前言
南方科技大学奚磊教授团队开发了一种光声成像手表，用于皮肤血管的高分辨率成像。可穿戴设备可以提供一种非侵入性的方式来监测血流动力学指标，如心率、血压和血氧饱和度，这些指标可以指示一个人的心脏工作情况。
可穿戴光声手表系统的原理图。(一)光声观测系统。(b)系统配置示意图。(c)志愿者佩戴背包和成像手表。(d)成像手表的内部结构。(e)佩戴组装良好的成像手表的志愿者的手腕。AMP：放大器; MCU：微控制器单元; DAQ：数据采集卡; F&C，纤维和电缆; PD：光电二极管; PS：电源; LC：激光控制器; BS：分束器; L：镜头; Obj：物镜; FC：光纤耦合器; SMF：单模光纤; MDB：电机驱动板; CL：准直镜; DL：双透镜; M：镜子; T：换能器; CG：玻璃盖板。
“尽管光声成像对血流动力学的变化极为敏感，但成像界面的小型化和优化困难限制了可穿戴光声设备的发展，”奚磊教授说。“据我们所知，这是第一款适用于医疗保健应用的光声可穿戴设备。”
在Optica Publishing Group的期刊Optics Letters上，研究人员描述了他们的新系统，该系统由带有成像接口的手表，掌上电脑和装有激光器和电源的背包组成。对志愿者自由移动的测试表明，该设备可用于观察不同活动（如步行）期间的血流变化。
“像我们开发的小型化可穿戴成像系统可能被社区卫生中心用于初步疾病诊断或长期监测医院环境中与血液循环相关的参数，为各种疾病的治疗提供有价值的见解。”奚磊教授说。“随着进一步的发展，这种类型的系统也可能有助于早期检测牛皮癣和黑色素瘤等皮肤病或分析烧伤。
创建可穿戴成像仪
光声成像是一种无标记技术，它通过测量结构中光吸收产生的光诱导声波来形成图像。分析光声信号强度和分布可以深入了解微血管的功能和结构特征，这些微血管可以被各种疾病改变。尽管光声成像仍然主要是一种研究工具，但它开始在癌症、血管和皮肤病成像等领域找到临床应用。
袖带闭塞时血管网的血流动力学变化
为了将通常笨重的仪器变成可以在四处走动时佩戴的东西，研究人员开发了一种紧凑的光学分辨率光声显微镜系统，该系统基于紧凑的脉冲激光器，紧凑的光纤光路和集成电子系统，装在一个重达7公斤的背包中。他们还设计了一种手持设备来存储图像，并创建了一个小型化的手表式成像界面，该界面具有可调节的焦平面和用于实时显示图像的屏幕显示器。
研究人员设计了该系统，以便在佩戴者自由移动时将其用于成像。它还具有自适应的激光聚焦，这对于对皮肤等多层结构进行成像是必要的。光声成像系统的横向分辨率为 8.7 μm，足以分辨皮肤中的大多数微血管，最大视场直径约为 3 mm，足以捕捉微血管细节。
追踪移动中的血流
研究人员与志愿者一起测试了该设备，以评估手表的焦点转移功能以及该系统在不同条件下检测长时间血流变化的能力，例如当佩戴者走路时以及使用袖带暂时阻止血液流向手臂时。这些测试表明，该系统可用、紧凑且足够稳定，可以自由移动。
研究人员现在正在努力创建一个系统，该系统采用更小的激光源和更高的重复率。这将使系统更紧凑、更轻，同时提高安全性和时间分辨率。“鉴于现代激光二极管技术和电子信息技术的快速发展，开发一种不需要背包的更先进、更智能的光声手表应该是完全可行的，”奚教授说。
研究人员还致力于确保光纤耦合光路在长时间和更激烈的条件下（如跑步和跳跃）的稳定性。他们还希望结合多光谱照明，这将允许获取额外的生理参数，包括氧饱和度和血流速度，以及对血管数量和体积等参数的定量评估。这些能力可以帮助支持癌症和心血管疾病等疾病的早期诊断。
Ting Zhang, Heng Guo, Weizhi Qi, Lei Xi. Wearable photoacoustic watch for humans. Optics Letters, 2024; 49 (6): 1524 DOI: 10.1364/OL.514238
