“自适应双光子激发光声显微成像设备”顺利通过现场技术测试

显微成像系统，是指显微镜下观察样品拍照成像的系统。在显微镜上加接专用连接镜头，接上CCD摄录镜头，再把动态的图像传送到计算机，获得动态图像，从而观察生物不同生长阶段的发育形态。可对昆虫细胞和病菌孢子高倍放大进行观察，并可远程进行图像采集储存处理。显微成像系统是显微镜与摄像技术相结合的产物，可对人眼无法看到的微生物进行观察拍照。

近日，中国科学院自动化研究所科承担的“自适应双光子激发光声显微成像设备”项目通过技术测试和财务审查。项目开展了脑血管网络、分子功能、神经结构联结成像及三维重建加速算法和边缘增强方法的研究，研制了具有自主知识产权的自适应双光子激发光声显微成像设备，实现了在细胞水平获取血管、神经形态和分子功能信息，并对该成像设备关键性能参数进行了验证。该成像设备的研制为深层在体高分辨率获取肿瘤和神经系统重大疾病的血管形态和分子功能信息提供有效成像设备。

什么是双光子激发

是使量子点连续吸收两个光子的能量达到激发态，这样可以使用波长较长的近红外或红外光来激发，减少散射光导致的能量损失。在波长为900nm的激发光激发下，透过表皮可以清晰地观察到量子点标记的毛细血管，而利用荧光素标记的对比图像清晰度则差很多。

Kim等合成了荧光发射波长在近红外区的CdTe/CdSe型量子点，并用这种量子点进行了淋巴腺结点的深层成像，他们发现只需要注射400pm的近红外量子点就可以获得深度达到1cm以下的淋巴组织的图像。这种成像技术可以作为指导癌症外科手术的一种辅助工具。

双光子显微镜

带有的超高灵敏度的直接探测器能记录组织深层Z细微的内部结构。多达7个的外置通道以及光谱拆分软件充分支持多色的多光子实验。再结合高速12kHz扫描头和扫描视野，将轴向位移减至Z 小，有效地收集来自深层组织的微弱光子，使图像更明亮，将对标本的光毒性减至Z 小。

双光子荧光显微镜是结合了激光扫描共聚焦显微镜和双光子激发技术的一种新技术。双光子激发的基本原理是：在高光子密度的情况下，荧光分子可以同时吸收 2 个长波长的光子，在经过一个很短的所谓激发态寿命的时间后，发射出一个波长较短的光子;其效果和使用一个波长为长波长一半的光子去激发荧光分子是相同的。双光子激发需要很高的光子密度，为了不损伤细胞，双光子显微镜使用高能量锁模脉冲激光器。这种激光器发出的激光具有很高的峰值能量和很低的平均能量，其脉冲宽度只有 100 飞秒，而其频率可以达到 80 至 100 兆赫。在使用高数值孔径的物镜将脉冲激光的光子聚焦时，物镜的焦点处的光子密度是Z 高的，双光子激发只发生在物镜的焦点上，所以双光子显微镜不需要共聚焦针孔，提高了荧光检测效率。

光声显微成像技术

光声成像是近年来发展起来的一种非入侵式和非电离式的新型生物医学成像方法。当脉冲激光照射到(热声成像则特指用无线电频率的脉冲激光进行照射)生物组织中时，组织的光吸收域将产生超声信号，我们称这种由光激发产生的超声信号为光声信号。生物组织产生的光声信号携带了组织的光吸收特征信息，通过探测光声信号能重建出组织中的光吸收分布图像。光声成像结合了纯光学组织成像中高选择特性和纯超声组织成像中深穿透特性的优点，可得到高分辨率和高对比度的组织图像，从原理上避开了光散射的影响，突破了高分辨率光学成像深度“软极限”(~1 mm)，可实现50 mm的深层活体内组织成像。

光声信号产生的基本原理是：当用短脉冲激光照射吸收体时，吸收体中的分子吸收光子后，当满足一定的条件时，吸收体分子的电子从低能级跃迁到高能级而处于激发态，而处于激发态的电子极不稳定，当电子从高能级向低能级跃迁时，会以光或热量的形式释放能量。在光声成像应用中通常会选择合适波长的激光作为激发源，使吸收的光子的能量转化为热能的效率，通常从光能转化为热能的效率可达到90%以上。释放的热量导致吸收体局部温度升高，温度升高后导致热膨胀而产生压力波，这就是光声信号。因此，光声信号的产生过程就是“光能”-“热能”-“机械能”的转化过程。

光声成像将光学成像和超声成像的优点结合起来，一方面，在光声成像中用来重建图像的信号是超声信号，生理组织对超声信号的散射要比光信号低2到3个数量级，因此它可以提供较深的成像深度和较高的空间分辨率;另一方面，光声成像根据不同组织对可见光、近红外光或无线电频率(Radio frequency)电磁波的选择性吸收，利用特定波长的激光脉冲对组织进行照射，并间接地对脉冲能量在生理组织中的吸收分布进行成像，成像的是被“吸收”的光能，这在纯光学成像中是无法做到的，因此相比纯超声成像，光声图像中不同组织间的光学对比度较高。

新闻来源：中国科学院自动化研究所

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