波长-时分复用光纤传感器阵列实现宽视场光声显微成像的技术突破

光声显微镜(PAM)面临检测灵敏度与视场(FOV)的根本性矛盾。研究人员创新性地开发了波长-时分复用(WTDM)光纤超声传感器阵列，通过为每个传感器分配特定波长并采用变长度延迟光纤实现时间分离，仅用单个光电探测器即可实现高效多通道检测。采用4单元传感器阵列实现了5×8 mm2 的扩展FOV，同时保持160 kHz A线速率和10.7 μm的空间分辨率。该系统成功应用于小鼠脑肠血流动力学比较研究，揭示了脑血管反应显著延迟于肠血管的独特模式，为生物医学领域大视场高速光声成像提供了新平台。

　　

光声显微成像技术作为新兴的生物医学成像手段，通过结合光学激发与超声检测的优势，能够实现生物组织结构和功能的高分辨率可视化。然而该技术长期面临一个关键瓶颈：检测灵敏度与成像视场(FOV)之间存在不可调和的矛盾。传统压电换能器(PZT)和透明超声换能器(TUT)虽然能提供较高灵敏度，但在实现大视场成像时往往需要机械扫描，这不仅增加系统复杂度，还会引入运动伪影。光学超声传感器虽具有微型化、宽带宽和高灵敏度等优势，但多通道并行检测始终存在信号串扰和灵敏度下降的难题。

针对这一挑战，国内某研究机构的研究团队在《Photoacoustics》发表了创新性研究成果。他们开发出波长-时分复用(WTDM)光纤激光超声传感器阵列，通过独特的混合复用策略，成功实现了高灵敏度的大视场光声显微成像。该系统采用4个光纤激光传感器组成阵列，每个传感器工作在C波段不同波长(1542.94 nm至1551.76 nm)，通过密集波分复用(DWDM)技术和变长度延迟光纤(150米)实现波长和时间双重复用。这种设计使得仅需单个光电探测器和采集通道即可完成多通道信号检测，在保持各通道独立性的同时避免了灵敏度损失。

关键技术方法包括：1)双偏振单纵模光纤激光传感器设计，利用光纤本征双折射产生2 GHz左右的射频拍频信号；2)WTDM单元实现波长和时间双重复用，通过声光调制器(AOM)产生1.375 μs时间窗，配合延迟光纤实现1.45 μs通道间隔；3)IQ解调模块将高频信号下转换至125 MHz以下以适应采集系统；4)采用532 nm纳秒脉冲激光(160 kHz)和二维振镜扫描系统实现10 μm级横向分辨率；5)对小鼠脑皮层和肠道组织进行在体成像，分析高碳酸血症挑战下的血管反应。

研究结果部分：

1. WTDM传感器阵列实现
   系统采用4个5 mm腔长的光纤激光传感器，测得22 MHz的扭转-径向振动模式共振峰，平均噪声等效压力密度(NEPD)为1 mPa/Hz^1/2
   (5-25 MHz)。空间灵敏度分布显示3 mm×5 mm的有效检测区域(-6 dB轮廓)。

2. 扩展FOV光声显微镜
   传感器以2 mm间距排列，覆盖5 mm×8 mm扫描区域。在体成像显示8 mm×5 mm的FOV，清晰呈现大脑皮层多个功能区域(体感、视觉等)的血管网络，空间分辨率达10.7 μm。

3. 血流动力学响应成像
   高碳酸血症实验(50% CO₂
   )显示：脑血管密度减少19.2%，血管收缩37.6%，响应时间延迟(密度变化Δt=68 s)；而肠血管密度减少27.3%，收缩17.8%，响应更快(Δt=45 s)，揭示了组织特异性血管调节机制。

讨论与结论指出，该WTDM平台通过创新性地结合波长和时间双重复用，解决了光学超声传感器阵列的灵敏度-复用率矛盾。与现有技术相比(如表1所示)，该系统在保持8 Pa NEP的同时实现了4通道并行检测，且支持在体光声显微镜(PAM)应用。传感器阵列的模块化设计允许灵活配置以适应不同解剖结构，为研究多器官互作(如脑-肠轴)提供了全新工具。虽然目前受限于光纤双折射导致的拍频变化和时分复用带来的采样率限制，但通过特种光纤设计和优化延迟配置，系统具有显著的扩展潜力。这项技术突破为便携式、可穿戴光声成像设备的发展奠定了基础，在基础研究和临床诊断中都具有重要应用前景。