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    基于時(shí)域光聲信號(hào)的譜分析技術(shù)及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

    2022-11-24 07:19:36鄭佳欣劉明晴昝克華王藝涵朱守平
    關(guān)鍵詞:光聲譜分析時(shí)域

    鄭佳欣 田 蕊 劉明晴 昝克華 王藝涵 朱守平

    1(西安電子科技大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院,西安 710126)

    2(西安電子科技大學(xué)分子與神經(jīng)影像教育部工程研究中心,西安 710126)

    引言

    時(shí)域光聲信號(hào)譜分析技術(shù)(spectrum analysis of time-domain photoacoustic signal, TPASA)是一種基于光聲效應(yīng),對(duì)目標(biāo)生物組織激發(fā)出的與時(shí)間相關(guān)的光聲信號(hào)數(shù)據(jù)集進(jìn)行處理與分析的檢測(cè)技術(shù),可用于檢測(cè)和診斷。早在1880年,Bell 在通訊實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用快速脈沖調(diào)制光束照射固體物質(zhì)時(shí),物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生與光束相同頻率的聲波,并將此現(xiàn)象命名為光聲效應(yīng)[1]。由于當(dāng)時(shí)光致超聲的研究面臨著理論和技術(shù)上的挑戰(zhàn),所以研究進(jìn)展受到限制。20世紀(jì)中后期激光光源的發(fā)展使得光聲技術(shù)得到重新關(guān)注,并在工業(yè)、大氣、環(huán)境、化學(xué)和生物學(xué)以及醫(yī)學(xué)和臨床分析等方面的應(yīng)用中表現(xiàn)出蓬勃的生命力[2]。雖然光聲技術(shù)在1970年之后已經(jīng)應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,但發(fā)展相對(duì)緩慢。直到20 世紀(jì)最后十年,光散射介質(zhì)或生物組織的光聲效應(yīng)被大量驗(yàn)證,光聲技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用才逐漸興起,并逐漸應(yīng)用于臨床病灶診斷中[3]。

    時(shí)域光聲信號(hào)譜分析技術(shù)是對(duì)經(jīng)熱膨脹產(chǎn)生的聲波信號(hào)進(jìn)行測(cè)量,通過(guò)超聲信號(hào)的強(qiáng)弱來(lái)反映組織的光吸收能力。原則上,光聲信號(hào)的產(chǎn)生可通過(guò)連續(xù)調(diào)制光激發(fā)和脈沖調(diào)制光激發(fā)兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。樣本受到調(diào)制光激發(fā)后,其部分電子從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài),由于分子間的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng),較高能級(jí)的電子發(fā)生碰撞,躍遷至基態(tài)并產(chǎn)生熱輻射。經(jīng)周期性的光激發(fā)使樣本及其周圍介質(zhì)產(chǎn)生周期性熱流,熱脹冷縮引起了樣本晶體的周期性振動(dòng),產(chǎn)生聲信號(hào),即光聲信號(hào)[5]。當(dāng)受到的是脈沖光激發(fā)時(shí),樣本快速絕熱膨脹,產(chǎn)生光聲信號(hào)。生物體成分和尺寸的差異會(huì)導(dǎo)致其光吸收能力的差異,并表現(xiàn)在其產(chǎn)生的光聲信號(hào)中。該信號(hào)被高靈敏超聲探測(cè)器接收,在位置r和時(shí)間t處的聲壓信號(hào)p(r,t)服從波動(dòng)方程[6]:

    式中,c是介質(zhì)中的聲速;βp是熱膨脹系數(shù);cp是流體的比熱容,H(r,t)是熱源函數(shù)。光聲信號(hào)的波動(dòng)方程將吸收熱量、聲速以及壓力波進(jìn)行了關(guān)聯(lián)。對(duì)光聲信號(hào)進(jìn)行不同變換進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)域光聲信號(hào)的譜分析。

    現(xiàn)階段對(duì)時(shí)域光聲信號(hào)譜分析技術(shù)的研究主要集中于光聲光譜分析、光聲頻域譜分析和“光-頻”聯(lián)合譜分析。

    1) 光聲光譜分析反映了不同波長(zhǎng)激發(fā)下生物組織的光吸收能力,即以光波長(zhǎng)為橫坐標(biāo),光聲信號(hào)強(qiáng)度為縱坐標(biāo)。光聲光譜的強(qiáng)度與特定波長(zhǎng)下組織中各生色團(tuán)對(duì)應(yīng)的吸光能力成正比,因此,光聲光譜分析是一種功能信息檢測(cè)手段。在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域,由于病變組織生化特性發(fā)生改變,其組織中生色團(tuán)含量異于正常組織,如腫瘤組織區(qū)域血紅蛋白濃度較高,此時(shí),光聲光譜分析可用于辨別正常和異常組織的特征吸收譜。

