利用实验推导出的有效点扩散函数来提升定位光声断层的成像效果

《Laser & Photonics Reviews》：Advancing Localization Optoacoustic Tomography Using Experimentally-Derived Effective Point Spread Functions

定位光声断层成像（LOT）通过有效点扩散函数（ePSF）和最小二乘拟合方法显著提升微粒子定位精度，残余误差降低一个数量级，并在活体小鼠大脑成像中验证了方法的有效性，实现了血管结构的超分辨率成像。

　　近年来，光声成像技术在生物医学领域展现出巨大的潜力，尤其是在对深层组织进行高分辨率微血管成像方面。光声成像（Optoacoustic Imaging, OA）通过结合光和超声波，利用光的吸收特性来克服传统超声成像在获取功能和分子信息方面的局限性。然而，传统光声成像方法受限于声学衍射，导致其在深层组织成像时分辨率受到显著影响。为了解决这一问题，一种新的成像技术——定位光声成像（Localization Optoacoustic Tomography, LOT）被提出，并取得了显著的进展。

LOT的核心理念来源于超分辨率荧光成像技术，例如光激活定位显微镜（PALM）和随机光学重建显微镜（STORM），同时也借鉴了新兴的超分辨率超声成像方法。LOT通过精确定位流经血液中的微粒子，实现对微血管结构和功能的高分辨率成像，从而突破传统光声成像在深度和分辨率之间的瓶颈。这种方法不仅能够提高图像的空间分辨率，还能够提供功能性的血液流速和氧饱和度等参数，为生物医学研究带来了新的视角和可能性。

在实际应用中，LOT的成像性能依赖于对微粒子定位的精度。传统的定位方法，如质心法（Centroid-based methods）和拟合法（Fitting-based methods），虽然在某些情况下表现良好，但在处理小尺寸点扩散函数（Point Spread Functions, PSFs）时，往往存在系统性误差，限制了其在子像素级别的定位能力。因此，研究人员提出了一种基于有效点扩散函数（Effective Point Spread Functions, ePSFs）的定位方法，通过最小二乘拟合技术，显著提高了定位精度。

ePSFs的概念是将传统PSF模型扩展为一个更全面的系统响应模型，该模型不仅考虑了物理层面的光声信号传播，还包含了数字处理过程中可能引入的误差，如离散采样和图像重建过程中的偏差。通过在成像系统中扫描点光源并采集其响应，可以建立ePSFs的连续模型，从而更准确地反映实际成像条件下的系统行为。这种方法可以有效消除传统质心法和拟合法中固有的系统性误差，尤其是在点扩散函数尺寸小于像素大小的情况下，其定位精度可提高一个数量级。

实验结果显示，该方法在体外和体内实验中均表现出优异的性能。在体外实验中，使用聚乙烯微球作为点源，通过对比传统方法和基于ePSFs的定位方法，发现后者在子像素级别的定位精度上具有显著优势。在体内实验中，通过静脉注射含有高浓度红外吸收染料的微液滴，实现了对小鼠大脑微血管网络的高分辨率成像。结果显示，基于ePSFs的定位方法能够更清晰地显示微血管结构，且在相同帧数下，检测到的微粒子数量比传统方法增加了13.6%，从而提升了成像的分辨率和数据利用率。

此外，该方法在成像过程中无需额外的物理测量，而是通过系统响应的密集采样来实现高精度的定位。这种基于ePSF的定位流程不仅适用于光声成像系统，还可以推广到其他基于粒子定位的超分辨率成像技术，为未来在生物医学和临床研究中的应用提供了新的思路和方法。

LOT技术的应用还涉及一系列实验设计和数据处理步骤。首先，通过点源扫描获取ePSFs的实验数据，然后使用最小二乘拟合技术对微粒子的信号进行处理，以确定其子像素位置。这一过程需要对采集到的图像进行背景减除和阈值处理，以确保信号的清晰度和准确性。通过系统地调整重建体积的偏移量，可以实现对微粒子信号的精确捕捉，并通过插值方法建立连续的ePSF模型，从而提高定位精度。

LOT技术的实现不仅需要先进的成像设备，还需要对实验条件进行严格的控制。例如，使用高精度的超声传感器阵列和快速的图像重建算法，以确保在短时间内获得高质量的图像数据。同时，为了减少微液滴在成像过程中的蒸发和扩散，实验中采用了预冷和高速混合等方法，以保持其稳定性。这些实验步骤为LOT技术的实际应用提供了坚实的理论基础和技术支持。

在实际应用中，LOT技术能够提供比传统光声成像更精细的微血管结构信息，这对于研究微血管网络的动态变化和病理状态具有重要意义。例如，在急性缺血性中风模型中，LOT技术成功地观察到了微血管密度、流动和氧饱和度的变化，为疾病的早期诊断和治疗监测提供了新的工具。此外，LOT技术还可以用于研究血液流动和灌注动力学，为心血管疾病的研究和治疗提供了新的视角。

总体而言，LOT技术通过引入ePSFs和最小二乘拟合方法，显著提高了微血管成像的分辨率和准确性。这一技术的突破不仅为光声成像领域带来了新的发展，也为其他基于粒子定位的超分辨率成像技术提供了通用的解决方案。未来，随着技术的进一步优化和应用的拓展，LOT有望在生物医学和临床研究中发挥更大的作用，为精准医疗和疾病诊断提供强有力的支持。