散斑照明在光声显微镜中的应用

A到C是传统透射显微镜获得的三个样品的照片。通过扫描隐藏在漫射器后面的样品上的未知散斑模式，利用光学记忆效应，从光声测量中重建得到D到F。比例尺为25 微米。D到F被认为是第一个以这种方式获得的图像。图片来源：Antonio M. Caravaca-Aguirre 等。

       受扫描法在光声显微镜的局限性的启发，由格勒诺布尔阿尔卑斯大学Emmanuel Bossy领导的一个国际团队使用已知和未知的散斑图案进行了结构化照明实验，他们的其中一项实验首次证明了通过漫射器利用盲结构照明进行光声成像的可行性，该团队的研究成果已经发表在《Intelligent Computing》期刊上。

       这项研究成果总结道：“光声显微镜可以利用许多最初为纯光学方法（例如荧光显微镜）开发的结构化照明方法，仅需将声学检测代替光检测即可。”一种结构化照明方法是散斑照明，实际也就像它听起来的那样。散斑照明属于一类看似随机但可以统计描述的照明图案。相较于用于产生其他类型结构化照明所需的空间光调制器，散斑照明可以使用更便宜和更灵活的装置产生。

       在生物医学应用中，散斑照明有两个优点。一是扩散并因此降低的照明强度可以减少对目标组织的损害。另一个优点是如果样本足够稀疏，则可以更快地收集必要的测量值。一些用于微创内窥镜手术的设备会产生自己的散斑照明。以前的研究表明利用这种照明，并用荧光显微镜而非光声显微镜证明了其原理。随着声学探测器变得更加灵敏，研究人员希望能够看到更多在光声显微镜领域的研究。

       在一组实验中，研究人员利用三种不同的流行方法来重建使用散斑照明图案创建的光声图像。对于每个实验装置，他们使用了相关方法、伪逆方法和压缩传感方法。在一个装置中，他们使用光学漫射器来创建散斑图案。在另一种装置中，他们使用了一个带有特殊光纤传感器的多模光纤。在这两种装置中，他们都校准了设备以收集可用于重建图像的数据。在另一组实验中，研究人员依靠一种被称为光学记忆效应的现象，这使得他们可以在不事先校准设备的情况下就能重建图像。研究人员认为，他们使用的盲结构照明光学扩散器装置所生成的图像是首次采用此种方式实现的。

       光声成像是一种将光聚焦在目标上时测量目标发出的声音的技术。光束加热物体，导致物体暂时的尺寸增加，从而产生声波。光声显微镜扫描的实现需要传感器以简单的顺序观察目标的每个部分。这种方法的一个缺点是它可能需要很长的时间。因此，研究人员向光学显微镜寻求更有效的方法，这些方法在声学领域也可能发挥良好的作用。

       在光学显微镜中，与扫描法相对应的是单像素成像、鬼成像、结构化照明或结构化检测。与扫描法相比，这些方法的共同点是更复杂的空间采样方案，需要在捕获数据后进行图像重建。之前的研究提出并证明了这种光学显微镜方法也可用于光声显微镜。

       消息来源：https://phys.org/news/2023-03-speckle-illumination-photoacoustic-microscopy.html

       [1]Antonio M. Caravaca-Aguirre et al, Single-Pixel Photoacoustic Microscopy with Speckle Illumination, Intelligent Computing (2023). DOI: 10.34133/icomputing.0011