黃弘韜　曾兵　段佳明　黃文峰

摘 要：光聲成像是近年發(fā)展起來的一種新型的無損的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，能夠高靈敏度地提取血紅蛋白、黑色素和脂質(zhì)體等各類色素組織的信息，為評(píng)估機(jī)體的生理病理狀態(tài)提供了一種嶄新的手段。同時(shí)結(jié)合了超聲成像的高穿透特性，以及光學(xué)成像的高對(duì)比度特性，可以得到高分辨率和高對(duì)比度的組織圖像。

關(guān)鍵詞：光聲成像；高分辨率；高對(duì)比度

1 概述

光聲成像主要實(shí)驗(yàn)方法是利用短脈沖激光照射生物組織，使組織受熱膨脹，于是產(chǎn)生超聲波，利用超聲換能器采集聲波，從而反演出生物組織內(nèi)部光吸收分布情況，從而重建出目標(biāo)組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)。光聲成像作為一種高對(duì)比度、高分辨率的無損檢測(cè)技術(shù)，在腫瘤的早期診斷及應(yīng)用研究方面潛力巨大并已取得一定進(jìn)展，生物醫(yī)學(xué)界寄予了廣泛關(guān)注。

2 光聲成像的原理

理解光聲成像原理我們首先要了解光聲效應(yīng)。光聲效應(yīng)指的是當(dāng)物質(zhì)受到周期性強(qiáng)度調(diào)制的光照射時(shí)，產(chǎn)生聲信號(hào)的現(xiàn)象。用光照射某種物質(zhì)時(shí)，由于物質(zhì)對(duì)光的吸收會(huì)使其內(nèi)部的溫度變化從而引起媒質(zhì)內(nèi)某些區(qū)域結(jié)構(gòu)和體積變化；當(dāng)采用脈沖光源或調(diào)制光源時(shí)，媒質(zhì)溫度的升降會(huì)引起媒質(zhì)的體積漲縮，因而可以向外輻射聲波。這種現(xiàn)象稱為光聲效應(yīng)。

光聲成像作為一種新的醫(yī)學(xué)成像方法，既具有光學(xué)成像的高對(duì)比度特性，又具有超聲成像的高穿透特性。它以短脈沖激光為激勵(lì)源，光聲信號(hào)為生物組織信息的載體，由于熱彈性效應(yīng)，組織受熱膨脹產(chǎn)生瞬時(shí)應(yīng)力（壓力）不同生物組織對(duì)不同波長(zhǎng)的激光的吸收系數(shù)不同，生物組織受照射后反射不同強(qiáng)度的超聲波，釋放攜帶光吸收特性的寬帶超聲信號(hào)（光聲信號(hào)）。通過探測(cè)上述光聲信號(hào)，即可獲得生物體的光學(xué)吸收特性，從而提取機(jī)體的生理病理信息，這就是光聲成像基本原理，如圖所示。

光聲成像技術(shù)將光學(xué)成像技術(shù)和超聲成像技術(shù)有效地結(jié)合起來，因此光聲成像技術(shù)比光學(xué)成像技術(shù)更好的穿透性，比超聲成像更高的圖像分辨率，腫瘤在生長(zhǎng)時(shí)期，周圍的微血管往往會(huì)大量地增生，而血管中的紅血球細(xì)胞對(duì)光的吸收系數(shù)較高，于是血管產(chǎn)生的光聲信號(hào)強(qiáng)度也遠(yuǎn)比其他正常組織高。因此光聲成像在腫瘤的早期檢測(cè)中獲得了廣泛應(yīng)用，對(duì)深入研究血液微循環(huán)系統(tǒng)意義重大。

由于不同的生物組織對(duì)激光的吸收系數(shù)不同，因而他們吸收的光能量大小也不同。在均勻的入射光照射下，不同的生物組織產(chǎn)生的光聲信號(hào)的強(qiáng)度也是不一樣的。這些信號(hào)是生物組織內(nèi)部信息的反映，包含著生物組織內(nèi)部的成分、結(jié)構(gòu)等信息，基于生物組織內(nèi)部的光學(xué)吸收系數(shù)分布，就可以獲得組織內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)、病理信息等。通過一定的方法對(duì)光聲信號(hào)進(jìn)行采集、處理，并重建出組織結(jié)構(gòu)圖形，結(jié)合生物組織中光學(xué)吸收系數(shù)的分布，可以定量分析組織結(jié)構(gòu)的變化情況，即對(duì)生物組織進(jìn)行功能成像，反映了組織內(nèi)部微小的病變、血紅蛋白濃度、血氧濃度等重要參數(shù)。