    2) 光聲頻域譜分析包括頻譜、功率譜分析,反映了生物組織在特定波長(zhǎng)下與吸收體(生色團(tuán))尺寸相關(guān)的頻率成分信息,即以頻率為橫坐標(biāo),各頻率成分強(qiáng)度為縱坐標(biāo)。從頻域上來(lái)說(shuō),較大尺寸的光吸收體對(duì)應(yīng)著較窄的頻域譜帶寬,而小尺寸的吸收體對(duì)應(yīng)著更寬的帶寬;光吸收體吸收光的能力越強(qiáng),其對(duì)應(yīng)的頻域成分強(qiáng)度也就越強(qiáng)。受超聲頻域譜參數(shù)的啟發(fā),對(duì)光聲頻譜或功率譜進(jìn)行線性擬合,其斜率、截距和中頻帶擬合已被證實(shí)能夠反映被檢測(cè)組織區(qū)域的結(jié)構(gòu)與功能信息。其中,光聲功率譜參數(shù)斜率一般表示高頻分量相對(duì)于低頻分量的大小,斜率值越大表示高頻分量的幅度越大,這取決于吸收體的結(jié)構(gòu)尺寸;截距和中頻擬合分別表示信號(hào)功率譜的零頻率和平均幅度,取決于吸收體的光學(xué)吸收系數(shù)[7]。目前,深度/機(jī)器學(xué)習(xí)及統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法常用于對(duì)頻域譜參數(shù)進(jìn)行分析,通過(guò)比較參數(shù)差異從而區(qū)分正常和異常組織[8-9]。

    3) “光-頻”聯(lián)合譜分析,指將各激發(fā)波長(zhǎng)下的光聲頻域譜按波長(zhǎng)順序排列,即光聲信號(hào)譜在聲頻域和光波長(zhǎng)兩個(gè)維度展開。“光-頻”聯(lián)合譜因其可以同時(shí)監(jiān)測(cè)生物組織中多種分子成分的相對(duì)含量及相應(yīng)結(jié)構(gòu)的不均勻性或混合度,也被稱為物理化學(xué)譜[9]。結(jié)合以上光聲信號(hào)譜提供的不同結(jié)構(gòu)或功能信息,在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究中,可根據(jù)待測(cè)組織樣本的特性選擇一種或多種譜進(jìn)行分析,完成對(duì)生理、病理信息的在體、離體監(jiān)測(cè),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)疾病的早期篩查和診斷。

    時(shí)域光聲信號(hào)譜分析技術(shù)有效地結(jié)合了光學(xué)模態(tài)高對(duì)比度以及超聲模態(tài)在深層組織中具有高分辨率的雙重優(yōu)勢(shì),能夠提供生物組織結(jié)構(gòu)和功能層面的信息。相較于傳統(tǒng)光譜檢測(cè),時(shí)域光聲信號(hào)譜分析技術(shù)在獲取光學(xué)吸收結(jié)構(gòu)信息的同時(shí),不易受限于被測(cè)對(duì)象的形狀和形態(tài),因而對(duì)生物體的組織、體液和呼出氣體的檢測(cè)都適用,普適性極強(qiáng);再者,該技術(shù)不易受組織對(duì)光散射的影響,能夠?qū)ι顚咏M織、體液進(jìn)行分析,通過(guò)利用光聲信號(hào)中各測(cè)量值及其頻譜分量與組織深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,可有效地屏蔽上層組織的影響,直接提取深層組織的信息;此外,該技術(shù)檢測(cè)靈敏度高[10],在生化成分檢測(cè)尤其是血糖、血氧檢測(cè)中優(yōu)勢(shì)明顯。

    與光聲成像相比,利用傳統(tǒng)光聲成像得到的組織體光能吸收密度,并結(jié)合光子輸運(yùn)模型,定量光聲成像可定量地重建深層組織光學(xué)吸收系數(shù)分布[11-12],進(jìn)一步結(jié)合多波長(zhǎng)測(cè)量、成像以及光譜解混重建算法,獲得與組織生理病理相關(guān)的成像區(qū)域內(nèi)各生色團(tuán)濃度分布情況,但二者均需引入圖像重建操作。時(shí)域光聲信號(hào)譜分析技術(shù)強(qiáng)調(diào)對(duì)測(cè)量得到的組織激發(fā)出的光聲信號(hào)直接分析,從而得到吸收體結(jié)構(gòu)和吸收光譜響應(yīng)等定量信息,其無(wú)需經(jīng)過(guò)圖像重建,因此操作簡(jiǎn)單。同時(shí),該技術(shù)還具有無(wú)損檢測(cè)、樣品用量少、便于在體長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)。因此,時(shí)域光聲信號(hào)譜分析技術(shù)作為一種極具價(jià)值的早期疾病診斷工具,在生理、病理學(xué)研究以及診斷方面存在巨大潛力。目前,該技術(shù)已在皮膚鱗癌、骨質(zhì)疏松、血糖檢測(cè)和氨氣-腎功能檢測(cè)等領(lǐng)域取得一定成果[9,13-15]。

