多波長(zhǎng)光聲層析成像技術(shù)用于人體氣管探測(cè)*

溫艷婷 吳 丹 張 靜 郭 丹 熊春燕 遲子惠陳 藝 李 倫 蔣華北

（1）重慶郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶400065；2）成都市第五人民醫(yī)院超聲醫(yī)學(xué)科，成都611130；3）Department of Medical Engineering,University of South Florida,Tampa 33620,USA）

氣管位于頸部正中，可分為頸、胸兩段，頸段氣管短而淺表，是連接咽喉和支氣管的重要通道。氣道或周圍組織病變會(huì)導(dǎo)致氣道狹窄、氣道水腫以及氣管軟化癥等，其癥狀與管腔狹窄程度有關(guān)，精確地評(píng)價(jià)該段氣管狹窄程度，是進(jìn)行支架置入、確定手術(shù)方案的重要參考，也是評(píng)價(jià)患者預(yù)后和治療效果的指標(biāo)之一。常規(guī)的術(shù)前診斷包括計(jì)算機(jī)斷層掃描術(shù)（computer tomo-graphy，CT）［1］、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRⅠ）［2］、超聲（US）［3］和支氣管鏡［4］。CT 作為一種評(píng)估氣管和肺部情況的常規(guī)影像檢查手段，具有良好的時(shí)間和空間分辨力，它不僅可以反映氣管的塌陷情況，同時(shí)也可以反映氣管與鄰近組織的空間關(guān)系以及觀察其鄰近組織（如血管、食管等）有無(wú)異常，但CT掃描存在電離輻射。MRⅠ檢查需在鎮(zhèn)靜或麻醉下進(jìn)行，且掃描時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)MRⅠ的空間分辨力相對(duì)較低［5］。支氣管鏡測(cè)量氣道內(nèi)徑對(duì)氣管鏡介入診療有重要意義，能較精確地測(cè)量氣管橫截面積，但需要在麻醉下進(jìn)行，而且硬性支氣管鏡檢查可能會(huì)導(dǎo)致牙齒、牙齦或者聲帶損傷，支氣管破裂、流血，嚴(yán)重者可致死亡，頸椎活動(dòng)受限的病人禁忌硬性支氣管鏡檢查［6］。研究報(bào)道，通過(guò)在吸氣末和呼氣末進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)MRⅠ掃描，可以作為一種潛在替代支氣管鏡檢查的方法，該方法需要患者良好的配合，因此通常僅適用于8歲以上的兒童。近年來(lái)，超聲作為評(píng)估氣管的新型檢測(cè)手段［7］，具有無(wú)創(chuàng)、無(wú)電離輻射、無(wú)需麻醉的優(yōu)勢(shì)，但超聲由于氣體散射的影響，只能對(duì)氣管左右徑進(jìn)行測(cè)量，難以顯示氣管壁的完整結(jié)構(gòu)及腔內(nèi)情況。

光 聲 層 析 成 像 技 術(shù) （photoacoustic tomography，PAT）是近年興起的一種無(wú)創(chuàng)、無(wú)電離輻射的快捷成像方法，已用于人體多臟器組織結(jié)構(gòu)的成像。本文首先對(duì)PAT成像的基本理論進(jìn)行介紹，然后對(duì)人體頸段氣管的PAT 成像系統(tǒng)進(jìn)行描述，最后使用該系統(tǒng)對(duì)正常人體氣管進(jìn)行探索式成像實(shí)驗(yàn)，初步探索多波長(zhǎng)PAT對(duì)氣管結(jié)構(gòu)和功能的成像效能。

