中国博后研发通用针形光束产生平台，可清晰识别表皮中的单一细胞

　　他叫赵精晶，本科和博士分别毕业于北理工和清华，读博期间师从中国工程院院士、时任清华大学精密仪器系教授尤政。
　　目前，他在斯坦福大学医学院从事博后研究，其表示：＂工程知识和生物医学应用，就像是河的两岸。 我想把自己塑造成一个横跨两岸的桥梁。明确生物医学所需，探索出最佳的工程方案，最终服务于人类健康。＂
　　图 | 赵精晶（来源：赵精晶）
　　赵精晶打造的这座＂桥梁＂，得从显微成像领域的一个矛盾说起。在该领域，始终存在着分辨率与成像焦深的矛盾。
　　（来源：资料图）
　　一般而言，要想更为清晰地观测到样本的细微形貌，则需要使用分辨率更高的物镜，而这将缩短成像的焦深。例如，物镜分辨率提升一倍，会让焦深缩短为四分之一。
　　这时面对高倍物镜，只有位于物镜焦平面附近的样本，才能被清晰地成像，并且需要多次地调节焦平面高度，以完成对于不同深度位置的成像。
　　在具备深度解析能力的成像平台上，高分辨率和浅焦深的矛盾尤为突出，比如相干光学层析（Optical coherence tomography, OCT）和光声显微（Photoacoustic microscopy, PAM）。
　　OCT 和 PAM 都采用激光扫描探测，其单次探测能够描绘出样本在扫描点处沿深度方向的轮廓。然而，受制于高倍物镜有限的焦深，被聚焦的探测激光，呈现出高度的蜂腰型。
　　所以，在每次采样的样本深度形貌中，只有百分之一到十分之一的数据具有高分辨率。
　　这不仅极大地浪费了 OCT 和 PAM 的采样深度，也无法实现高精度的动态观测。
　　针对这一问题，学界曾提出过各种解决方案，例如动态聚焦、多焦点探测、合成孔径、环形照明。其中，最为直观的方法就是拉伸激光光束的焦深。
　　目前，形成长焦深光束的方法，是利用锥透镜生成的 Bessel 光束。但是，Bessel 光束存在旁瓣干扰强、轴向能量分布不均匀、轴向位置不可控、能量利用率低等先天缺陷，这让它在高度散射、且高度不均匀的生物组织中的应用，遭到了一定的限制。
　　为了解决生物医学成像中高分辨率和浅焦深的矛盾，赵精晶发明出一种通用的针形光束（Needle-shaped beam）产生平台，并解析了针形光束特性和设计参数间的对应关系。
　　利用该平台，人们可以灵活地控制针形光束的焦深长度和光束直径（即分辨率）， 从而根据需要调控光束的特性，以及有效地压制旁瓣的干扰，并实现均匀的轴向光束能量分布。
　　这一方法的基本思想是，利用衍射光学器件将输入光随机分为几十到数百份，并将每一份光被聚焦在特定的轴向位置，从而形成一个焦点。
　　这样，通过调控每一个焦点的位置、能量分配和附加相位，就能有效地形成一个由几十、到几百个焦点协同组成的针形光束。
　　利用此方法，赵精晶和同事实现了 266nm 单色激光、532nm 单色激光和 910nm 宽谱激光的针形光束，同时也能灵活地调控光束特性。
　　例如，利用 4.6mm 直径的 910nm 宽谱光和 20x 物镜，可以实现超长针形光束、等衍射极限针形光束、以及超分辨针形光束。
　　基于开发的针形光束平台，课题组实现了高分辨率的 OCT 和 PAM 成像。利用 OCT，可清楚地观测到人类表皮和真皮间的交界，并能清晰地识别表皮中的单一细胞。
　　参与此次研究的斯坦福大学医学院皮肤科教授卡维塔 Y. 沙林（Kavita Y. Sarin）和苏马伊拉 Z. 阿斯（Sumaira Z. Aasi）认为，这种成像能力可以极大提升对于黑色素瘤的检测，从而实现皮肤的非侵入式虚拟活检。
　　赵精晶补充称：＂此外，借助于针形光束，OCT 能够实现对模式生物果蝇幼体心脏的高精度实时观测，可以帮助我们的合作者斯坦福大学医学院心血管研究所的 Kenzo Ichimura 博士进行病理分析的研究。＂