    為實(shí)現(xiàn)上述應(yīng)用,基于時(shí)域光聲信號(hào)譜分析技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)正不斷得到完善。目前,市面上該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理相近,但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各異,定型機(jī)較少,其設(shè)備結(jié)構(gòu)主要分為三部分:激發(fā)光源、光聲池和光聲信號(hào)放大與記錄系統(tǒng)[16]。激發(fā)光源一般可分為普通光源和激光光源兩類。近年來(lái)隨著激光器快速發(fā)展,激光光源在光聲實(shí)驗(yàn)中被廣泛應(yīng)用。常采用的激光器可分為脈沖激光器和連續(xù)激光器(見圖1)[17]:脈沖激光器因其產(chǎn)生的脈沖激光峰值功率較大,在對(duì)生物體進(jìn)行檢測(cè)時(shí),可在允許輻射范圍內(nèi)穿透更厚組織,如納秒級(jí)的調(diào)Q 脈沖激光器;采用連續(xù)激光器作為光聲信號(hào)激發(fā)源時(shí),一般需對(duì)激發(fā)光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制,相較于脈沖激光器,其最主要的優(yōu)勢(shì)是價(jià)格便宜。為保證光聲效應(yīng)的熱膨脹過(guò)程是近似的絕熱過(guò)程,調(diào)制周期的時(shí)長(zhǎng)應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)小于組織通過(guò)熱傳導(dǎo)散熱的時(shí)間,即使脈沖激光器的一個(gè)脈沖信號(hào)等同于連續(xù)波激光器的一個(gè)調(diào)制周期信號(hào)[18]。兩類激光器都有其各自的優(yōu)勢(shì),在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的選擇不同,如在組織、體液方面的研究多采用脈沖激光器,而在氣體方面的研究多采用連續(xù)調(diào)制激光器。本文介紹的部分基于連續(xù)調(diào)制激光器的應(yīng)用僅采用其幅值信息。光聲池被用于盛放樣本和安置傳感器,需達(dá)到最大化樣本聲信號(hào)和最小化噪聲及干擾信號(hào)[19],目前常見的光聲池分為開放式和封閉式兩種。開放式光聲池不必頻繁拆卸和重新組裝,使用方便;封閉式光聲池則為了避免開口引起的聲輻射損失[20],增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度。光聲信號(hào)放大與記錄系統(tǒng)通過(guò)傳感器接收樣品產(chǎn)生的聲信號(hào),再通過(guò)前置放大電路進(jìn)行處理以提高信噪比。由于各類型的傳感器適用性不同,在光聲實(shí)驗(yàn)中需要根據(jù)具體檢測(cè)任務(wù)、樣本類型和所用激發(fā)光源的情況選擇不同性能參數(shù)的聲信號(hào)檢測(cè)器[21]。

    圖1 脈沖激光與連續(xù)激光光聲檢測(cè)原理圖[17]Fig.1 Principle diagrams of pulsed laser and continuous laser photoacoustic detection[17]

    基于上述對(duì)時(shí)域光聲信號(hào)譜分析技術(shù)原理、方法、優(yōu)勢(shì)及系統(tǒng)的分析,文中以該技術(shù)在生物組織檢測(cè)、體液檢測(cè)及呼出氣體檢測(cè)三個(gè)維度中的應(yīng)用為主線,圍繞各研究采用的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)或不同的信號(hào)處理方法,綜述了該技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展與發(fā)展方向。

    1 在生物組織中的應(yīng)用研究

    生物組織組分與結(jié)構(gòu)的差異會(huì)引起其光吸收能力的變化(見圖2)[22]。病變組織與正常組織相比,其多種分子成分(如黑色素、血紅蛋白、脂質(zhì)、膠原等)的相對(duì)含量及組織相應(yīng)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一定的變化。而光聲光譜的強(qiáng)度與特定波長(zhǎng)下組織中相應(yīng)成分的光吸收能力成正比,且光聲頻域譜中不同頻率成分的相對(duì)能量反映組織的不均勻性或混亂度,高頻成分越多,組織結(jié)構(gòu)越不均勻或混亂[9]?;诖耍ㄟ^(guò)測(cè)定組織病變前后的時(shí)域光聲信號(hào)譜變化,有效提取其理化特征改變,為疾病診斷提供有價(jià)值的信息。近年來(lái),時(shí)域光聲信號(hào)譜分析技術(shù)已廣泛應(yīng)用于人和動(dòng)物皮膚、肌肉、臟器等軟組織和骨骼、牙齒等硬組織的研究[9,15,23-24]。

    圖2 生物組織中不同分子在不同波長(zhǎng)下的光吸收系數(shù)[22]Fig.2 Optical absorption coefficient of some molecules in biological tissue[22]

