1 西北工业大学深圳研究院，广东 深圳 518057
2 西北工业大学光电与智能研究院，陕西 西安 710072
3 南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094
4 解放军总医院第一医学中心激光医学科，北京 100853
皮肤疾病是一种较为常见的人类疾病，其检测与诊断十分重要。传统的检测方法因医师主观影响和皮肤创伤问题不利于对皮肤病作出准确高效的判断，故皮肤成像技术逐渐被用于辅助诊断。光声成像技术作为一种新兴的成像方式，结合了光学成像的高对比度和超声成像的深穿透优势，逐渐被人们所关注。本文针对光声皮肤成像技术进行了回顾与总结，按照成像方式对光声皮肤成像系统进行了分类与归纳，从重构算法提升角度总结了现有的性能提升方法与策略。此外，按照皮肤病类别探讨了当前光声皮肤成像技术的临床应用，验证了光声皮肤成像技术的发展前景与潜力。最后针对现有方法的缺点与限制，对未来光声皮肤成像技术的发展方向和关键环节进行了设想与讨论。
医用光学 生物医学成像 光声成像 皮肤成像 皮肤疾病 皮肤诊断
浙江大学生物医学工程与仪器科学学院，浙江 杭州 310027
乳腺癌早期筛查、精准诊断、有效治疗是提高患者生存率的重要因素，而影像学是筛查、诊断、治疗评估的主要手段。基于现有的影像技术，乳腺临床诊治流程虽然已逐步规范化，但在高效灵敏筛查、无创精准诊断以及治疗监测评估等方面仍存在核心局限。例如，传统的医学影像技术存在诊断特异性低、成像速度慢、使用电离辐射或注射造影剂等局限，仍存在重大临床诉求。光声成像作为一项新兴的医学影像技术，可以与传统技术形成优势互补，提供快速（如10~15 s完成全乳腺扫描）、高分辨率、信息丰富的医学影像。其光学对比度和声学分辨率使之具备揭示肿瘤微环境结构、功能、分子细节特征的能力。本文简述了光声成像的技术原理和主要设计形态，概述并评价了乳腺肿瘤筛查、诊断和治疗评估领域的代表性光声成像研究。最后讨论了光声成像在乳腺临床上的应用前景，其有望成为继钼靶、超声、核磁共振之后的“第四大”乳腺成像技术。
医用光学 光声成像 乳腺肿瘤微环境 乳腺癌筛查 早期精准诊断 新辅助化疗评估 肿瘤切缘检测
1 广州医科大学生物医学工程学院医学影像创新实验室，广东 广州 511436
2 广州医科大学附属第一医院呼吸疾病国家重点实验室，广东 广州 510120
巨噬细胞作为炎症阶段的主要吞噬细胞，其高表达是急性呼吸道炎症发展过程的临床特征之一。目前还没有一种成像方法能够以深组织穿透性和高分辨率的方式呈现巨噬细胞在急性炎症中的表达。以吲哚菁绿纳米颗粒（Nano-ICG）作为一种高效的光声成像（PAI）增强造影剂，评估了急性呼吸道炎症中巨噬细胞的表达量。激光共聚焦显微镜下的成像效果证实，Nano-ICG能够快速地被巨噬细胞吞噬。利用Nano-ICG增强光声成像效果后，气管内的PAI结果显示了巨噬细胞在炎症后气管壁上的分布区域。Nano-ICG增强的光声成像能够无创、定量地评估急性呼吸道炎症的发展程度，有望为呼吸疾病相关基础研究和临床诊疗提供新的影像技术支持。
医用光学 光声成像 急性呼吸道炎症 吲哚菁绿纳米颗粒 巨噬细胞
之江实验室类人感知研究中心，浙江 杭州 311121
光声成像（PAI）是一种结合了光学成像高对比度和超声成像深穿透性的生物医学成像模态，近年来得到了迅速发展。其中，光声显微成像（PAM）作为光声成像的重要实现方式之一，可以在毫米级的成像深度上实现微米级甚至百纳米级的分辨率，能够实现对生物组织结构、功能和分子的高分辨率成像，已在临床诊断、皮肤病检测和眼科等领域得到广泛应用。首先对PAM的工作原理和实现方式等进行基本介绍，之后围绕便携式PAM技术，从手持与半手持式、脑部可穿戴式及集成多模态3方面对其研究进展进行综述，随后探讨便携式PAM技术面临的挑战，最后进行总结与展望。
生物医学成像 光声成像 光声显微成像 便携式光声显微成像 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618017
1 中山大学电子与信息工程学院，广东 广州 510006
2 华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室，上海 200241
目前光声成像中用于探测超声波的主流器件是基于压电材料的超声换能器，考虑到这类换能器的探测性能随器件尺寸的减小而大幅下降，科研者们近年来开始逐渐关注于小型化光学超声传感器的研究与开发。相较于传统的压电超声换能器，这些小型化的光学超声传感器通常具备较宽的探测带宽和与尺寸几乎无关的高灵敏度，在推动更深和更高分辨率的光声成像方面展现出了巨大的潜力。本文首先对光学超声传感器的发展历程进行了简要回顾，然后比较了3种重要的小型化光学超声传感器以及并行寻址的方法，其次介绍了这些传感器在光声活体成像方面的应用进展，最后展望了光学超声传感器的未来前景。
光声成像 光学超声传感器 片上器件 法布里-珀罗干涉仪 光纤布拉格光栅 微环谐振器 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211032
1 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西 西安 710049
