光声成像技术及其在生物医学中的应用

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光声成像技术及其在生物医学中的应用

[摘 要医学成像对各种疾病的诊断和治疗具有重要的意义。而光声成像技术是一项有发展前景的医学成像模式。论文综述了处于快速发展阶段的光声成像技术。首先介绍光声成像技术的原理，在此基础上，简单介绍目前生物医学中所使用的几种传统的成像技术，与光声成像技术进行比较，阐述光声成像技术的优势。最后总结光声成像技术在生物医学领域的主要应用及未来展望。

     [关键词]  光子学；光声成像；光声效应；生物医学应用

1. 引言

在生物医学领域，成像技术对疾病诊断、监控和研究具有十分重要的意义。但传统的医学成像总有一些缺点，因此，人们期待一种能够克服传统医学成像技术缺点的新技术的出现，光声成像技术在这样的背景下应运而生。

生物医学光声成像技术是指：当宽束短脉冲激光辐照生物组织时，位于组织体内的吸收体(如肿瘤)吸收脉冲光能量，从而升温膨胀，产生超声波，这时，位于组织体表面的超声探测器件接收到这些外传的超声波，并依据探测到的光声信号来重建组织内光能量吸收分布的图像。

由上可见，光声成像技术检测的是超声信号，反映的是光能量吸收的差异。所以该技术能很好的结合光学和超声这两种成像技术的优点，探测超声信号，克服纯光学成像技术的成像深度与分辨率不可兼得的不足，另外，能够有效补充纯超声成像技术在对比度及功能性方面的缺陷。光声成像技术有可能实现对组织较大深度的高分辨率、高对比度的功能成像。也正是源于光声成像技术以上独特优势，使得该技术近年来成为研究热点，取得了快速的发展。

2. 光声成像技术的原理

光声效应是生物医学光声成像技术的理论基础。所谓光声效应是指当宽束短脉冲激光照射生物组织时，组织内的吸收体(如肿瘤和血管等)吸收了光能量之后发生局部的温升，促使组织发生热弹性膨胀，产生超声波的过程。

光声信号产生的基本原理是：当用短脉冲激光照射吸收体时，吸收体中的分子吸收光子后，当满足一定的条件时，吸收体分子的电子从低能级跃迁到高能级而处于激发态，而处于激发态的电子极不稳定，当电子从高能级向低能级跃迁时，会以光或热量的形式释放能量。在光声成像应用中通常会选择合适波长的激光作为激发源，使吸收的光子的能量转化为热能的效率最大，通常从光能转化为热能的效率可达到90%以上。释放的热量导致吸收体局部温度升高，温度升高后导致热膨胀而产生压力波，这就是光声信号。因此，光声信号的产生过程就是“光能”、“热能”、“机械能”的转化过程。

光声成像过程可以分为三个部分：信号的产生、信号的接收和信号处理及图像重建，如图1所示。由于脉冲激光器具有光声转换效率高的优点，因此通常被作为光声成像研究中产生信号的激励源。脉冲激光器发出的激光束照射在待研究组织样品上，由于组织样品的吸收效应，在样品内部形成了与组织光学参数相关的能量沉积分布。由于激光脉宽很窄（ns），吸收的能量不能在短时间内释放，导致瞬间温度变化，从而通过热弹机制转化为热膨胀。周期性热流使周围的介质热胀冷缩而激发超声波，由于这种超声波信号的特殊产生机理，为了区别于其它的超声信号，通常称为光声信号。利用超声探测器接收光声信号并对采集到的信号进行适当地处理和采用相应的图像重建算法，就能够得到样品内部光能量沉积的分布。当保证入射光的均匀性的前提下，光声重建图像与吸收分布具有一一对应的关系。

光声成像技术以光声效应为理论基础，根据生物组织对光的吸收分布反演组织结构，它集合了纯光学成像技术的高对比度以及纯超声成像技术的高分辨率、高穿透深度等优点，为临床医学提供了一种新颖的成像诊断方法。

3. 几种传统的生物医学成像技术

3.1 X射线层析成像技术

X射线成像是根据生物组织的密度进行成像，因此对某些情况如软组织的病变则无法判断。

3.2 核磁共振成像技术

核磁共振成像(MRI)技术是利用核磁共振原理，但是设备昂贵且具有辐射。

3.3 光学相干层析成像

从探测深度、分辨率、简单实用等角度综合考虑，光学相干层析术被认为是有发展前途的一种新型光学成像技术。光学相干层析成像技术(OCT)由于不存在辐射危害，已发展成为面向医学应用的一种宝贵的非侵入式成像技术。

