等相关应用中，能够实现极高信噪比的数据采集，为进一步提升图像及信号质量提供基础保障。

图4
数据采集系统(Marsonics DAQ，北京清湃科技)

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