2 西安交通大学第二附属医院眼科，陕西 西安 710004
光声成像是一种结合光学和声学原理的多模态成像技术，可用于观察和获取组织内部的结构和功能信息。血液流速是评估血管功能的重要指标，血液流速的测量与疾病的发生和发展密切相关。推导了基于热测量法测量血液流速的基本理论，搭建了光声测速/成像实验系统，并开展了光声速度测量和成像实验。通过实验研究，获得了光声声压与流体速度间的定量关系，经实验验证流速测量的平均误差为8.2%，最大测速范围可达200 mm·s-1。在此基础上，采用二维机械扫描的方式实现了分辨率为10 μm的光声形态/流速协同测量。
医用光学 光声成像 光声测速 热测量法 光声显微镜
1 香港理工大学生物医学工程系，香港 九龙999077
2 香港理工大学深圳研究院，广东 深圳 518055
3 香港理工大学光子技术研究院，香港 九龙999077
4 香港理工大学体育科技研究院，香港 九龙999077
光学技术在生物医学中扮演着越来越重要的角色，其非电离辐射、高分辨率、高对比度和对生物组织异变高度灵敏等特性使其非常适用于生物组织的研究，包括成像、传感、治疗、刺激以及控制等。然而由于光折射因子在生物组织中的分布是不均匀的，光在生物组织中的传播会受到很强的散射影响，故纯光学技术的穿透深度和空间分辨率是“鱼和熊掌不可兼得”；高分辨率光学成像应用仅限于样品浅表层，当成像深度增加时分辨率急剧下降。实现光在深层生物组织里的高分辨率成像或应用是人们期盼已久的目标。近年来，为解决这一问题，研究者提出了不同的方法，例如切换到更长的光波长以减小组织散射系数，在信号检测时将漫射光转换为散射不明显的超声信号，逆转或者预先补偿由光的多次散射所带来的相位畸变，或借助光纤等微创光学通道实现深层生物组织的高分辨率光学成像、刺激等。基于团队在深层生物组织光学相关领域多年的耕耘，从光在生物组织中的传播特性出发，梳理和总结了近年来研究人员在光-声结合和光学波前整形技术等方面展开的诸多探索，以及在生物组织操控、成像、光学计算以及人工智能等领域中的应用尝试。虽然尚有诸多不足，但随着硬件设备的更新和计算技术的发展，在不远的将来有望实现活体深层生物组织光学高分辨率应用。在这一求索过程中，新方法和新能力将不断激发新的应用灵感，为光学尤其是生物医学光子学带来全新的理念和机遇。
光声成像技术结合光学的高对比度、高分辨率和声学的高穿透深度，已经发展成为一项独具优势的无损检测与成像技术。光声成像技术利用光声效应产生的超声信号解析深度信息，从而在三维空间对被测对象进行定位。在文物保护领域，制作文物的各种材料具有不同的光学吸收特性，在激光的激励下，产生并向外辐射幅值和频率不同的超声信号。超声信号的典型特征兼具鉴别材料类型和识别表面缺陷的功能，因此光声成像技术在文物保护领域具有应用价值。分类概述了现有的光声成像技术，阐述了光声成像技术在文物保护领域的发展现状及局限性，最后总结展望了光声成像技术在该领域的发展前景。
光学检测 光声成像 超声波 文物特征信息检测 文物保护 激光与光电子学进展
2023, 60(24): 2400005
1 曲阜师范大学计算机学院，山东 日照 276826
2 中国科学院深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所，广东 深圳 518055
光声计算层析成像（PACT）不需要外源性对比剂便可获取厘米级深度的光声图像。然而，来自皮肤的高强度光声信号遮盖了皮下深层组织信息，阻碍了感兴趣区域光声图像的正面显示和分析。因此，笔者提出了融合多尺度感知和残差连接的U型深度学习模型，并采用该模型实现了PACT光声图像中皮肤信号的智能分割。首先，提出以单类皮肤区域标注为基准标签图像的非像素级皮肤区域标注方法，该方法不需要像素级图像标注，能够显著降低数据处理的复杂度；然后，设计了皮肤完整性拟合和皮肤掩膜生成算法，并采用该算法实现了PACT图像中皮肤信号的自动去除。使用PACT成像实验获得的人体腿部外周血管光声图像验证了所提方法在皮肤组织高精度智能提取和去除方面的正确性和有效性。与现有的皮肤去除工作相比，本文所提皮肤去除算法对MAP图像的重建误差下降了50%~70%，峰值信噪比平均提升了约4.5 dB，为深层组织PACT图像的高清晰显示提供了一条有效途径。
生物光学 光声成像 皮肤分割 深度学习 外周血管成像 中国激光
2023, 50(21): 2107111
1 华南师范大学生物光子学研究院激光生命科学教育部重点实验室，广东 广州 510631
2 华南师范大学生物光子学研究院广东省激光生命科学重点实验室，广东 广州 510631
3 南方医科大学附属广东省医学科学院广东省人民医院医学研究部，广东 广州 510080
建立了小鼠原位肝癌模型，利用活体荧光成像系统激发的荧光信号对肿瘤进行了定位，通过光声显微成像系统观察了正常肝小叶、肿瘤中心和癌旁的微血管结构特征和血氧功能。结果表明，正常的血管分布均匀、分化良好，而肿瘤的血管分布不均匀且混乱，分支直径增加，更适合低氧环境。光声技术在研究肝细胞癌方面展现出巨大的潜力，可以为肿瘤抗血管生成治疗和诸多肝脏相关疾病的诊断提供更深入的见解。
医用光学 光声成像 肝细胞癌 肿瘤微环境 血氧饱和度 抗血管生成治疗 中国激光
2023, 50(15): 1507105
