[科普中國]-醫(yī)學(xué)光聲成像

醫(yī)用光聲成像是一種基于光聲效應(yīng)建立的混合模式生物/醫(yī)學(xué)成像方法。一般來說，在光聲成像中需要用脈沖激光照射成像部位（熱聲成像則特指用無線電頻率的脈沖激光進(jìn)行照射）。一部分被吸收的光能將會(huì)被轉(zhuǎn)化為熱能，使附近的組織發(fā)生熱彈性膨脹，從而形成寬帶（兆赫茲級(jí)）的超聲波發(fā)射。這一超聲波可以用超聲換能器檢測(cè)，而后者正是一般超聲造影中所用的主要探測(cè)器。但不同于超聲造影的是，光聲成像利用了體內(nèi)不同組分吸收性質(zhì)的不同。譬如血紅蛋白濃度的大小，組織血氧飽和度的高低，均會(huì)影響組織的光吸收能力，從而改變超聲信號(hào)的強(qiáng)度。換言之，檢測(cè)器探測(cè)到的（二維或三維）超聲強(qiáng)度空間分布，實(shí)際上反映了成像對(duì)象內(nèi)（與光吸收相關(guān)的）病理學(xué)信息。

簡介醫(yī)用光聲成像是一種基于光聲效應(yīng)建立的混合模式生物/醫(yī)學(xué)成像方法。一般來說，在光聲成像中需要用脈沖激光照射成像部位（熱聲成像則特指用無線電頻率的脈沖激光進(jìn)行照射）。一部分被吸收的光能將會(huì)被轉(zhuǎn)化為熱能，使附近的組織發(fā)生熱彈性膨脹，從而形成寬帶（兆赫茲級(jí)）的超聲波發(fā)射。這一超聲波可以用超聲換能器檢測(cè)，而后者正是一般超聲造影中所用的主要探測(cè)器。但不同于超聲造影的是，光聲成像利用了體內(nèi)不同組分吸收性質(zhì)的不同。譬如血紅蛋白濃度的大小，組織血氧飽和度的高低，均會(huì)影響組織的光吸收能力，從而改變超聲信號(hào)的強(qiáng)度。換言之，檢測(cè)器探測(cè)到的（二維或三維）超聲強(qiáng)度空間分布，實(shí)際上反映了成像對(duì)象內(nèi)（與光吸收相關(guān)的）病理學(xué)信息。

生物組織的光學(xué)吸收既可能產(chǎn)生于內(nèi)源性分子如黑色素等，也可能產(chǎn)生于外源性引入的各種造影劑。圖2展示了一種典型內(nèi)源性光吸收分子——血紅蛋白的兩種形態(tài)（氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白）在可見和近紅外波段的吸收光譜。由于血紅蛋白的吸光度一般比周圍其他物質(zhì)高得多，因此其也就成為了血管光聲成像一類有力的造影劑。近期的研究已發(fā)現(xiàn)，光聲成像可用于活體內(nèi)腫瘤血管新生的檢測(cè)、血氧飽和度掃描、大腦功能成像以及皮膚黑色素瘤探測(cè)等諸多生命和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。1

成像系統(tǒng)根據(jù)成像方式的不同，光聲成像系統(tǒng)可以分為兩種不同類型：光聲/熱聲計(jì)算機(jī)斷層掃描（PAT/TAT）和光聲顯微鏡（PAM）。前者利用的是非聚焦的超聲波探測(cè)器，獲得的超聲波信號(hào)通過反向求解光聲方程（見下），重構(gòu)出信號(hào)源的三維空間分布；后者則使用聚焦型的球形超聲波探測(cè)器，每次采集一個(gè)點(diǎn)的信息，通過二維掃描來獲得光聲圖像，不涉及重構(gòu)問題。PAT/TAT的優(yōu)勢(shì)在于高穿透深度和三維成像；PAM的優(yōu)勢(shì)則在于低深度下的高空間分辨率。

光聲/熱聲計(jì)算機(jī)斷層掃描（PAT/TAT）給定一個(gè)熱函數(shù) （可認(rèn)為是由于某一時(shí)刻 的光照刺激而在三維空間中 位置產(chǎn)生的熱效應(yīng)），則隨后產(chǎn)生的光聲波壓力在聲學(xué)均勻非粘性介質(zhì)中的傳播可以描述為：

其中 代表介質(zhì)中的聲速， 代表介質(zhì)的熱膨脹系數(shù)， 則是介質(zhì)的恒壓熱容。需要注意的是，方程（1）中引入了熱隔離的假設(shè)，即熱傳導(dǎo)在脈沖激光照射期間可以忽略不計(jì)；當(dāng)脈沖脈寬比介質(zhì)的熱弛豫時(shí)間要短得多的時(shí)候，這一假設(shè)確是成立的。

方程（1）的解為

這里，可以把 看作是光聲信號(hào)源（如體內(nèi)血管）的所在位置，而 則是檢測(cè)器的所在位置。方程（2）描述了 位置產(chǎn)生熱效應(yīng)后，在 位置產(chǎn)生壓力信號(hào)的過程。 如果再考慮到壓力隔離（當(dāng)脈寬比壓力弛豫時(shí)間短得多時(shí)），方程（2）就可進(jìn)一步改寫為

其中 指初始（未經(jīng)弛豫）的光聲壓力。1

光聲效應(yīng)聲光效應(yīng)（Photoacoustic effect）是指物體在周期性變化的光照下產(chǎn)生聲信號(hào)的現(xiàn)象。光聲效應(yīng)的產(chǎn)生是由于在光的照射下物體能量增加，局部聚集的能量以熱的形式釋放出來從而引起周圍物質(zhì)的震動(dòng)。震動(dòng)的頻率取決于光信號(hào)的頻率，而強(qiáng)度則與材料、幾何形狀等物體自生性質(zhì)有關(guān)。

應(yīng)用光聲譜：光聲信號(hào)與物質(zhì)的光吸收系數(shù)成正比，物質(zhì)對(duì)不同光波長的吸收系數(shù)不同，產(chǎn)生光聲信號(hào)不同，可測(cè)定物質(zhì)的吸收光譜。

光聲成像：不透明的物質(zhì)，光透入很淺，只有表面吸收光能轉(zhuǎn)化為熱能，表面層熱源向內(nèi)部發(fā)射熱波；熱波衰減高，一般只能傳播一個(gè)波長距離；傳播中產(chǎn)生聲波，聲源在不同深度的延遲時(shí)間不同；頻率低時(shí)，聲波波長是熱波的100,000倍，且光聲信號(hào)的振幅取決于表面光吸收系數(shù)。聚焦的激光束在樣品表面掃描，接受不同位置的光聲信號(hào)，反映其性質(zhì)、結(jié)構(gòu)。2

參見光聲效應(yīng)

醫(yī)學(xué)超聲檢查

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

劉軍 - 副研究員 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所