    在對(duì)生物軟組織時(shí)域光聲信號(hào)譜分析技術(shù)的研究中,王學(xué)鼎等[25]在國(guó)際上較早開發(fā)了針對(duì)單波長(zhǎng)光聲信號(hào)的光聲量化組織顯微結(jié)構(gòu)的方法,即“光聲頻域譜分析”?;诖耍鯇W(xué)鼎等[26]在532 和1 200 nm 兩個(gè)波長(zhǎng)下對(duì)小鼠模型進(jìn)行體外和原位實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了功率譜參數(shù)與小鼠肝組織微結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在1 200 nm 處,脂肪肝和正常肝的功率譜斜率之間存在多達(dá)5 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的差異,而在532 nm 處,差異大約為2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差;原位實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),脂肪肝比正常肝在1 200 nm 處具有更高的功率譜參數(shù),包括斜率、截距和中頻帶擬合,而在532 nm 處,與正常肝臟相比,脂肪肝的斜率值較高,截距和中頻帶擬合值較低。實(shí)驗(yàn)表明光聲頻域譜分析在肝組織微結(jié)構(gòu)鑒定領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。近年來(lái),王學(xué)鼎等[27]把研究拓展到多波長(zhǎng)光聲信號(hào)分析中,將光聲信號(hào)在光波長(zhǎng)和聲頻域兩個(gè)維度展開,定義了光聲物理化學(xué)譜。通過(guò)對(duì)脂肪肝和纖維化肝的動(dòng)物模型進(jìn)行光聲物理化學(xué)譜分析并與病理結(jié)果對(duì)照,可明顯區(qū)分正常肝、脂肪肝和纖維化肝等3 種模型。文龍等[9]對(duì)皮膚鱗狀細(xì)胞癌(cutaneous squamous cell carcinoma, cSCC)組織和正常組織進(jìn)行了多光譜光聲物理化學(xué)譜分析驗(yàn)證(見圖3),發(fā)現(xiàn)在1 370 nm 膠原的特征波長(zhǎng)下,人體cSCC 的光聲聲功率譜擬合斜率高于正常組織(P=0.001),而截距低于正常組織(P=0.007),這與cSCC 侵犯真皮膠原,致使腫瘤內(nèi)膠原排列紊亂、含量減少有關(guān);在1 400 nm 脂質(zhì)特征波長(zhǎng)下,其斜率高于正常組織(P<0.001),截距低于正常組織(P=0.011),這與對(duì)應(yīng)的尼羅紅脂質(zhì)染色顯示結(jié)果一致。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明皮膚鱗狀細(xì)胞癌離體組織的光聲物理化學(xué)譜中各組分特征吸收波長(zhǎng)下聲功率譜特征參數(shù)變化能反映的腫瘤組分及含量變化與病理結(jié)果相符,這為皮膚鱗狀細(xì)胞癌的臨床無(wú)創(chuàng)診斷提供了一種新思路。光聲物理化學(xué)譜分析在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域存在著巨大應(yīng)用潛力,其對(duì)生物樣本組織微結(jié)構(gòu)檢測(cè)的可行性和有效性已被大量證實(shí)[28],利用深度學(xué)習(xí)手段進(jìn)行良惡性判別正成為當(dāng)今熱點(diǎn)。目前,基于機(jī)器學(xué)習(xí)的前列腺癌識(shí)別方法已被驗(yàn)證,程茜等[29]通過(guò)引入有監(jiān)督線性判別分析(LDA)和二次判別分析(QDA)算法,對(duì)光聲物理化學(xué)譜進(jìn)行降維和參數(shù)特征提取,實(shí)現(xiàn)對(duì)前列腺癌的診斷,其中,LDA 準(zhǔn)確率為76.3%,QDA 準(zhǔn)確率可達(dá)81.7%?,F(xiàn)階段,活體在體研究也成為該領(lǐng)域的主流方向。

    圖3 人體正常皮膚及cSCC 光聲物理化學(xué)譜[9]Fig.3 Photoacoustic physio-chemical spectra of human normal skin and cSCC[9]

    周篪聲等[23]利用自主設(shè)計(jì)的雙光束光聲光譜裝置,在380 ~780 nm 的光譜范圍內(nèi)測(cè)量了人體4個(gè)部位(胃、子宮、肺和乳腺)的癌變組織與正常組織的光聲光譜,通過(guò)吸收光譜的幅值信息,發(fā)現(xiàn)這4種癌變組織在630 nm 附近都有吸收峰出現(xiàn),而正常組織均無(wú)此峰,這為癌癥診斷治療提供了重要信息。為了減少生物組織內(nèi)光散射和聲衰減的影響并獲得深層組織光聲信號(hào),程茜等[30]提出了一種間質(zhì)性光聲光譜分析方法,即通過(guò)將光纖擴(kuò)散器和小孔徑針狀水聽器結(jié)合,利用細(xì)針式光聲探頭在深層組織中進(jìn)行光聲光譜信號(hào)采集及分析,并利用自主研制的探針式樣機(jī)定量檢測(cè)了脂質(zhì)浸潤(rùn)的肝細(xì)胞濃度(見圖4)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在1 220 nm處,脂肪肝樣本產(chǎn)生的光聲信號(hào)具有更大總光譜強(qiáng)度,且正常肝和脂肪肝樣本的功率譜斜率具有顯著差異(P<1×10-7)(見圖5)。這種細(xì)針探頭促進(jìn)的“活體活組織檢查”方法可以與常規(guī)組織離體活檢實(shí)現(xiàn)大幅度互補(bǔ),具有較大的醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景。脂肪細(xì)胞的大小與肥胖人群的代謝性疾病直接相關(guān),馬翔等[31]通過(guò)全連接層的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合功率譜與脂肪細(xì)胞平均大小的關(guān)系,結(jié)果發(fā)現(xiàn),與傳統(tǒng)分析手段相比,該方法的平均相對(duì)誤差改善了12.84%,驗(yàn)證了深度學(xué)習(xí)分析光聲頻域譜的有效性,這為生物組織的定量和非侵入性評(píng)估提供一種新的方法。

    圖4 探針式樣機(jī)檢測(cè)示意圖[30]。(a)探針式樣機(jī)模型;(b)小鼠離體組織中正常和脂肪肝組織的間質(zhì)光聲信號(hào)測(cè)量Fig.4 Schematic diagram of probe-type prototype detection[30]. (a)Probe-type prototype model; (b)Measurements of interstitial photoacoustic signals in normal and fatty liver tissues of mouse in vitro

