关键词：单细胞光声微流变学 PA粘弹性成像系统 PA 弹性测量方法 锁相放大器
说明：本篇文章使用赛恩科学仪器OE2031锁相放大器测量
【概述】
2019年，华南师范大学的邢达教授团队在IEEE Transactions on Medical Imaging上刊登了一篇题为“Single-Cell Photoacoustic Microrhezhology”的文章。邢达教授团队提出了一种创新的光声微流变学（PAMR），利用光声（PA）响应的时间和相位特征来提取弹性模量和粘度。PAMR实现了微米尺度的脂肪细胞和肌细胞的单细胞弹性和粘度映射，扩展了传统 PA 成像的范围，为开发新型微流变技术开辟了新的可能性。
弹性和粘度等流变特性与细胞的生理功能和病理状态相关，已被认为是检验许多疾病的指标 。目前有许多技术用于评估组织和细胞的粘弹性，然而传统的技术中对传播速度的测量会降低弹性和粘度估计的准确性。光声（PA）成像作为一种快速发展的非侵入性技术，已被应用于弹性特性表征成像，然而传统的PA成像存在因摩擦导致弹性模量高估、无法区分 PA 强度对比、吸收光谱先验知识缺乏及测量耗时等问题。
2017年，邢达教授团队开发的PA粘弹性成像技术可通过PA相位延迟提取粘度-弹性比参数，能无创分析粘弹特性且用于癌症检测和斑块评估，但基于粘度-弹性比参数的对比不具备区分细胞类型能力。因此在该文章中，邢达教授团队探索PA响应时间特性，提出的PAMR能够同时提取弹性模量和粘度以更好区分组织或细胞类型。
图1. PA粘弹性成像系统的实验装置原理图
【测量方法与部分实验结果】
邢达教授团队提出了一种基于热弹性膨胀和阻尼效应的 PAMR 方法。首先通过建立生物力学模型，探索 PA 响应的时间和相位特征来确定弹性和粘度。其次研究团队使用各种流变参数对位移进行了数值模拟。并基于数值模拟建立了 PAMR 系统。
1） 弹性模量的估算：
弹性模量的估算基于热膨胀机制，用激光脉冲照射吸收区域将诱导样品产生振荡，然后产生 PA 压力波，使用Navier方程可以计算样品每个激光激发点的位移：
（1）
通过使用 Hankel 变换方法，位移可以在焦点处解析求解为：
（2）
弹性模量E可以通过方式（3）估算：
（3）
2） 粘度估计：
粘弹性介质表现为复杂的流变行为，具有随时间变化的机械响应。粘度η 可通过公式（4）计算：
（4）
因此，根据公式（3）和（4），弹性模量和粘度可以通过 PA 上升时间和相位延迟测量同时提取。
图2展示了PAMR系统的实验装置。一台工作波长为532nm、脉冲宽度为10ns的激光器用作激发源。激光束经空间滤波系统扩束和准直后，由二维振镜扫描仪进行扫描。激光束穿过由扫描透镜和筒镜组成的望远镜系统后，再经物镜聚焦到样品表面。激光能量密度由光电二极管采集，一个在200KHz至15MHz之间具有平坦频谱的超声换能器被用于检测PA信号。PA信号首先由低噪声放大器放大，然后传输到数字示波器和锁相放大器OE2031（赛恩科学仪器），以分别获取PA信号的上升时间和相位延迟。函数发生器用于同时产生触发信号T1（10KHz）、T2（10KHz）和T3（1MHz）。T1用于触发脉冲激光器；T2和T3分别用于触发示波器和锁相放大器OE2031（赛恩科学仪器）。一个CCD相机用于获取样品的光学图像。
图2. 光声微流变学（PAMR）原理装置。
BS：分束器；GM：振镜；SL：扫描透镜；TL：筒镜；MO：显微物镜；UT：超声换能器；WT：水箱；Osc：示波器；FG：函数发生器。
T1：脉冲激光触发信号；T2：示波器触发信号；T3：锁相放大器触发信号。
研究团队在均相琼脂-明胶模型上进行了验证实验，通过比较PA方法和传统机械流变仪测量的弹性，结果如图 3（e）所示：两种方法测量的结果具有高相关性（R2>0.96）。图3（f）展示了不同浓度的均相琼脂-明胶模型的传统的 PA 振幅图像（PAI）和PA弹性成像 （PAE）的图像。由于相同的光吸收分布，PAI 振幅图像中没有对比度。相比之下，PAE 弹性成像能够表现出显着差异。结果表明，PAMR具有测定弹性模量的能力。
图3. PA 弹性测量方法的验证。
(e) PA方法获得的弹性与常规流变仪获得的弹性之间的比较。(f) 传统的光声振幅图像（PAI）和光声弹性成像（PAE）。
【总结】
该研究提出了一种基于光声微流变学的方法PAMR，用于测量单个细胞的力学特性。PAMR利用 PA 响应的时间和相位特性进行生物力学性能研究，实现了微米尺度的脂肪细胞和肌细胞的单细胞弹性和粘度映射。从模型构建和实验结果可以得出以下结论：
①PAMR能够成功地测量样品的弹性模量，并且与传统的机械流变仪测量结果具有较高的相关性，光声弹性成像（PAE）与光声振幅图像（PAI）相比，能够提供关于样品弹性的显著对比度，这表明PAE能够揭示由生化组成或含量差异引起的弹性变化。
②PAMR技术具备精确测量各种细胞弹性和粘性特性的能力，它在区分脂肪细胞与肌细胞方面表现出显著的效果。
③锁相放大器OE2031（赛恩科学仪器）成功用于检测PA信号和参考信号之间的相位差，从而提出了一种新型的声光信号处理方法。
【参考文献】
