多焦点激发压缩感知光声内窥镜技术：通过多模光纤实现高速高分辨率成像

研究人员针对传统多模光纤成像技术帧率和信噪比的局限性，开发了基于波前整形和压缩感知的多焦点激发光声内窥镜系统（MECOPE）。通过数值模拟和离体实验验证，该系统在保持1.2μm分辨率的同时将成像速度提升5倍（达11.5帧/秒），为肿瘤活检等微创手术提供了新型实时成像工具。

　　

在医学影像领域，突破"看得清"与"看得快"的矛盾始终是技术攻关的焦点。传统光声内窥镜（PAE）虽能提供微米级分辨率和组织穿透深度，但受限于扫描机制，成像速度难以满足实时手术导航需求。特别是采用多模光纤（MMF）的探头，无论是逐点扫描还是散斑压缩感知方案，都面临帧率不足或信噪比（SNR）骤降的困境。这种技术瓶颈严重制约了其在肿瘤活检、胎儿干预等需要即时反馈的临床场景中的应用。

针对这一挑战，来自国内某研究机构的Tianrui Zhao团队在《Photoacoustics》发表创新成果。研究人员巧妙融合波前整形与压缩感知技术，开发出多焦点激发压缩感知光声内窥镜（MECOPE）系统。该系统通过实值强度传输矩阵（RVITM）算法生成包含多个聚焦点的激发图案，结合快速数字微镜器件（DMD）调制和光纤超声传感器，实现了速度与精度的双重突破。

关键技术包括：1）采用DMD控制的波前整形系统生成多焦点图案；2）基于Fabry-Pérot原理的光纤超声传感器实现信号采集；3）快速迭代收缩阈值算法（FISTA）进行图像重建。实验使用碳纤维模型和小鼠红细胞离体样本验证性能。

【多焦点激发压缩感知光声内窥镜】章节揭示了系统核心原理：相比传统散斑基底，双焦点测量基在相同波动水平下保持更高相关系数（0.87 vs 0.6），使重建图像峰值信噪比（PSNR）提升40%。数值模拟显示，当测量次数降至总像素数5%时，双焦点基仍能保持PSNR>14，而散斑基已降至10以下。

【光声成像】部分展示的碳纤维网络重建图像证实，双焦点模式能完整呈现50μm×50μm视场内结构，分辨率达1.2μm。小鼠红细胞成像实验更显示，该系统在4.6fps（5000次测量）和11.5fps（2000次测量）时均可清晰分辨双凹形细胞形态，单次曝光能量控制在0.34J/cm²
的安全阈值内。

讨论部分强调，该研究通过三大创新突破技术瓶颈：1）将激发模式从随机散斑优化为可控多焦点，信噪比提升3倍；2）采用梯度折射率（GRIN）光纤增强抗弯曲性能；3）集成DMD调制实现23kHz刷新率。这些进步使得成像速度较传统扫描方式提升5倍，首次突破10fps大关。未来通过更高功率激光器和相位调制技术，有望进一步拓展至多光谱功能成像领域。

该技术为精准医疗带来新可能：在肿瘤活检中，11.5fps的实时成像能力可确保首次穿刺即命中最具代表性的肿瘤区域；在心血管介入中，1.2μm分辨率能清晰辨识血管内皮形态变化。研究团队指出，随着柔性探头设计和动态补偿算法的完善，这项技术或将重塑微创手术的导航范式。