邢計(jì)元　馬英翔　焦運(yùn)良

摘 要

光聲成像技術(shù)是綜合光學(xué)成像和超聲成像兩方面成像理論的無(wú)損成像技術(shù)，當(dāng)下在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。實(shí)驗(yàn)搭建了一個(gè)后向模式的聚焦光聲成像系統(tǒng)，通過(guò)蒙特卡洛模擬仿真了在生物組織中準(zhǔn)直激光的傳播現(xiàn)象，反映了激光照射生物組織后光子在組織中的具體分布情況，有利于我們更好的認(rèn)識(shí)光聲成像，對(duì)相關(guān)的光聲實(shí)驗(yàn)有很大的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞

光聲成像;生物醫(yī)學(xué)成像;蒙特卡洛模擬;成像系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： R445 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.17

0 引言

光聲效應(yīng)是在1880年貝爾首次發(fā)現(xiàn)并報(bào)道[1]，光聲技術(shù)發(fā)展的初始時(shí)期初步把光聲技術(shù)應(yīng)用在氣體分析中。到20世紀(jì)光聲效應(yīng)被嘗試用于醫(yī)學(xué)成像，傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)成像有X射線斷層掃描技術(shù)、正電子發(fā)射層析技術(shù)、核磁共振成像、超聲成像、光學(xué)相干層析成像等等[2]，在這些傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)中，一直存在著各種缺陷，比如X射線在人體上很可能增加癌變幾率，正電子發(fā)射層析技術(shù)空間分辨率太低，圖像重建時(shí)間比較長(zhǎng)等問(wèn)題，這樣一來(lái)人們開(kāi)始探索一種新的從有創(chuàng)檢測(cè)走向以信息為依據(jù)的無(wú)損檢測(cè)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，也就誕生了我們所研究的光聲成像技術(shù)[3]。

1 光聲成像技術(shù)基本原理

這里簡(jiǎn)短給出光聲成像的基本方程。當(dāng)激光照射到待測(cè)生物組織上時(shí)，式（1）是光聲成像中熱方程的表達(dá)式。

在上述公式中r為三維空間中的位置矢量，ρ表征待測(cè)組織的密度，t代表時(shí)間，λ表征生物組織的熱傳導(dǎo)率，函數(shù)T表征生物組織吸收熱量后溫度的升高，C表征生物組織的比熱，函數(shù)H表征著待測(cè)生物組織所吸收的熱量[4]。

在生物組織吸收熱量后，體積膨脹發(fā)生變化，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)聲場(chǎng)，當(dāng)聲場(chǎng)因時(shí)間的變化而產(chǎn)生相應(yīng)改變時(shí)，將會(huì)形成相應(yīng)的聲波，由此我們能夠得到光聲信號(hào)中的聲場(chǎng)運(yùn)動(dòng)方程，將其與擴(kuò)散方程和熱方程的表達(dá)式聯(lián)立可得：

而式（2）右側(cè)的熱函數(shù)H也可以用三維空間的電磁吸收分布函數(shù)A與以時(shí)間為自變量的照射脈沖能量函數(shù)I的積來(lái)表示[4]，由此可得式（3）：

我們把式（3）作為光聲成像的基本方程。在這里假設(shè)照射脈沖I是δ函數(shù)，并且定義脈沖發(fā)射時(shí)間為時(shí)間零點(diǎn)，再假設(shè)c是常數(shù)就可以得到上述光聲基本方程的解[8]：

