生物医学光声成像技术及其进展

黄弘韬　曾兵　段佳明　黄文峰

摘 要：光声成像是近年发展起来的一种新型的无损的医学成像技术，能够高灵敏度地提取血红蛋白、黑色素和脂质体等各类色素组织的信息，为评估机体的生理病理状态提供了一种崭新的手段。同时结合了超声成像的高穿透特性，以及光学成像的高对比度特性，可以得到高分辨率和高对比度的组织图像。

关键词：光声成像；高分辨率；高对比度

1 概述

光声成像主要实验方法是利用短脉冲激光照射生物组织，使组织受热膨胀，于是产生超声波，利用超声换能器采集声波，从而反演出生物组织内部光吸收分布情况，从而重建出目标组织内部结构。光声成像作为一种高对比度、高分辨率的无损检测技术，在肿瘤的早期诊断及应用研究方面潜力巨大并已取得一定进展，生物医学界寄予了广泛关注。

2 光声成像的原理

理解光声成像原理我们首先要了解光声效应。光声效应指的是当物质受到周期性强度调制的光照射时，产生声信号的现象。用光照射某种物质时，由于物质对光的吸收会使其内部的温度变化从而引起媒质内某些区域结构和体积变化；当采用脉冲光源或调制光源时，媒质温度的升降会引起媒质的体积涨缩，因而可以向外辐射声波。这种现象称为光声效应。

光声成像作为一种新的医学成像方法，既具有光学成像的高对比度特性，又具有超声成像的高穿透特性。它以短脉冲激光为激励源，光声信号为生物组织信息的载体，由于热弹性效应，组织受热膨胀产生瞬时应力（压力）不同生物组织对不同波长的激光的吸收系数不同，生物组织受照射后反射不同强度的超声波，释放携带光吸收特性的宽带超声信号（光声信号）。通过探测上述光声信号，即可获得生物体的光学吸收特性，从而提取机体的生理病理信息，这就是光声成像基本原理，如图所示。

光声成像技术将光学成像技术和超声成像技术有效地结合起来，因此光声成像技术比光学成像技术更好的穿透性，比超声成像更高的图像分辨率，肿瘤在生长时期，周围的微血管往往会大量地增生，而血管中的红血球细胞对光的吸收系数较高，于是血管产生的光声信号强度也远比其他正常组织高。因此光声成像在肿瘤的早期检测中获得了广泛应用，对深入研究血液微循环系统意义重大。

由于不同的生物组织对激光的吸收系数不同，因而他们吸收的光能量大小也不同。在均匀的入射光照射下，不同的生物组织产生的光声信号的强度也是不一样的。这些信号是生物组织内部信息的反映，包含着生物组织内部的成分、结构等信息，基于生物组织内部的光学吸收系数分布，就可以获得组织内部的组织结构、病理信息等。通过一定的方法对光声信号进行采集、处理，并重建出组织结构图形，结合生物组织中光学吸收系数的分布，可以定量分析组织结构的变化情况，即对生物组织进行功能成像，反映了组织内部微小的病变、血红蛋白浓度、血氧浓度等重要参数。

3 基于非聚焦单阵元探测器的光声成像系统设计

光声断层成像系统采用非聚焦激光照射样品，并采用非聚焦超声换能器检测被样品照射区域周围的光声信号，从检到的光声信号，反演出成像区域生物组织的光吸收系数的空间分布，并且由此绘制组织被照射区域的光声图像。一般在光声断层成像的实验研究中，为了简化系统的复杂程，减少实验成本，提高实验稳定性，往往采用一个超声换能器对生物组织进行旋转扫描。

美国圣路易斯华盛顿大学的Li Hong V Wang在2003年时带领研究小组利用非聚焦的单阵元超声换能器对小鼠大脑进行光声断层成像，实现了对老鼠大脑皮层的高对比度成像，对大鼠脑部进行光声断层成像，血管成像结果与脑部解剖结果十分吻合。随后各式各样的单探头扫描实验系统用于小鼠的肿瘤生长、血管变化和外围关节成像。使用单阵元非聚焦超声换能器采集光声信号，对于每次采集到的距离换能器不同半径弧的光声信号光声信号，需对其求积分。因此不能采集单一方向的光声信号，需要围绕生物组织旋转换能器，采集样品各个方向的光声信号，最终通过数值计算模拟出光声图像。该实验装置由于只需一个超声换能器，信號采集电路比较简单，成本较低。但由于加入了旋转机构旋转超声换能器，实验装置的结构变得相对复杂，采集数据时间稍长，而且引入了机械振动误差，成像结果受机械硬件影响较大。于是发展出阵列圆形扫描系统，采用这种方式的系统采集多个通道的光声数据。可以有效地减少信号采集时间，因此这种采集方式被大多数实验者采用。Lihong V·Wang等首次用512个阵列的环形探头实现了高分辨率的大脑血管实时成像，并对小鼠脑中的光声造影剂进行了监控。V·Ntziachristos等也用64个阵元组成180°圆弧对小老鼠的腹部、胸部和心脏进成像，它的动态图像帧频能达到10Hz。

4 结束语

光声成像作为兼具光学与超声成像优势的一种新型无创的生物医学成像技术，既具备光学高灵敏功能与分子成像的优势，可诊断识别早期肿瘤病变，又具对数厘米深的生物组织进行高分辨成像的特点，近年来在国际上获得了突飞猛进的发展。

作为新出现的生物医学影像技术，光声成像对生物组织结构和功能成像具有指导意义，为研究生物组织的形态结构、生理病理特征、代谢功能等提供了重要手段。与传统生物医学光学技术相比， 光声成像方法确实具有独特的优势。同时，为了推动光声成像技术的发展，研究人员针对癌症、心脑血管病等重大疾病开展了多项临床研究。该技术的进步，必将对相关医疗器械产业的发展产生重要影响。

参考文献

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作者简介：黄弘韬（1990，6-），男，江苏人，硕士研究生，研究方向为机械电子。