　　在 PAM 平台上，赵精晶所在团队与加州理工学院医学工程系&电子工程系教授汪立宏课题组的曹锐博士合作，实现了与组织学切片相近的、能够准确识别细胞核的小鼠器官成像， 并完成了活体小鼠脑血管高景深成像。对于术中病理分析来说，这有望提供一种新的高速的、高分辨的图像平台。
　　近日，相关论文以《具有针形光束的光学分辨率光声显微镜》（Optical-resolution photoacoustic microscopy with a needle-shaped beam）为题发表在   Nature photonics   上，曹锐、赵精晶是第一作者，斯坦福大学医学院结构生物学系亚当·德·拉·泽达（Adam de la Zerda）教授、以及汪立宏教授担任共同通讯作者。
　　图 | 相关论文（来源：Nature photonics）
　　评审专家认为，针形光束与光声成像的结合有效地解决了光学分辨率 PAM 使用高分辨率高斯光束所带来的短焦深的不足，这种方法将使得 PAM 具有更广阔的应用场景。
　　而另一篇论文，则以《针形光束的灵活生成方法及其在光学相干层析成像中的应用》（Flexible method for generating needle-shaped beams and its application in optical coherence tomography）为题发表在   Optica  。 审稿人认为，该工作具有很高的原创性，其在生物样本中的成像能力令人印象深刻，并将在显微成像领域有广泛的应用。
　　（来源：Optica）
　　可用于细胞分辨率的皮肤虚拟活检检测
　　就以上成果的应用前景来说，在相干光学层析 OCT 领域，可用于细胞分辨率的皮肤虚拟活检检测。
　　仅在美国，每年大约有 600 万次的皮肤活检，其中绝大部分活检样本都是非癌的，这不仅给患者带来了身体损伤，也造成了巨大的财务浪费。
　　因而，三维细胞分辨率的 OCT 技术与算法结合，将有助于开发出虚拟三维活检，帮助临床诊断、避免无效的实体活检。
　　在临床应用中，OCT 是眼底视网膜成像的标准检测手段，OCT 内窥镜也是冠状动脉介入术中的有力成像工具。
　　但是，眼底的弧形结构使得现有 OCT，必须采用多次对焦的手段完成扫描。而针形光束能帮助 OCT 在单次扫描过程中，实现高精度的弧形眼底成像。
　　并且，针形光束与 OCT 内窥镜的结合，将避免传统 OCT 内窥镜需要人工调焦的问题，从而减少成像时间、提升手术效率和患者体验。
　　此外，在光声显微 PAM 领域，结合 AI 算法之后，高精度的 PAM 三维图像能够直接转换为数字切片图像，为术中病理分析、特别是术中癌组织边缘的确定带来极大的帮助，进而提升手术治疗的准确性，以及减少癌症复发的概率。
　　另据悉，针形光束也将助力光学领域的其他研究，比如深度光学、计算光学、工业视觉、精密激光加工与监测、3D 打印、光镊、光刻加工等。而且，针形光束的理论模型也适用于太赫兹、超声等成像系统。
　　＂没想到这一做就是四年＂
　　据介绍，在清华读博期间赵精晶的课题，是基于 MEMS（Microelectromechanical Systems，微机电系统）技术的流式细胞仪。在那时，他还接触了衍射光学。
　　临近毕业时，其认为体外诊断和医学成像是医学诊断的两翼，自己也想多了解影像方面的知识，故选择来到斯坦福医学院 Adam de la Zerda 课题组从事 OCT 的博后研究。
　　进组之前，他就构思了针形光束的概念。进组之后，他耗时半年完成了一个合成孔径 OCT 的小项目，紧接着就转入针形光束的研究。