    圖5 探針式樣機(jī)定量檢測(cè)結(jié)果分析[30]。(a)正常肝臟和脂肪肝組織產(chǎn)生光聲信號(hào)的功率譜;(b)1 200 nm 下12 個(gè)正常和脂肪肝組織樣本的總光譜強(qiáng)度大?。唬╟)1 200 nm 下12 個(gè)正常和脂肪肝組織樣本的功率譜斜率大小Fig.5 Analysis of the quantitative detection results of the probe-type prototype[30]. (a) The power spectrum of photoacoustic signals produced by normal liver and fatty liver tissues; (b)The total spectral intensity of 12 normal and 12 fatty liver tissue samples at 1 200 nm; (c)Slope size of 12 normal and 12 fatty liver tissue samples at 1 200 nm

    在對(duì)生物硬組織時(shí)域光聲信號(hào)譜分析技術(shù)的研究中,封婷等[15]利用光聲在測(cè)量鈣化和非鈣化組織中都有足夠穿透力的特性,分別對(duì)來(lái)自骨質(zhì)疏松、骨質(zhì)增強(qiáng)和正常骨質(zhì)的骨樣本光聲功率譜進(jìn)行線性擬合得其功率譜參數(shù)斜率。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在685 nm波長(zhǎng)下,與其它兩組相比,骨質(zhì)疏松組的骨樣本具有更大的斜率,即骨小梁厚度更薄的骨樣本具有更高的斜率(見圖6)。這為描述骨小梁的微結(jié)構(gòu)以及區(qū)分疏松骨質(zhì)與正常骨質(zhì)提供了重要依據(jù)。同時(shí),該研究還提出了一種結(jié)合全連接多層深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光聲光譜分析方法,用以半量化不同程度骨質(zhì)疏松癥的骨礦物質(zhì)密度值,具有潛在的臨床篩查價(jià)值[32]。此外,封婷等[33]還通過(guò)分析在680 ~950 nm光譜范圍內(nèi)骨骼中所有光吸收成分的光聲光譜,來(lái)定量評(píng)估各種化學(xué)成分的相對(duì)含量,這種基于光聲光譜分析的骨評(píng)估方法,在骨質(zhì)疏松癥和其他骨骼疾病的診斷和臨床治療中有顯著意義。袁振等[34]應(yīng)用成像引導(dǎo)的光聲光譜技術(shù)對(duì)人手指骨關(guān)節(jié)炎疾病進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)與正常關(guān)節(jié)相比,患骨關(guān)節(jié)炎的手指氧飽和度下降,但含水量增多,這為關(guān)節(jié)炎的早期診斷提供了新途徑。除了對(duì)骨質(zhì)研究,李江華等[24]還應(yīng)用光學(xué)相干層析成像技術(shù)對(duì)齲齒進(jìn)行研究,首次將該技術(shù)用于齲齒的早期診斷,對(duì)得到的牙釉質(zhì)在光學(xué)、力學(xué)和聲學(xué)方面的信息,判斷牙齒的病變情況,證實(shí)該技術(shù)用于齲齒早期診斷的可行性。

    圖6 大鼠股骨樣本的光聲功率譜分析結(jié)果[15]。(a)用系統(tǒng)響應(yīng)校正后的三組不同樣本(OVX 骨質(zhì)疏松組,SHAM 正常對(duì)照組,OVX+ZOL 骨質(zhì)增強(qiáng)組)的光聲信號(hào)功率譜;(b)三組不同骨質(zhì)的量化光聲譜參數(shù)“斜率”Fig.6 PASA of rat femur bone specimens[15]. (a)Examples of power spectral density (PSD) of the RF PA signal of three groups (OVX, Sham, OVX+ZOL) after calibration by removing the system response; (b) The quantified spectral parameter slope of the three groups of bones

    2 在生物體液中的應(yīng)用研究

    生物體液包括細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液,對(duì)保持生物體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定、維持血壓、控制免疫等方面具有重要作用,其中細(xì)胞外液包括血液和組織間液,如細(xì)胞間液、尿液、胃液等。生物體液對(duì)光學(xué)信號(hào)具有強(qiáng)散射性,難以直接用傳統(tǒng)吸收光譜進(jìn)行分析,而時(shí)域光聲信號(hào)譜分析能夠大幅度避免體液對(duì)光散射的影響,能夠得到體液中各成分物質(zhì)的吸收特性和熱學(xué)特性等信息,可以方便了解人體代謝過(guò)程的變化,用于疾病檢測(cè)。

