本文介绍的是西安电子科技大学生命科学技术学院陈雪利教授课题组通过数值仿真探究了在贝塞尔光束激发下散射组织中SRS信号的产生情况，发表在《Journal of Innovative Optical Health Sciences》期刊2021年第3。

Simulation of stimulated Raman scattering signal generation in scattering tissues excited by Bessel beams

贝塞尔光束激发的散射组织中受激拉曼散射信号生成的仿真研究

Xinyu Wang, Lin Wang, Peng Lin, Hui Xie, Xinyi Xu, Qi Zeng, Yonghua Zhan, Xueli Chen

研究背景

受激拉曼散射（stimulated Raman scattering, SRS）显微镜具有对特定化学键进行非侵入性成像的能力，近年来越来越多的应用于生物医药领域。传统的SRS显微镜是基于两个高斯光束同时激发样品以产生SRS信号的原理，高斯光束的紧密聚焦特性使其能够实现高的横向和轴向空间分辨率。然而，高斯光束的聚焦状态受到它所通过的散射介质的极大影响。即使是通过一段薄薄的散射介质，高斯光束的焦点也会被扩大或完全破坏掉，这将大大影响SRS图像的质量，甚至使其无法成像。因此，基于高斯光束的SRS很难对散射组织中的化学组分进行成像。贝塞尔光束作为一种非衍射光束，具有自重构特性，在传输中遇到散射障碍时可以在障碍物后重新聚焦。贝塞尔光束的自重构特性在基于光子学的生物医学成像应用中取得了巨大的突破，因此我们希望将贝塞尔光束引入SRS显微成像术以解决散射组织中的化学组分的成像问题。

内容简介

在前期工作中，实不同折射率的微球，结合改变微球的位置、数量、大小来模拟不同程度的散射体。为了逼近真实生物组织，本文选择了基于折射率湍流的分形模型生成散射组织，探讨在这种情况下贝塞尔光激发的SRS信号情况。首先，基于折射率湍流的分形模型生成散射组织，并结合光束传输方法建立分形传播方法仿真光在组织中的传输状态；其次，通过整合SRS信号生成理论和分形传播方法，建立基于贝塞尔光的SRS信号生成理论模型；再次，讨论了分形模型参数对信号产生的影响，包括分型维数和最大截止长度；最后，对含有化学组分的散射组织进行建模，利用建立的SRS信号生成理论模型计算散射组织中SRS信号的生成情况，并与高斯光束产生的信号进行比较。结果表明，尽管不同模型参数对SRS信号的产生有较大的影响，但基于贝塞尔光束的SRS显微术可以在更深的散射组织中产生信号。本文从理论和数值仿真角度上证明了基于贝塞尔光束的SRS显微镜在散射组织中化学组分成像中的潜力，为后续研究提供了理论指导。

图文导读

1.匀质介质和散射组织中SRS信号的生成

图1：在匀质介质和散射组织中基于贝塞尔光束的SRS信号生成。 （a）在匀质介质中传输的pump，Stokes和激发的SRS信号的的纵向分布和（b）沿z方向两束光束的光强波动曲线。 （c）匀质介质中SRS信号强度的纵向和（e）横截面分布； （d）散射组织中SRS信号强度的纵向和（f）横截面分布。在z ＝ 35、70、105、140、175、210、245和280μm的轴向位置处提取横截面图像。 （g）沿z方向SRS信号对应的强度。

在均质介质和散射组织中，SRS信号强度都有一定程度的波动，尤其是在较大深度。在散射组织中，SRS信号所能产生的最大深度比均质介质中的略小，但SRS信号强度却小得多。在均匀介质中，SRS信号强度在100微米的深度内保持稳定的激发，然后信号强度会有波动，幅度会逐渐增加，直到增加到最大值，然后迅速减少到消失。相反，在散射组织中，SRS信号强度不能保持恒定：从SRS信号的产生开始，其强度在很短的深度内几乎是线性衰减的；随后，与均匀介质中SRS信号波动相似，直到信号消失，但信号强度比在均匀介质中产生的SRS信号要低很多。仿真结果显示，在散射组织中，由于散射体的存在，SRS信号的强度衰减得更快。

