诺丁汉大学的科学家开发了一种超声成像系统，该系统可以部署在一根细细的光纤尖端上，并且可以插入人体中以可视化3D细胞异常。这项发现被发表在Light: Science & Applications上，题目名为“Phonon imaging in 3D with a fiber probe”。

　　来自诺丁汉大学的研究人员介绍了第一个基于光纤的超声波成像工具，能够分辨生物细胞大小的物体。该设备可同时访问微观对象的形貌和材料信息。这是使用一种新颖的信号处理协议来完成的，该协议根据GHz频率声波的飞行时间的幅度衰减特征进行空间测量。在皮氏培养皿和聚合物微结构上进行概念轮廓测定和光谱学证明。还证明了该技术与成像光纤束的单模光纤和多模通道均兼容。

　　高分辨率是通过光学横向分辨率和声学轴向精度的独特组合实现的。横向分辨率是由光纤的模场直径决定的。轴向精度由信号处理的声子波长和时间分辨率实现。此外，可以通过测量声速和波的衰减来分析声波飞行时间以获得粘弹性信息。由于超声传感器的部分透明性，束形式的设备仍可用于明场或荧光成像。该技术的光纤和成像束实现方式有望集成到标准内窥镜和内窥镜设备中。亚细胞分辨率提供了进行三维（3D）体内组织学检查的机会，而无需使用类似解析的内窥镜技术所需的荧光标记。额外的弹性信息的可用性还可以引入一种新颖的组织学指标，用于在护理点表征疾病。除了临床医疗保健之外，组织工程和精密制造领域也可以利用此高分辨率工具进行浅层诊断。

　　光学内窥镜中的亚细胞分辨率最容易通过单根光纤实现，而不受光纤束的纤芯间距的限制。通常，单根光纤可通过以下方式用于形成图像：（1）在物平面中从点到点扫描光纤的远端，或（2）使用多模光纤对核心模式范围内的空间角度信息进行编码。由于缺乏后一种功能，单模光纤通常用于远端扫描或空间色散配置，并且在共聚焦内窥镜检查和内窥镜光学相干断层扫描7中提供了突破。另一方面，单个多模光纤对扫描的依赖性较小，因为光纤内的每个模式都充当像素；因此，多模光纤不依赖于扫描。需要注意的是，模式色散会扰乱图像信息，因此必须凭经验进行补偿。一旦进行了加密，多模光纤就可以使无透镜内窥镜具有诸如高数值孔径（NA）、宽视场、3D成像甚至超分辨率等品质。

　　实际上，纯光学内窥镜技术的实用性受到某些限制。例如，细胞组织通常表现出较差的光学对比度和特异性，这通常在亚细胞分辨率显微内镜和细胞内镜中通过用荧光标记对组织进行染色而得到缓解。然而，声学本身就提供了在生物介质中进行高对比度成像的途径，这已被广泛的成像方式历史所证明。

　　与光学技术相比，长期以来由于缺乏分辨率而阻碍了声学，这归因于降低声学波长所需的极端措施，例如，（1）缩小压电换能器系统的体积，以及（2）在高温下削弱液体中的声学衰减频率。因此，在声学上没有重复用于细胞分辨率光学内窥镜检查的相同方法。1974年扫描声学显微镜问世之后，高分辨率的声学领域中最务实的突破是光声技术，即对声学现象的光学检测。在这些技术中，皮秒超声 (picosecond ultrasonics, PU) 和布里渊散射特别受关注，因为它们提供皮秒的时间分辨率并分别以光学横向分辨率直接读取粘弹性质。时间分辨的布里渊散射协同这些概念，并实现了具有亚光学波长声子的生物细胞的3D弹性成像。

　　▲图1.（上）模型生物细胞的常规显微镜图片。（底部）声子探头可再现物体的3D图像（颜色是高度）。天辰代理注册！同时，探头检测到与刚度相关的测量值，这些测量值以绿色映射在左上方的图像上。白色刻度尺长10微米。

　　声子探针的基本机制是将相干声子 (coherent acoustic phonons, CAP) 注入样品中，并通过布里渊散射的光学效应检测其振动响应。对于声激发，声子探针利用PU原理：金属薄膜通过光声效应产生GHz-THz带宽的CAP26。实际上，这是通过在单模光纤的远端表面上制造部分透明的金纳米换能器（图1b），并在泵浦探针光谱系统内用短泵浦脉冲周期性地激励换能器来实现的。

　　a. 声子探针系统的实验布局。b. 声子探头接近浸入水中的聚苯乙烯（PS）物体。

　　▲显示声子探针系统对微观对象的3D映射。光纤在其尖端上包含一个金属层，并将红色激光投射到样本中。

　　新的超声成像系统使用两个发出短脉冲能量的激光来刺激和检测样品中的振动。其中一个激光脉冲被金属层（纳米换能器（通过将能量从一种形式转换为另一种形式工作））吸收，该金属层制造在光纤的尖端上。导致高频声子（声音粒子）被泵入样本的过程。然后，第二个激光脉冲与声波碰撞，这一过程被称为布里渊散射。通过检测这些“碰撞”的激光脉冲，可以重建并可视地显示行进声波的形状。

　　检测到的声波对有关材料刚度甚至几何形状的信息进行编码。诺丁汉团队是第一个使用脉冲激光和光纤展示这种双重功能的团队。

　　成像设备的功率通常由系统可以看到的最小物体测量，即分辨率。在两个维度上，声子探针可以“分辨”大约1微米的物体，类似于显微镜。但是在第三维（高度）中，它提供了纳米级的测量，这对于光纤成像系统来说是前所未有的。

　　▲图3. 光纤成像传感器的直径为125微米，大约相当于人发的大小，以一分钱的角度显示。显微镜图像显示了设备的真实比例及其传导光的能力。

　　论文作者Salvatore La Cavera是诺丁汉大学光学与光子学研究小组的EPSRC博士研究员，他谈到超声成像系统时表示相信它具有测量样品刚度，生物相容性和内窥镜能力的能力。潜在的优势在于将纳米技术与众不同。这些功能为未来在体内的测量提供了技术基础，朝着微创即时医疗诊断的最终目标迈进。

　　在论文中，研究人员证明了该技术与单根光纤以及常规内窥镜中使用的成像束（直径1mm）的10,000至20,000根光纤都兼容。因此，通过从样品上多个不同点收集刚度和空间信息，而无需移动设备，就可以常规地获得出色的空间分辨率和宽视野，从而将新型声子内窥镜带到了可及范围内。

　　除临床医疗保健外，精密制造和计量学等领域也可以使用这种高分辨率工具进行表面检查和材料表征。现有科学仪器的补充或替代度量。通过将声子探针直接集成到打印针的外径中，诸如3D生物打印和组织工程学之类的新兴技术也可以将声子探针用作在线检查工具。

　　接下来，研究小组将与诺丁汉消化系统疾病中心以及诺丁汉大学生物物理，成像和光学科学研究所合作开发一系列生物细胞和组织成像应用；目的是在未来几年中创建可行的临床工具。

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