但OCT成像也存在不少的缺陷：OCT不能像电子显微镜那样确定组织的分子结构，它的分辨率要小于活检组织镜检，应用短脉冲光源可以把纵向分辨率提高到2~4µm，但横向分辨率提高十分困难，同时理论的分辨率有时会在实际应用有所降低；OCT成像探测组织的深度为2~4µm，在较深的下边，光子便会多次散射，丧失相干的可能；对于组织内部细微的差别(如正常细胞和癌细胞的区别)，这时需要一个光谱特性具有高度灵敏度，这在OCT系统做不到，因此不能完成诸如基因改变等诊断；由于在体内组织中反射和后散射自然特性，给OCT的应用设置了一些限制，对于一些平面结构组织和圆柱形反射体，需要对OCT系统角度准直获得接近于正常的入射，两个点以上的样本组织的反射体，反射到达探测器某点相位之外小于光源相干时间间隔的光波便形成散斑。

3.4 超声成像

超声成像技术的成像深度虽然比光学成像方法深，但其主要依赖与生物组织的声阻抗不匹配成像，而生物组织体内某些肿瘤的声阻抗与正常软组织无明显差异，从而限制了超声成像技术的使用范围。

4. 光声成像技术的优势

近年来，光声成像取得了很大的进步，体现在：第一，探测光声信号的技术路线增多。例如：利用聚合物光纤和马赫--曾德干涉仪实现环形光学探测，提高了信号探测的效率；以单一脉冲激光作为光源，采取平行探测方式实现三维光声成像。第二，光声成像在提高成像速度方面取得了重要进步。首先，脉冲激光光源的重复频率提高了，加快了光声信号的产生过程，缩短了信号采集的等待时间，其次，采集速率的提高节省了数据采集时间，提高了成像速度。第三，图像的分辨率得到了很大的改善。Lihong V.Wang小组通过物镜聚焦光束实现分辨率为2um的成像，使得成像分辨率从超声分辨水平发展到了光学分辨水平，实现了图像分辨率的重大突破。

与以上介绍的几种传统的生物医学成像技术相比，光声成像技术的优势主要体现在：该技术采用非电离波段，而且成像过程中不改变生物组织的属性，是一种无创的检测手段；产生的光声信号和组织的生理状态的关系较容易界定；有潜力与纯的超声或光学的成像技术相结合，可获得更多的诊断信息；成像深度和成像分辨率可根据实际中医学应用的需要进行调整。

5. 光声成像技术在生物医学中的应用

5.1 脑成像

由于脑组织的光学吸收与血氧消耗以及脑生理状态等密切相关,光声成像可用于研究脑组织结构和脑功能。通过监控脑血氧的动力学变化, 可以得到脑神经系统的动态信息和功能特征信息, 在神经生理学和神经病理学中具有重要的应用前景。

5.2 黑色素的检测以及皮肤黑色素瘤的成像

利用光声显微技术对黑瘤病中黑色素的尺度、分布以及周围血管增生情况进行光声成像，可提供黑色素瘤的大小、深度、血管形成、血氧含量等信息，这些指标是判断肿瘤的重要信息。

5.3 肿瘤血管成像

在肿瘤的光动力治疗中血管损伤是肿瘤治疗的一条重要途径。可以利用高分辨率的光声图像观测肿瘤治疗过程血管的损伤情况。

5.4 结构成像

光声成像技术可以实现类似超声成像技术达到的深层组织成像 ,但是光声成像系统是一种新型的无损伤活体成像模式，它同时具备光学成像的高对比度特性和超声成像的高穿透深度特性，可以提供高分辨率和高对比度的组织成像。

5.5 眼科成像

激光是目前治疗眼科疾病的较好选择，光声成像能够对眼睛的虹膜、睫状体等无损的成像，可以有效辅助医生进行眼科疾病的诊断和治疗，因此，光声成像技术在眼科方面具有广阔的应用前景。

6. 光声成像技术的未来展望

光声成像技术是一种新兴的、无损的光学技术与超声技术相结合的检测技术，不论是在理论研究还是在临床应用方面都将拥有广阔的前景。光声成像技术的发展显示了它能对生物组织内一定深度病灶组织的结构和生物化学信息高分辨率、高对比度成像，而其他技术则暂不具有这样的功能。

从光声成像技术在生物医学领域应用的不断发展可以了解到，光声成像技术将可能向多模式结合方式发展，譬如光声与超声结合的双模式结构，以及最新的光声与OCT（光学相干层析成像）相结合的模式等等。光声成像技术还将向分子成像方面拓展，在实验中使用外源性或内源性造影剂来有效增强图像对比度，提高成像分辨率，使得所获取的光声图像能够更清晰地显示生物组织的内部结构或肿瘤的结构情况等。这些趋势为光声成像技术对生物组织的形态结构、生理和病理特征、以及代谢功能等的研究提供了有效的手段。

7. 参考文献

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