生物醫(yī)學(xué)光聲成像技術(shù)及其進展

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，為評估機體的生理病理狀態(tài)提供了一種嶄新的手段。同時結(jié)合了超聲成像的高穿透特性，以及光學(xué)成像的高對比度特性，可以得到高分辨率和高對比度的組織圖像。

關(guān)鍵詞：光聲成像；高分辨率；高對比度

1 概述

光聲成像主要實驗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比度、高分辨率的無損檢測技術(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)受到周期性強度調(diào)制的光照射時，產(chǎn)生聲信號的現(xiàn)象。用光照射某種物質(zhì)時，由于物質(zhì)對光的吸收會使其內(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，媒質(zhì)溫度的升降會引起媒質(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源，光聲信號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)生瞬時應(yīng)力（壓力）不同生物組織對不同波長的激光的吸收系數(shù)不同，生物組織受照射后反射不同強度的超聲波，釋放攜帶光吸收特性的寬帶超聲信號（光聲信號）。通過探測上述光聲信號，即可獲得生物體的光學(xué)吸收特性，從而提取機體的生理病理信息，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，腫瘤在生長時期，周圍的微血管往往會大量地增生，而血管中的紅血球細(xì)胞對光的吸收系數(shù)較高，于是血管產(chǎn)生的光聲信號強度也遠(yuǎn)比其他正常組織高。因此光聲成像在腫瘤的早期檢測中獲得了廣泛應(yīng)用，對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)生的光聲信號的強度也是不一樣的。這些信號是生物組織內(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。通過一定的方法對光聲信號進行采集、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，即對生物組織進行功能成像，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器的光聲成像系統(tǒng)設(shè)計

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被樣品照射區(qū)域周圍的光聲信號，從檢到的光聲信號，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驗研究中，為了簡化系統(tǒng)的復(fù)雜程，減少實驗成本，提高實驗穩(wěn)定性，往往采用一個超聲換能器對生物組織進行旋轉(zhuǎn)掃描。

美國圣路易斯華盛頓大學(xué)的Li Hong V Wang在2003年時帶領(lǐng)研究小組利用非聚焦的單陣元超聲換能器對小鼠大腦進行光聲斷層成像，實現(xiàn)了對老鼠大腦皮層的高對比度成像，對大鼠腦部進行光聲斷層成像，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驗系統(tǒng)用于小鼠的腫瘤生長、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，對于每次采集到的距離換能器不同半徑弧的光聲信號光聲信號，需對其求積分。因此不能采集單一方向的光聲信號，需要圍繞生物組織旋轉(zhuǎn)換能器，采集樣品各個方向的光聲信號，最終通過數(shù)值計算模擬出光聲圖像。該實驗裝置由于只需一個超聲換能器，信號采集電路比較簡單，成本較低。但由于加入了旋轉(zhuǎn)機構(gòu)旋轉(zhuǎn)超聲換能器，實驗裝置的結(jié)構(gòu)變得相對復(fù)雜，采集數(shù)據(jù)時間稍長，而且引入了機械振動誤差，成像結(jié)果受機械硬件影響較大。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)采集多個通道的光聲數(shù)據(jù)?？梢杂行У販p少信號采集時間，因此這種采集方式被大多數(shù)實驗者采用。Lihong V·Wang等首次用512個陣列的環(huán)形探頭實現(xiàn)了高分辨率的大腦血管實時成像，并對小鼠腦中的光聲造影劑進行了監(jiān)控。V·Ntziachristos等也用64個陣元組成180°圓弧對小老鼠的腹部、胸部和心臟進成像，它的動態(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，可診斷識別早期腫瘤病變，又具對數(shù)厘米深的生物組織進行高分辨成像的特點，近年來在國際上獲得了突飛猛進的發(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， 光聲成像方法確實具有獨特的優(yōu)勢。同時，為了推動光聲成像技術(shù)的發(fā)展，研究人員針對癌癥、心腦血管病等重大疾病開展了多項臨床研究。該技術(shù)的進步，必將對相關(guān)醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。

參考文獻

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作者簡介：黃弘韜（1990，6-），男，江蘇人，碩士研究生，研究方向為機械電子。