3 基于非聚焦單陣元探測(cè)器的光聲成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光聲斷層成像系統(tǒng)采用非聚焦激光照射樣品，并采用非聚焦超聲換能器檢測(cè)被樣品照射區(qū)域周圍的光聲信號(hào)，從檢到的光聲信號(hào)，反演出成像區(qū)域生物組織的光吸收系數(shù)的空間分布，并且由此繪制組織被照射區(qū)域的光聲圖像。一般在光聲斷層成像的實(shí)驗(yàn)研究中，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)的復(fù)雜程，減少實(shí)驗(yàn)成本，提高實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性，往往采用一個(gè)超聲換能器對(duì)生物組織進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描。

美國(guó)圣路易斯華盛頓大學(xué)的Li Hong V Wang在2003年時(shí)帶領(lǐng)研究小組利用非聚焦的單陣元超聲換能器對(duì)小鼠大腦進(jìn)行光聲斷層成像，實(shí)現(xiàn)了對(duì)老鼠大腦皮層的高對(duì)比度成像，對(duì)大鼠腦部進(jìn)行光聲斷層成像，血管成像結(jié)果與腦部解剖結(jié)果十分吻合。隨后各式各樣的單探頭掃描實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用于小鼠的腫瘤生長(zhǎng)、血管變化和外圍關(guān)節(jié)成像。使用單陣元非聚焦超聲換能器采集光聲信號(hào)，對(duì)于每次采集到的距離換能器不同半徑弧的光聲信號(hào)光聲信號(hào)，需對(duì)其求積分。因此不能采集單一方向的光聲信號(hào)，需要圍繞生物組織旋轉(zhuǎn)換能器，采集樣品各個(gè)方向的光聲信號(hào)，最終通過數(shù)值計(jì)算模擬出光聲圖像。該實(shí)驗(yàn)裝置由于只需一個(gè)超聲換能器，信號(hào)采集電路比較簡(jiǎn)單，成本較低。但由于加入了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)超聲換能器，實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)變得相對(duì)復(fù)雜，采集數(shù)據(jù)時(shí)間稍長(zhǎng)，而且引入了機(jī)械振動(dòng)誤差，成像結(jié)果受機(jī)械硬件影響較大。于是發(fā)展出陣列圓形掃描系統(tǒng)，采用這種方式的系統(tǒng)采集多個(gè)通道的光聲數(shù)據(jù)?？梢杂行У販p少信號(hào)采集時(shí)間，因此這種采集方式被大多數(shù)實(shí)驗(yàn)者采用。Lihong V·Wang等首次用512個(gè)陣列的環(huán)形探頭實(shí)現(xiàn)了高分辨率的大腦血管實(shí)時(shí)成像，并對(duì)小鼠腦中的光聲造影劑進(jìn)行了監(jiān)控。V·Ntziachristos等也用64個(gè)陣元組成180°圓弧對(duì)小老鼠的腹部、胸部和心臟進(jìn)成像，它的動(dòng)態(tài)圖像幀頻能達(dá)到10Hz。

4 結(jié)束語

光聲成像作為兼具光學(xué)與超聲成像優(yōu)勢(shì)的一種新型無創(chuàng)的生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，既具備光學(xué)高靈敏功能與分子成像的優(yōu)勢(shì)，可診斷識(shí)別早期腫瘤病變，又具對(duì)數(shù)厘米深的生物組織進(jìn)行高分辨成像的特點(diǎn)，近年來在國(guó)際上獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

作為新出現(xiàn)的生物醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，光聲成像對(duì)生物組織結(jié)構(gòu)和功能成像具有指導(dǎo)意義，為研究生物組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理病理特征、代謝功能等提供了重要手段。與傳統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)光學(xué)技術(shù)相比， 光聲成像方法確實(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，為了推動(dòng)光聲成像技術(shù)的發(fā)展，研究人員針對(duì)癌癥、心腦血管病等重大疾病開展了多項(xiàng)臨床研究。該技術(shù)的進(jìn)步，必將對(duì)相關(guān)醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。

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作者簡(jiǎn)介：黃弘韜（1990，6-），男，江蘇人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械電子。