1 光聲層析成像理論

PAT原理是當(dāng)短脈沖（ns量級(jí)）激光照射生物組織后，組織中具有強(qiáng)光學(xué)吸收特性的吸收體（如血紅蛋白、黑色素、油脂等）吸收一定的光能量之后，引起吸收體局部升溫和膨脹；吸收體體積的膨脹會(huì)擠壓周圍的組織產(chǎn)生局部的壓力波，從而產(chǎn)生超聲（光聲）信號(hào)［8］。光聲信號(hào)被放置在探測(cè)物周圍的超聲探測(cè)器接收，再經(jīng)過(guò)信號(hào)放大、轉(zhuǎn)換、采集，實(shí)現(xiàn)圖像重建。由于不同生理狀態(tài)下的生物組織對(duì)光的吸收不同，光聲圖像同時(shí)也反映了組織代謝的差異和病變特征。PAT有機(jī)結(jié)合了光學(xué)成像的高對(duì)比度和聲學(xué)成像大穿透深度的優(yōu)勢(shì)，從而提供深層組織的高分辨率和高對(duì)比度的組織成像，實(shí)現(xiàn)跨分子、細(xì)胞、組織和器官多個(gè)尺度的成像，并在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景［9-10］。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本研究采用自主搭建的PAT系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)［11-13］（圖1）。該系統(tǒng)采用Nd：YAG pumped optical parametric oscillator 激光器（Surelite，Continuum，CA），可以發(fā)射波長(zhǎng)680～960 nm的激光脈沖，脈寬為6～7 ns，激光重復(fù)頻率為20 Hz，激光能量260 mJ。光聲信號(hào)被5 MHz中心頻率的雙曲型（兩個(gè)1/4 環(huán)形組成的半環(huán)形）陣列超聲換能器（128陣元的線性陣列，聚焦長(zhǎng)度40 mm）所接收，換能器探頭晶元間隔角度1.2°，探頭晶元尺寸0.95 mm；接收到的光聲信號(hào)被前置放大器放大后，再被64通道的數(shù)據(jù)采集卡采集（型號(hào)5105，12 bit 采樣進(jìn)度，采樣頻率100 MHz）。采集過(guò)程中對(duì)信號(hào)進(jìn)行多路復(fù)用，并通過(guò)Labview面板實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)成像，實(shí)驗(yàn)過(guò)后通過(guò)Matlab 軟件對(duì)于原始數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像后處理。

Fig.1 Schematic of the PAT system for human cervical trachea imaging

2.2 研究對(duì)象

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)對(duì)人體頸段氣管的檢測(cè)效能，本次實(shí)驗(yàn)選取健康志愿者7名，年齡28～39歲，平均年齡33.5歲。志愿者無(wú)頸前區(qū)皮膚色素沉著及疤痕，頸椎活動(dòng)自如；有呼吸系統(tǒng)疾病、頸部手術(shù)史予以排除。每位志愿者簽署知情同意書。志愿者招募來(lái)自成都市第五人民醫(yī)院，該實(shí)驗(yàn)已通過(guò)成都市第五人民醫(yī)院倫理委員會(huì)所制定的倫理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。人體氣管標(biāo)本來(lái)源于成都市中醫(yī)藥大學(xué)解剖實(shí)驗(yàn)室。

2.3 數(shù)據(jù)采集、PAT圖像重建及處理

志愿者仰臥位、頭放正中，頸部自然伸展，先使用超聲對(duì)頸部氣管中段進(jìn)行定位，再光纖以30°角出光照射頸前區(qū)同一水平位置，超聲換能器浸入至水囊中，并緊貼光照射區(qū)域的皮膚。PAT成像基礎(chǔ)與生物組織內(nèi)源性造影劑分布有關(guān)，不同波長(zhǎng)的光照射會(huì)呈現(xiàn)不同的光學(xué)成像特性［14］。本研究的光聲成像系統(tǒng)可激勵(lì)的脈沖波波長(zhǎng)范圍為680～960 nm，基于頸前區(qū)及氣管組織中內(nèi)源性造影劑（含氧、脫氧血紅蛋白，水等）的分布（圖2），根據(jù)不同內(nèi)源性造影劑的光吸收峰［14］，選取760、840、910 nm三段波長(zhǎng)進(jìn)行光照射。從用力呼氣末（保持在呼氣末狀態(tài)）至用力吸氣末（保持在吸氣末狀態(tài)）的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行照射，分別采集三段波長(zhǎng)照射的圖像并存圖，使用Matlab R2017b 進(jìn)行圖像重建和處理，采用延遲疊加算法對(duì)光聲采集數(shù)據(jù)進(jìn)行快速圖像重建［11，15］。測(cè)量不同波長(zhǎng)下頸段氣管中段的前后徑及左右徑（內(nèi)側(cè)緣到對(duì)側(cè)的內(nèi)側(cè)緣），重復(fù)測(cè)量3 次取平均值。所有測(cè)量均由同一位影像學(xué)醫(yī)師完成。