式（4）就是理想情況下的光聲信號(hào)的解析式。

2 光聲成像系統(tǒng)搭建

本文搭建了基于后向模型的聚焦圓周掃描探測(cè)成像系統(tǒng)[6]，系統(tǒng)需要的硬件有：CW激光器、函數(shù)發(fā)生器、示波器、位移平臺(tái)、聚焦超聲換能器、光纖準(zhǔn)直器、數(shù)據(jù)采集卡、放大器以及計(jì)算機(jī)。整個(gè)光聲成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理如下：本實(shí)驗(yàn)所用函數(shù)發(fā)生器的兩個(gè)通道分別產(chǎn)生一個(gè)調(diào)制波形和一個(gè)脈沖信號(hào)波形，前者用于調(diào)制激光幅值后送入數(shù)據(jù)采集卡，后者用于給自身和數(shù)據(jù)采集卡一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，來(lái)確保系統(tǒng)同步進(jìn)行;被調(diào)制后的激光在準(zhǔn)直后被送至生物組織表面，激光在生物組織內(nèi)部吸收后，受熱發(fā)生體積變化，從而產(chǎn)生超聲波，之后超聲波經(jīng)過(guò)傳感器，由聲信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)[7];由于傳感器出來(lái)的電信號(hào)很小，因此系統(tǒng)中需要用放大器將其信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)再用數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，采集的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的重建算法就可以重建出生物組織斷層圖像[8]。

3 計(jì)算機(jī)仿真與結(jié)果

本文使用了蒙特卡洛模擬[5]，仿真了半徑為0.01cm的表皮下血管以及光子垂直入射組織中光子的分布情況，圖1是用808nm紅光垂直照射該復(fù)雜組織后得到界面的光能流率，我們能夠看到在圖1中，當(dāng)大量光子以90°穿過(guò)組織樣本表面時(shí)，光子經(jīng)過(guò)反射、散射和折射后的分布規(guī)律。可以明顯看到當(dāng)光子在組織深度越大的地方，光子的分布就越稀疏;而在中央束軸附近則分布著大量光子，是能量所集中的地方，同樣也是以中央軸為參考，距離越遠(yuǎn)，光子分布越稀疏。

經(jīng)過(guò)上述的蒙特卡洛模擬我們可以知道，使用準(zhǔn)直光束照射生物組織，當(dāng)大量光子進(jìn)入生物組織后，隨著組織的厚度的增加，光子數(shù)會(huì)減小，并且光能量主要集中在中央軸附近，距離中央軸附近越遠(yuǎn)光子數(shù)就會(huì)逐漸減少，這對(duì)于今后相關(guān)的光聲實(shí)驗(yàn)提供了明確的指導(dǎo)。

4 總結(jié)

本文主要做了兩部分工作，一是搭建了基于后向探測(cè)模式的聚焦光聲成像系統(tǒng)，并且總結(jié)分析了光聲成像優(yōu)于超聲成像、核磁共振等其他醫(yī)學(xué)成像的優(yōu)勢(shì)。二是采用蒙特卡洛模擬仿真了準(zhǔn)直激光照射生物組織后光子在組織中的具體分布情況。有利于我們更好的認(rèn)識(shí)光聲成像，并對(duì)后期的相關(guān)光聲實(shí)驗(yàn)有很大的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]Bell AG. On the production and reproduction of sound by light[J].Am J Sci， 1880，20：305-306.

[2]DAMADIAN R. Tumor detection by nuclear magnetic resonance[J].Science，1971，171（3976）：1151-1153.

[3]張建英，李暉，謝文明.光聲成像技術(shù)的最新進(jìn)展[J].中國(guó)光學(xué)， 2011，04（2）：111-117.

[4]線弛，光聲成像的圖像重建算法研究[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2009.

[5]TELENKOV S， MANDELI A， LAHKARI B， et al. ?Frequency-domain photothermoacoustics： Alternative imaging modality of biological tissues[J]. Journal of Applied Physics， 2009， 105（10）：102029.

[6]XU M， WANG L V. Universal back-projetion algonthm for photoacoustic computed tomography[J].Physical Review E，2005，71（1）： 016706.

[7]楊虹.頻率域光聲成像[D].西安：西安電子科技大，2014.

[8]吳丹.生物組織光聲成像[D].南京：南京大學(xué)，2012.