    血液成分非常復(fù)雜,主要包括血細(xì)胞(紅細(xì)胞、白細(xì)胞)、其他有形成分和血漿。封婷等[35]首次采用一種全光學(xué)的光聲光譜分析系統(tǒng)(見圖7),對(duì)健康紅細(xì)胞和老化紅細(xì)胞進(jìn)行區(qū)分,該系統(tǒng)使用聚苯乙烯微環(huán)諧振器[36]作為超聲波檢測(cè)器,將寬帶的光聲信號(hào)測(cè)試范圍從組織水平擴(kuò)展到細(xì)胞水平,實(shí)現(xiàn)對(duì)微米級(jí)的血細(xì)胞靈敏和準(zhǔn)確的檢測(cè)。該實(shí)驗(yàn)首先對(duì)不同尺寸的微球進(jìn)行信號(hào)分析,通過(guò)線性回歸,繪制出平均功率譜密度曲線并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,證明了從3~45 μm 的物體尺寸的功率譜曲線下降速率存在顯著性差異,并以此為基礎(chǔ),分別對(duì)離體的新鮮和老化血細(xì)胞進(jìn)行分析,通過(guò)在2 ~123 MHz 范圍內(nèi)進(jìn)行功率譜的線性回歸擬合,獲得了兩組量化的譜參數(shù)斜率(見圖8)。結(jié)果顯示,由于形態(tài)不同,相比新鮮紅細(xì)胞樣品,老化紅細(xì)胞樣品的斜率降低有顯著性差異(P<0.05)。該實(shí)驗(yàn)表明光聲功率譜分析方法用于辨別不同形態(tài)紅細(xì)胞具有可行性,說(shuō)明光聲功率譜分析可提供成像方法不能獲得的定量判別信息,可用于臨床中細(xì)胞形態(tài)的快速分析,如診斷某些能改變紅細(xì)胞形態(tài)特征,由此損害其功能的疾病,或判斷血細(xì)胞是否感染或接觸有毒化學(xué)物質(zhì)造成形態(tài)改變。同時(shí),該研究提出了對(duì)其他具有特征生色團(tuán)的細(xì)胞成分也可以用光聲光譜技術(shù)在適當(dāng)?shù)墓獠ㄩL(zhǎng)下激發(fā)、檢測(cè),進(jìn)而發(fā)現(xiàn)定量信息并用于診斷的可能,如黑色素瘤細(xì)胞的檢測(cè)。郭萍等[37]利用光聲光譜技術(shù)對(duì)不同類型白血病患者血液和正常人血液進(jìn)行檢測(cè),得到被檢測(cè)對(duì)象的光吸收譜,發(fā)現(xiàn)在350、423、552、586 nm 波長(zhǎng)附近,正常人全血的光聲光譜有4 個(gè)特征吸收峰,急性粒細(xì)胞白血病患者全血的光聲光譜圖也有相同的4個(gè)特征吸收峰,但吸收強(qiáng)度比正常人全血的光聲光譜明顯減弱,而急性單核細(xì)胞白血病患者、慢性粒細(xì)胞白血病急性變期患者全血的光聲光譜則只在423 nm 處出現(xiàn)吸收峰,其他峰基本消失,且后者光譜強(qiáng)度也明顯減弱。因此,利用全血光聲光譜圖分析、診斷并區(qū)分不同類型白血病具有很好可行性和的臨床參考價(jià)值,有望作為白血病早期篩查的一種有效手段。但由于白血病患者類型復(fù)雜多變,其光聲光譜圖的分類也會(huì)隨之有多種變化,因此還需要不斷完善對(duì)白血病患者的血液成分分析。

    圖7 全光學(xué)光聲光譜分析系統(tǒng)[35]Fig.7 All-optical photoacoustic spectroscopy system[35]

    圖8 離體人類血液標(biāo)本的光聲光譜分析[35]。(a)模擬兩組血樣的光聲光譜參數(shù)斜率;(b)實(shí)驗(yàn)中兩組樣本的光譜參數(shù)斜率Fig.8 PASA of human blood samples in vitro[35].(a)Slopes of photoacoustic spectral parameters of the two groups of blood samples in the simulation;(b)The slope of spectral parameters of the two groups of samples in the experiment

    在血糖檢測(cè)方面,糖尿病作為繼心腦血管疾病和惡性腫瘤之后危及人類生存質(zhì)量的第三大殺手,目前醫(yī)學(xué)手段還無(wú)法對(duì)其徹底根治,因此日常地、及時(shí)地、無(wú)創(chuàng)地血糖檢測(cè)在社會(huì)上有極大需求[38]。光聲光譜檢測(cè)法作為一種無(wú)創(chuàng)、無(wú)感染的檢測(cè)手段已成為血糖檢測(cè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。1993年,Mackenzie等[39]最先把光聲光譜技術(shù)用于離體血糖檢測(cè)的研究,得出光聲信號(hào)的峰值與葡萄糖濃度可近似為一種線性關(guān)系。至今,在體血糖濃度光聲光譜檢測(cè)仍面臨許多難題:血糖在血液中含量很低;光聲信號(hào)本身容易受到激勵(lì)光源和液體溫度變化影響等?;诠饴暪庾V技術(shù)的血糖檢測(cè)需要找到一種穩(wěn)定性好、可靠性高的檢測(cè)和分析方法來(lái)滿足現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的需求。文獻(xiàn)[40-41]首次報(bào)道了以量子級(jí)聯(lián)激光器為中紅外輻射源的光聲光譜裝置進(jìn)行血糖檢測(cè)的結(jié)果,其實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在健康個(gè)體和糖尿病患者的口服葡萄糖耐量測(cè)試期間,指腹的光聲測(cè)量結(jié)果與酶血液測(cè)試的結(jié)果高度一致(見圖9),驗(yàn)證了光聲光譜法進(jìn)行無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)的可行性。呂鵬飛等[14]提出通過(guò)溫度誤差補(bǔ)償和差動(dòng)型光聲池結(jié)合的方法進(jìn)行無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè),抑制了溫度的干擾,最終得到了光聲信號(hào)強(qiáng)度隨葡萄糖濃度增加而增大的線性測(cè)量結(jié)果,為光聲光譜進(jìn)行體外無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)問(wèn)題提供一種新思路。改善激光器的性能、尋找合適的分析方法是利用光聲光譜技術(shù)進(jìn)行體外血糖檢測(cè)的發(fā)展方向。