Fig.2 Schematic of endogenous tissue chromophores in human cervical trachea

2.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 22.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，計(jì)數(shù)資料采用x±s表示。組間兩兩比較，采用方差分析。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 PAT對(duì)氣管的結(jié)構(gòu)成像

通過(guò)PAT在7名志愿者氣管的圖像重建，能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀察人體氣管位置（正?；蛞莆唬娠@示一個(gè)位于頸部正中的類圓形管腔結(jié)構(gòu)，管徑隨呼吸動(dòng)態(tài)變化，證實(shí)該處為氣管。PAT可顯示氣管壁的微結(jié)構(gòu)，如黏膜層較薄、呈環(huán)狀高強(qiáng)度光聲信號(hào)；氣管軟骨成C形高強(qiáng)度光聲信號(hào)；黏膜下層和外膜較厚、呈中等強(qiáng)度光聲信號(hào)；氣管周圍脂肪組織成暗帶樣低強(qiáng)度光聲信號(hào)（圖3、4）。同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)PAT對(duì)氣管軟骨間隙層面的顯示優(yōu)于對(duì)氣管軟骨層面的顯示，7名志愿者的氣管PAT重建圖像均表現(xiàn)為上述相似的圖像特征。另外，本研究將志愿者氣管PAT重建圖像與人體氣管解剖標(biāo)本圖做對(duì)比參考，顯示氣管與周圍器官組織的空間關(guān)系，以及不同層面氣管壁結(jié)構(gòu)差異。

Fig.3 Comparison between PAT in vivo and anatomical specimens of cervical trachea on the inter-cartilage plane

Fig.4 Comparison between PAT in vivo and anatomical specimens of cervical trachea on the cartilage rings plane

3.2 多波長(zhǎng)PAT對(duì)氣管內(nèi)腔的重建圖像結(jié)果

同一光照射水平，同一呼吸時(shí)相，7名志愿者頸段氣管的左右徑均值略大于其前后徑均值（表1）。觀察不同層面的氣管內(nèi)腔隨著呼吸波動(dòng)而發(fā)生的變化規(guī)律：用力吸氣時(shí)氣管內(nèi)腔橫截面積變大，用力呼氣時(shí)變?。▓D5）。平靜呼吸時(shí)氣管左右徑、前后徑測(cè)值，不同波長(zhǎng)組間的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

