小鼠腎臟橫斷面非線性光聲成像技術(shù)介電機(jī)制提高低光通量下組織精度

光聲成像技術(shù)作為一種非侵入式的生物醫(yī)學(xué)成像方法，近年來(lái)在疾病診斷和基礎(chǔ)研究中展現(xiàn)出巨大潛力。然而，光聲信號(hào)在光通量高于幾mJ/cm²時(shí)往往表現(xiàn)出非線性行為，這可能影響測(cè)量的準(zhǔn)確性和量化解釋。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為這種非線性源于納米氣泡的形成或熱物理參數(shù)的變化，但這些機(jī)制通常需要更高的光通量或高吸收材料（如金納米顆粒）才能顯現(xiàn)。本研究通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，提出在低光通量（<20 mJ/cm²）和低吸收系數(shù)條件下，光聲信號(hào)的非線性主要源于光子吸收引起的電磁介電常數(shù)變化，這種變化與熱激發(fā)的三階非線性磁化率相關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)不僅挑戰(zhàn)了現(xiàn)有理論，還衍生出一種新的對(duì)比機(jī)制，可用于識(shí)別材料介電常數(shù)對(duì)光致熱變化的敏感性，從而提升成像的精確度和功能信息獲取能力。

本研究的核心貢獻(xiàn)來(lái)自Jaber Malekzadeh-Najafabadi、Jaya Prakash、Daniel Razansky、Jorge Ripoll、Vipul Gujrati和Vasilis Ntziachristos等研究者，他們共同發(fā)表了題為“Nonlinearity of optoacoustic signals and contrast mechanism for imaging”的論文。該文于2025年發(fā)表在Light: Science & Applications期刊。這項(xiàng)工作是光聲成像領(lǐng)域的一項(xiàng)重要突破，為后續(xù)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

重要發(fā)現(xiàn)
01理論背景與非線性機(jī)制
光聲信號(hào)的非線性行為在生物醫(yī)學(xué)成像中長(zhǎng)期被忽視，因?yàn)閭鹘y(tǒng)模型假設(shè)信號(hào)強(qiáng)度與光通量呈線性關(guān)系。本研究首先從理論角度推導(dǎo)了光聲壓力的生成方程，考慮了一個(gè)理論上的吸收性介電平板模型，該模型近似模擬了光與組織的相互作用。通過(guò)分析，研究者發(fā)現(xiàn)，在低光通量（<20 mJ/cm²）和低吸收系數(shù)條件下，溫度變化僅為毫開(kāi)爾文量級(jí)，不足以引起Grüneisen參數(shù)或吸收系數(shù)的顯著變化，從而排除了傳統(tǒng)熱物理機(jī)制的主導(dǎo)作用。相反，論文提出介電常數(shù)變化（Δε_th）是非線性信號(hào)的主要來(lái)源，這種變化與熱激發(fā)的三階非線性磁化率（χ_th^(3)）相關(guān)。理論公式表明，非線性壓力變化（Δp_th）與光強(qiáng)度的平方成正比，且在高頻信號(hào)中更為顯著，這為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供了方向。

在頻域分析中，信號(hào)經(jīng)過(guò)傅里葉變換后，顯示非線性行為隨頻率升高而增強(qiáng)。低頻區(qū)域（<1 MHz）信號(hào)接近線性，而高頻區(qū)域則表現(xiàn)出明顯的非線性，這與理論公式Δp_th ∝ ωI₀²一致，表明非線性源于介電常數(shù)變化，而非吸收系數(shù)或Grüneisen參數(shù)。

在時(shí)域分析中，通過(guò)比較不同光通量下的歸一化信號(hào)，提取非線性分量Δp_tot。結(jié)果顯示，Δp_tot與熱壓力的導(dǎo)數(shù)高度相關(guān)，進(jìn)一步支持了介電常數(shù)變化機(jī)制。實(shí)驗(yàn)還排除了雙光子吸收等潛在干擾因素，確保結(jié)果的可靠性。

03成像應(yīng)用與算法開(kāi)發(fā)
基于上述發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新型重建算法，用于生成三階非線性磁化率（χ_th^(3)）的對(duì)比圖像。該算法通過(guò)求解聲波方程，從兩個(gè)不同光通量下的測(cè)量數(shù)據(jù)中提取非線性壓力變化。在幻影實(shí)驗(yàn)中，使用純乙醇和蒸餾水作為樣本，添加墨水以統(tǒng)一吸收系數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)線性算法重建的圖像顯示乙醇與水的像素強(qiáng)度比隨光通量增加而非線性變化（從4.5到6.5），而新算法重建的χ_th^(3)圖像比值為3.28，與理論值3.37高度吻合，驗(yàn)證了新對(duì)比機(jī)制的有效性。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
01突破傳統(tǒng)成像難題
研究突破了低光通量下光聲信號(hào)非線性解釋的瓶頸。傳統(tǒng)理論將非線性歸因于納米氣泡或熱參數(shù)變化，但這些機(jī)制在生物醫(yī)學(xué)常用通量下難以成立。論文通過(guò)介電常數(shù)變化機(jī)制，填補(bǔ)了理論空白，解決了長(zhǎng)期存在的量化誤差問(wèn)題。這不僅提升了光聲成像的準(zhǔn)確性，還為非線性行為的系統(tǒng)研究提供了新范式。

總結(jié)與展望
本研究通過(guò)理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確立了光聲信號(hào)非線性行為的新機(jī)制——介電常數(shù)變化，并成功開(kāi)發(fā)出基于三階非線性磁化率的成像技術(shù)。這不僅糾正了傳統(tǒng)模型的局限性，還引入了一種全新的對(duì)比機(jī)制，能夠敏感反映組織介電特性。在幻影和活體實(shí)驗(yàn)中，新方法展示了高精度和可靠性，為光聲成像賦予了更豐富的功能信息。展望未來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)有望在疾病早期診斷、代謝研究和新藥開(kāi)發(fā)中發(fā)揮重要作用。下一步工作將聚焦于χ_th^(3)的生理相關(guān)性探索，以及在不同病理?xiàng)l件下的應(yīng)用驗(yàn)證，進(jìn)一步推動(dòng)光聲成像向定量化、多功能化發(fā)展。

DOI:10.1038/s41377-025-01772-7.