    圖9 血糖光聲光譜檢測(cè)[41]。(a)光聲裝置示意圖;(b)對(duì)志愿者拇指上的光聲檢測(cè)無(wú)創(chuàng)測(cè)量得到的皮膚血糖濃度曲線與參考血糖濃度曲線;(c)無(wú)創(chuàng)測(cè)量的一致誤差網(wǎng)格Fig.9 Photoacoustic Spectrogram of Blood Glucose[41]. ( a ) Schematic drawing of the photoacoustic setup; ( b ) Skin blood glucose concentration curve obtained by non-invasive measurement of photoacoustic detection on volunteers' thumbs and reference blood glucose concentration curve; ( c) Consensus error grid representation of the non-invasive measurements

    此外,光聲信號(hào)的譜分析技術(shù)也在人體尿液的檢測(cè)中得以應(yīng)用。尿液中的某些蛋白質(zhì)、酮、腈、膽紅素或激素的異常存在可作為一些特定情況的警告信號(hào),具有臨床意義[42]。目前,尿液分析已用于各種醫(yī)學(xué)診斷,包括尿路感染、腎功能、糖尿病、妊娠和水化測(cè)試;同時(shí),尿液檢測(cè)還可應(yīng)用于泌尿系統(tǒng)癌癥的檢測(cè)[43]。孫洪偉等[44-45]利用物質(zhì)光吸收能力的差異,對(duì)90 余例病例進(jìn)行光聲光譜檢測(cè)來(lái)分析正常人和腫瘤患者的尿液差異,從吸收光譜中發(fā)現(xiàn)了腫瘤物質(zhì)的特征峰并研究了特征峰和腫瘤惡性程度的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上,對(duì)正常人、癌癥患者、患有癌癥并隨后發(fā)炎的患者進(jìn)行研究,并在240 ~420 nm 處獲得特征光吸收峰。將這些結(jié)果與臨床診斷結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)這與隨后經(jīng)手術(shù)證實(shí)的泌尿系統(tǒng)癌癥的診斷是一致的,證明了光聲光譜技術(shù)應(yīng)用在泌尿系統(tǒng)癌癥檢測(cè)中的可行性。目前與尿液相關(guān)的光聲光譜檢測(cè)的主流還是在分析泌尿系統(tǒng)的相關(guān)疾病,如前列腺癌[46],對(duì)臨床病狀診斷有重要意義。

    3 在生物呼出氣體檢測(cè)中的應(yīng)用研究

    人體呼出氣體成分復(fù)雜,除了水、二氧化碳、氧氣等容易檢測(cè)的物質(zhì),還有豐富的微量氣體可以反應(yīng)人體的生理和病理信息[47]。由于對(duì)呼出氣體檢的測(cè)屬于非侵入方法,易于頻繁采樣,且不易危害對(duì)被檢測(cè)人員。隨著氣體檢測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展,呼出氣體與機(jī)體生理和病理狀態(tài)的關(guān)系已廣受關(guān)注。目前,對(duì)于氣體含量的光聲信號(hào)譜分析更多是關(guān)注信號(hào)幅度信息而非相位信息。由于不同氣體有其特定的吸收光譜,并且受激發(fā)后產(chǎn)生的光聲信號(hào)幅度與其濃度有比例關(guān)系,因此通過(guò)光聲信號(hào)譜分析技術(shù)不僅可以檢測(cè)某種氣體的存在,還可以進(jìn)一步對(duì)其濃度做定量分析。

    腎臟是維持機(jī)體蛋白質(zhì)代謝穩(wěn)定的重要器官,基于此,臨床上以蛋白質(zhì)代謝的終產(chǎn)物血尿素氨作為評(píng)估腎功能的主要指標(biāo)之一[48]。研究發(fā)現(xiàn),呼出氣體中的氨氣與人體內(nèi)血尿素氨有一定的線性關(guān)系,借助光聲信號(hào)譜檢測(cè)呼出氣體的氨氣含量,可以對(duì)比患者血尿素氨的濃度變化,可用于判斷腎透析治療效果。目前,氣體光聲光譜靈敏性很高,可以檢測(cè)到濃度為萬(wàn)億分之一量級(jí)(part per trillion,ppt)的特定氣體[49],可用于研究呼出氨氣的變化與腎透析效果間的關(guān)系。梁麗榮等[13]以健康志愿者呼出氨氣的濃度為標(biāo)準(zhǔn),對(duì)比腎病患者透析前0.5 h、透析中1.5 h、透析中2.5 h 以及透析結(jié)束時(shí)呼出氨氣的變化(見圖10),發(fā)現(xiàn)患者透析治療結(jié)束后,呼出氨氣濃度有明顯下降??紤]到不同患者之間存在較大個(gè)體差異,進(jìn)一步研究不同程度腎衰竭患者在接受透析前后呼出氨氣的濃度變化(見圖11),發(fā)現(xiàn)各患者呼出氨氣濃度均有明顯變化,但下降快慢不同。上述研究為光聲信號(hào)譜分析技術(shù)檢測(cè)氨氣濃度用于腎透析效果評(píng)估以及腎病早期篩查提供了新思路。

    圖10 患者呼出氨氣濃度隨透析時(shí)間的變化[13]Fig.10 Breath ammonia concentrations varying with dialysis time[13]

    圖11 8 名患者呼出氨氣濃度隨透析時(shí)間的變化[13]Fig.11 Breath ammonia concentrations varying with dialysis time for 8 subjects[13]