2.分形维数对激发SRS信号的影响

图2：分形维数对激发SRS信号影响的仿真结果。 （a）SRS信号强度的纵向分布； （b）SRS信号强度的横截面分布； （c）沿z方向的纵向强度的曲线图； （d）衰减率与分形维数的关系。

从纵向和横截面强度分布图，我们发现随着分形维数的增加，SRS信号的强度逐渐降低。同时，这种信号强度降低的程度在不同深度处是不同的。这表明分形维数对SRS信号生成的影响是与化学物质所处的深度有关。通过衰减率的计算发现，在所有深度，衰减率都随着分形维数的增加而增加。然而，在更深层的深度位置，衰减率的增长率下降。

3.最大截止长度对激发SRS信号的影响

图3：最大截止长度对SRS信号激发影响的仿真结果。 （a）SRS信号强度的纵向分布； （b）SRS信号强度的横截面分布； （c）沿z方向的纵向强度的曲线图； （d）衰减率与最大截止长度的关系。

信号强度会随着最大截止长度的增加以及组织深度的增加而降低。且信号的衰减率与最大截止长度和所研究的深度有关。随着最大截止长度的增加，SRS信号的强度降低的衰减率在不同深度处不同。与图2结果对比，随着最大截止长度的增加而导致的SRS信号的衰减率要大于随着分形维数的增加而产生的衰减率。这表明最大截止长度对SRS信号的激发有更大的影响。

4.基于贝塞尔光和高斯光的SRS显微镜在散射组织中的成像能力比较

图4：基于贝塞尔光束和高斯光束的SRS显微成像对散射组织中目标化学物质的成像比较。 （a）在不同的y位置沿z方向的SRS信号强度的纵向分布； （b）不同z位置上SRS信号强度的横截面分布； （c）沿z方向的SRS信号强度的纵向分布； （d）以激发样本中心为中心提取的SRS信号强度的剖面图； （e）在强度最高的位置提取的SRS信号强度的剖面图。

首先，与高斯光束相比，贝塞尔光束的激发距离更长，并在目标化学物的整个长度上保持更稳定的激发。其次，贝塞尔光束激发的SRS信号的强度比高斯光束产生的信号更强。第三，在高斯光束的激发下，最高的SRS信号强度并不在目标化学品的中心，而是略微向浅层位置移动。高斯光束激发的SRS信号的最大强度是贝塞尔光束激发的信号的50%左右。这个仿真结果表明，散射组织对聚焦的高斯光束有更大的影响。换句话说，贝塞尔光束在散射组织中具有更强的穿透能力。总的来说，基于贝塞尔光束的SRS在散射组织中对目标化学品成像有更好的应用潜力。

通讯作者简介

陈雪利，西安电子科技大学华山学者“特聘教授”、博士生导师，先进医学影像教师党支部书记，生物医学成像学科方向负责人，入选陕西省杰青、陕西省“特支计划”青年拔尖人才等，兼任陕西省生物医学工程学会理事、中国医药生物技术协会造影技术分会委员等，Frontiers in Oncology/Pharmacology客座副主编、Artificial Intelligence in Medical Imaging主编。近年来主要从事生物医学光子学与分子影像研究，主持国家重点研发计划课题、国科金重大科研仪器研制项目子课题、国科金面上项目、霍英东青年教师基金、陕西省杰青等项目。近五年以第一或通讯作者在Nat Commun(一作)等发表SCI论文30余篇，英文专著章节2篇；授权美国专利2项，中国发明专利10项，应用2项；以第一完成人获陕西省自然科学二等奖和陕西高校科学技术一等奖。