3.3 多波長(zhǎng)PAT對(duì)氣管壁的重建圖像結(jié)果

7名志愿者均在910 nm波長(zhǎng)光照射時(shí)顯示更好的穿透力和圖像對(duì)比度（圖6），表現(xiàn)為在910 nm時(shí)氣管膜部結(jié)構(gòu)成像更加清晰，與氣管壁的膠原蛋白、纖維蛋白含量有關(guān)，上述內(nèi)源性造影劑在910 nm存在吸收峰［14］。本研究中1、2、3、4、6、7 號(hào)志愿者氣管PAT 重建圖像類似，而5 號(hào)志愿者曾臨床診斷為橋本氏甲狀腺炎（圖7），該病特征表現(xiàn)為甲狀腺體積增大，尤其是氣管前方的甲狀腺峽部增厚，甲狀腺腺體內(nèi)血供明顯增加［16］，PAT在840 nm 波長(zhǎng)時(shí)對(duì)內(nèi)源性造影劑，如含氧血紅蛋白及脫氧血紅蛋白吸收系數(shù)高［14］，該病理基礎(chǔ)導(dǎo)致光照射在氣管前方的甲狀腺峽部時(shí)被大量吸收，而到達(dá)峽部后方的氣管的光照射較少。因此該志愿者在910 nm 波長(zhǎng)光照射時(shí)，氣管壁內(nèi)結(jié)構(gòu)顯示明顯優(yōu)于840 nm 波長(zhǎng)。橋本氏甲狀腺炎時(shí)，供應(yīng)甲狀腺的甲狀腺上動(dòng)脈內(nèi)徑明顯增寬、血流速度明顯增高，甲狀腺內(nèi)動(dòng)脈血流供應(yīng)增加，動(dòng)脈內(nèi)含氧血紅蛋白含量多，故甲狀腺內(nèi)含氧血紅蛋白分布明顯增多；而含氧血紅蛋白在波長(zhǎng)840 nm 的吸收系數(shù)高于760 nm，該病理基礎(chǔ)及成像原理導(dǎo)致在波長(zhǎng)840 nm 時(shí)大量的光信號(hào)被甲狀腺吸收，在該波長(zhǎng)照射時(shí)后方氣管圖像較波長(zhǎng)760 nm分辨率差。

Table 1 Multi-wavelength PAT parameters of the cervical trachea（xˉ±s）

Fig.5 PAT images of cervical trachea at different phases of a respiratory cycle

Fig.6 Multi-wavelength PAT images of cervical trachea

3.4 結(jié)果分析

本研究表明，PAT可實(shí)現(xiàn)以下氣管結(jié)構(gòu)及功能評(píng)估：a.實(shí)時(shí)顯示頸段氣管位置，是否存在移位；b.PAT對(duì)氣管壁內(nèi)的結(jié)構(gòu)層次顯示優(yōu)于其他影像學(xué)檢查，可顯示氣管壁結(jié)構(gòu)，而UC、CT 及MRⅠ均不能較好地分辨氣管壁層次結(jié)構(gòu)；c.PAT 可顯示“C”形軟骨環(huán)，并以此區(qū)分不同的氣管層面，包括氣管軟骨層面和軟骨間隙層面；d.PAT可提供氣管結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)，且測(cè)量結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道的人體氣管參數(shù)基本一致［17-18］；e.PAT可動(dòng)態(tài)觀察氣管形態(tài)的變化，深吸氣時(shí)，氣道橫截面積逐漸增大；深呼氣時(shí)，氣道橫截面積逐漸變小，與支氣管鏡、CT報(bào)道的結(jié)果一致［18-19］。因此，PAT可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示不同呼吸相的氣管壁和管腔整體情況，可有望成為熒光鏡和纖維支氣管鏡等侵入性檢查的替代手段，成為一種便捷快速的評(píng)估氣管軟化、過(guò)度動(dòng)態(tài)塌陷的成像方式。

Fig.7 Multi-wavelength PAT images of trachea from a Hashimoto’s thyroiditis volunteer

氣管前方由皮膚、皮下組織、淺筋膜、頸闊肌和甲狀腺峽部覆蓋。在淺筋膜和頸闊肌之間有許多小靜脈匯入頸前靜脈，在氣管與頸筋膜氣管前層之間有甲狀腺奇靜脈叢及甲狀腺最下動(dòng)脈。因此，氣管前方組織含有大量的血紅蛋白。本研究結(jié)果顯示，在波長(zhǎng)840 nm 時(shí)氣管前方光聲信號(hào)強(qiáng)度較波長(zhǎng)760 nm、910 nm 高，分析與含氧血紅蛋白及脫氧血紅蛋白在波長(zhǎng)840 nm時(shí)存在吸收峰有關(guān)。