    放射療法是癌癥治療的重要方法之一,其作用機(jī)理是X 射線與水相互作用,促進(jìn)細(xì)胞產(chǎn)生大量自由基,破壞細(xì)胞部分遺傳物質(zhì)從而殺死腫瘤細(xì)胞[50]。但自由基的存在會(huì)引起細(xì)胞中多不飽和脂肪酸的氧化降解,最終產(chǎn)生乙烯。乙烯具有高揮發(fā)性,可迅速擴(kuò)散入血液而不被降解,最終經(jīng)肺部呼出。Popa 等[49]研究了腫瘤患者呼出乙烯氣體含量與X 射線治療效果的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)基于光聲信號(hào)譜對(duì)呼出乙烯氣體的敏感性,檢測(cè)了年齡在32 ~77 歲之間的癌癥患者放射治療前后呼出的乙烯濃度,從圖12 可以看出患者在接受放射治療前后乙烯濃度水平從18 ppbV 升到約23 ppbV,而健康受試者乙烯濃度水平只有12 ppbV 左右。這表明細(xì)胞膜脂質(zhì)發(fā)生過(guò)氧化,放射治療已經(jīng)發(fā)揮作用。因此,通過(guò)光聲光譜檢測(cè)乙烯濃度,使實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)放射療效成為可能。

    圖12 健康志愿者和乳腺癌患者接受X 光治療前后的乙烯水平[49]Fig.12 The level of ethylene for a healthy volunteer and for a patient with mammary cancer before and after X-ray treatment[49]

    基于光聲光譜技術(shù)的呼出氣體檢測(cè)方法具備無(wú)損、連續(xù)監(jiān)測(cè)和快速響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn),根據(jù)氣體標(biāo)記物與體內(nèi)代謝活動(dòng)之間的關(guān)系,可以對(duì)疾病治療效果進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),有利于精準(zhǔn)治療。接下來(lái)研究中還需要找到其他合適的氣體標(biāo)記物并結(jié)合光聲光譜,在疾病的早期篩查和治療中發(fā)揮更大的作用。

    4 總結(jié)與展望

    時(shí)域光聲信號(hào)譜分析技術(shù)作為一種新型的檢測(cè)手段,主要包括光聲光譜分析、光聲頻域譜分析以及“光-頻”聯(lián)合譜分析,用于檢測(cè)由于生物體不同生色團(tuán)光吸收能力的差異而反映出的組織結(jié)構(gòu)和生物功能信息。該技術(shù)以其強(qiáng)普適性、高靈敏度、無(wú)創(chuàng)檢測(cè)且操作便捷等優(yōu)勢(shì),在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。在保持生物試樣的自然狀態(tài)下,時(shí)域光聲信號(hào)譜分析技術(shù)可安全無(wú)損地對(duì)生物體特定區(qū)域目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè),不需引入圖像重建算法且可專注于實(shí)現(xiàn)定量分析,用于對(duì)生物組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理特性、代謝功能及病理特征等進(jìn)行研究,進(jìn)而識(shí)別正常和異常信號(hào),用作疾?。ㄈ绨┌Y、糖尿?。┑脑缙诤Y查和臨床診斷,尤其為無(wú)創(chuàng)檢測(cè)提供了高靈敏度的有效工具。

    目前,生物組織、體液及呼出氣體的時(shí)域光聲信號(hào)譜分析技術(shù)應(yīng)用的可靠性已被廣泛證實(shí),該技術(shù)在皮膚鱗癌、骨質(zhì)疏松、血糖檢測(cè)和氨氣-腎功能檢測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用也成果顯著,但該技術(shù)的研究和應(yīng)用尚處于發(fā)展階段,其裝置器件成本是其發(fā)展瓶頸,,如檢測(cè)靈敏度和精度依賴于光聲池中各種器件的性能;大部分光源采用脈沖激光器,體積較為龐大且昂貴。目前,利用光聲頻域譜各參數(shù)判別正常和異常信號(hào)的界限還未形成規(guī)范,光聲物化譜也只是反映了結(jié)構(gòu)的不均勻性,還不能顯示生物組織結(jié)構(gòu)的具體特征,表明該技術(shù)的臨床應(yīng)用尚待深入探索。隨著實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)展迭代和譜分析方法的創(chuàng)新,該技術(shù)的測(cè)量精度和準(zhǔn)確度會(huì)不斷提高,如光源技術(shù)的更新,利用LED 產(chǎn)生納秒脈沖激發(fā)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化并降低成本[51];檢測(cè)探頭性能的改良可實(shí)現(xiàn)靈敏度的提高及帶寬范圍的拓展,如基于全光學(xué)方法的非接觸式光聲探測(cè);深度學(xué)習(xí)等信號(hào)分析手段的發(fā)展可優(yōu)化信號(hào)降噪和信號(hào)分析分類的能力;多模態(tài)檢測(cè)相互結(jié)合可提高臨床診斷的準(zhǔn)確率,如光聲/超聲雙模態(tài)檢測(cè);選擇靶向性強(qiáng)、光聲信號(hào)轉(zhuǎn)換效率高的光聲分子探針可拓展應(yīng)用范圍。時(shí)域光聲信號(hào)譜分析技術(shù)快速發(fā)展和不斷完善,有助于帶來(lái)生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)和臨床應(yīng)用的新突破。

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