　　赵精晶表示：＂当时，Adam 的主要研究还集中在影像增强的金纳米试剂，虽然他对这个研究了解不多，但还是非常支持我的想法。然而，没想到这一做就是四年。＂
　　期间，赵精晶先后进行了五轮理论模型修正，加工了四五百个用于测试的衍射光学器件，修改了五轮 OCT 光学系统，测试了十余种生物样本，并不断改进成像流程和图像处理算法。
　　其中，各项内容都是螺旋交替进行的，最终在理论、仿真和实验上，都实现了对于针形光束的精确调控，并成功应用在不同的生物样本上。
　　赵精晶说，生物医学成像是一个非常有趣的领域，经常出现的现象是：理论、仿真和表征实验都得到了印证。但是，组织样本的成像效果却不尽人意。
　　这时，就需要结合样本特点，综合地调整光学设计、样品预处理、采样模态以及图像后处理方法等。
　　而在将针形光束用于 OCT 成像的同时，他也在思考其他可能的应用平台，于是便邮件联系了汪立宏老师。
　　＂在汪老师的支持下，我和曹锐师兄合作开发了用于光声成像的针形光束。＂他说。
　　由于 OCT 采用的是近红外 910nm 宽谱光，而光声系统采用的是 266nm 和 532nm 光。这给衍射光学器件的加工，提出了更高的要求。不过，加工精度最终被控制在了 5nm 以内。
　　最后，针对光声系统，研究团队前后改进了三轮针形光束设计，最终实现了对小鼠组织的良好成像效果。
　　划科研之船，行至更深处
　　至今，赵精晶依然记得第一次摸索衍射光学器件加工工艺时，用去了整整半年时间。而后不断提升，现在只需要 12 个小时，就能完成四寸石英晶元的四次刻蚀加工。
　　四年前，最开始做人体皮肤样本实验时，他对皮肤结构还是一窍不通，慢慢地只需通过皮肤样本的外表，就能大致判断样本是从人体哪个部位取下的、以及表皮细胞的基本形貌是什么，甚至还能根据细胞影像形貌大概推测患者年龄。
　　有了这些积累，他也将划着科研之船，进一步地行至更深处。目前，赵精晶所在团队正与约翰霍普金斯大学、俄勒冈医科大学、清华大学、斯坦福大学癌症中心等团队，开展针对内窥镜、眼底、脑血管成像、前列腺癌的合作研究，也和两家业界公司进行技术合作与产业化开发。
　　同时，他和同事也把该模型扩展到了超颖表面（Metasurface）上，利用石英超表面光学器件生成的多焦点来提升三维扫描速度，来用于皮肤癌诊断。
　　与针形光束相比，多焦点的优势在于更好的光能利用效率，并易于和更高倍率的透镜配合使用（比如 40x 物镜）。
　　他说：＂相关论文已投稿给   ACS Nano  ，目前正在第二轮审稿中。未来，针对临床应用， 我打算结合针形光束开展适用术中的大视场无标记肿瘤识别 OCT 成像技术，以及将结构光照明、高内涵图像病理 AI 分析和 OCT 相结合以实现大视场高分辨率的无染色虚拟切片。＂
　　参考资料：
　　1.Cao, R., Zhao, J., Li, L. et al. Optical-resolution photoacoustic microscopy with a needle-shaped beam.  Nat. Photon.  (2022). https://doi.org/10.1038/s41566-022-01112-w
　　2.Zhao, J., Winetraub, Y., Du, L., Van Vleck, A., Ichimura, K., Huang, C., ... & de la Zerda, A. (2022). Flexible method for generating needle-shaped beams and its application in optical coherence tomography. Optica, 9(8), 859-867.