氣管管壁分為黏膜、黏膜下層和外膜三層。黏膜層分為上皮和固有層；黏膜下層為疏松結(jié)締組織，與固有膜和外膜無(wú)明顯界線，內(nèi)有較多混合性腺，含血管、淋巴管及神經(jīng)；外膜為疏松結(jié)締組織，較厚，主要有16～20個(gè)“C”形透明軟骨環(huán)構(gòu)成管壁支架，軟骨環(huán)之間由纖維組成的膜狀韌帶連接，使氣管保持通暢并有一定的彈性；軟骨環(huán)的缺口朝向氣管后壁，缺口處有彈性纖維組成的韌帶和平滑肌束，又稱為氣管膜部，該處富含彈性纖維，使氣管組織具有黏彈性。氣管內(nèi)壁在PAT成像時(shí)表現(xiàn)為氣管腔內(nèi)信號(hào)強(qiáng)弱不等、分布不均的光吸收信號(hào)，分析與氣管內(nèi)壁纖毛及附著不同程度的黏液有關(guān)。氣管黏膜層表現(xiàn)為環(huán)狀高信號(hào)，與黏膜深層的固有膜富含彈力纖維、膠原纖維有關(guān)；氣管軟骨亦表現(xiàn)為較強(qiáng)信號(hào)，分析其成像基礎(chǔ)為軟骨內(nèi)含豐富ⅠⅠ型膠原蛋白聚集［20］，而上述組織內(nèi)的彈性蛋白、膠原蛋白作為內(nèi)源性色素團(tuán)，其光吸收系數(shù)的波長(zhǎng)范圍在900～1 300 nm，本研究表明波長(zhǎng)910 nm對(duì)氣管黏膜層及氣管軟骨顯示的清晰度與對(duì)比度最佳。黏膜下層為疏松結(jié)締組織，內(nèi)源性造影劑含量相對(duì)較少，呈中等強(qiáng)度信號(hào)。氣管膜部氣管周圍的脂肪組織光吸收最少，呈帶狀低強(qiáng)度信號(hào)區(qū)。

另外，文獻(xiàn)報(bào)道在良性氣管狹窄時(shí)，由于氣管內(nèi)壁局部壞死炎癥反應(yīng)，引起新生血管形成、膠原蛋白纖維合成增多［21］，而血管內(nèi)的血紅蛋白和組織中的膠原蛋白作為PAT內(nèi)源性造影劑，推測(cè)PAT能在氣道狹窄時(shí)顯示更強(qiáng)的光聲信號(hào)，同時(shí)利用多光譜定量光聲圖像重建算法，可獲取生物組織中血紅蛋白、膠原蛋白等定量參數(shù)，因此PAT有望成為評(píng)估良性氣道狹窄修復(fù)過(guò)程的新手段。

4 結(jié) 論

本研究證實(shí)，PAT 可用于人體氣管的結(jié)構(gòu)成像。根據(jù)氣管組織的內(nèi)源性造影劑的組成，選擇適合波長(zhǎng)的脈沖波進(jìn)行照射，可顯示氣管的位置、壁結(jié)構(gòu)，并可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀察管腔的呼吸相變化，為氣管無(wú)創(chuàng)、快速評(píng)估提供一種新型檢查手段。但本研究樣本量較少，未納入氣道相關(guān)病例的研究，還需進(jìn)一步探索PAT在良性氣道狹窄、氣道相關(guān)疾病的診斷效能，如通過(guò)多光譜算法可進(jìn)一步獲取氣管壁不同組織成分含量的定量參數(shù)，評(píng)估氣管功能變化。因此，隨著光聲平臺(tái)與算法的不斷提升，PAT有望成為一種全面評(píng)估氣管功能和結(jié)構(gòu)的新技術(shù)。