[科普中國]-光聲成像

光聲成像（Photoacoustic Imaging, PAI）是近年來發(fā)展起來的一種非入侵式和非電離式的新型生物醫(yī)學(xué)成像方法。當脈沖激光照射到（熱聲成像則特指用無線電頻率的脈沖激光進行照射）生物組織中時，組織的光吸收域?qū)a(chǎn)生超聲信號，我們稱這種由光激發(fā)產(chǎn)生的超聲信號為光聲信號。生物組織產(chǎn)生的光聲信號攜帶了組織的光吸收特征信息，通過探測光聲信號能重建出組織中的光吸收分布圖像。光聲成像結(jié)合了純光學(xué)組織成像中高選擇特性和純超聲組織成像中深穿透特性的優(yōu)點，可得到高分辨率和高對比度的組織圖像，從原理上避開了光散射的影響，突破了高分辨率光學(xué)成像深度“軟極限”（~1 mm），可實現(xiàn)50 mm的深層活體內(nèi)組織成像。

1、研究應(yīng)用歷史光聲效應(yīng)最早于1880年由貝爾發(fā)現(xiàn)。貝爾發(fā)現(xiàn)用周期性的光照射一個吸收體時, 該物質(zhì)吸收光會產(chǎn)生聲信號, 這種聲信號的頻率與入射光的調(diào)制頻率相同, 而且聲信號的強度隨樣品吸收光的增加而增加。由于當時沒有強的光源和靈敏的探測器, 貝爾的發(fā)現(xiàn)沒有得到應(yīng)用。在此之后的近80年，關(guān)于光聲效應(yīng)的研究與應(yīng)用幾乎沒有進展。20世紀60年代以后，由于微信號檢測技術(shù)的發(fā)展，高靈敏微音器和壓電陶瓷傳聲器的出現(xiàn)，以及強光源（激光器、氙燈等）的問世，光聲效應(yīng)及其應(yīng)用的研究又重新活躍起來。L B Kruezer將光聲效應(yīng)用于氣體成分的檢測，關(guān)于光聲效應(yīng)的研究才重新受到人們的重視?；诠饴曅?yīng)發(fā)展起來的光譜技術(shù)也隨之發(fā)展起來并且應(yīng)用于測定傳統(tǒng)光譜法難以測定的光散射強或不透明的樣品，如凝膠，溶膠，粉末，生物試樣等，廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境保護等領(lǐng)域。在此之后，光聲效應(yīng)陸續(xù)被應(yīng)用于各個領(lǐng)域中，但進展仍相當遲緩。直到90年代后期，基于光聲效應(yīng)的光聲成像技術(shù)才迅速發(fā)展起來并被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

2、光聲成像原理與系統(tǒng)光聲信號產(chǎn)生的基本原理是：當用短脈沖激光照射吸收體時，吸收體中的分子吸收光子后，當滿足一定的條件時，吸收體分子的電子從低能級躍遷到高能級而處于激發(fā)態(tài)，而處于激發(fā)態(tài)的電子極不穩(wěn)定，當電子從高能級向低能級躍遷時，會以光或熱量的形式釋放能量。在光聲成像應(yīng)用中通常會選擇合適波長的激光作為激發(fā)源，使吸收的光子的能量轉(zhuǎn)化為熱能的效率最大，通常從光能轉(zhuǎn)化為熱能的效率可達到90%以上。釋放的熱量導(dǎo)致吸收體局部溫度升高，溫度升高后導(dǎo)致熱膨脹而產(chǎn)生壓力波，這就是光聲信號。因此，光聲信號的產(chǎn)生過程就是“光能”－“熱能”－“機械能”的轉(zhuǎn)化過程。

圖1 光聲成像工程 (a)光聲信號激發(fā)與探測；(b)光聲成像實現(xiàn)過程示意圖

光聲成像過程可以分為三個部分：信號的產(chǎn)生、信號的接收和信號處理及圖像重建（見圖1）。由于脈沖激光器具有光聲轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點，因此通常被作為光聲成像研究中產(chǎn)生信號的激勵源。脈沖激光器發(fā)出的激光束照射在待研究組織樣品上，由于組織樣品的吸收效應(yīng)，在樣品內(nèi)部形成了與組織光學(xué)參數(shù)相關(guān)的能量沉積分布。由于激光脈寬很窄（ns）吸收的能量不能在短時間內(nèi)釋放，導(dǎo)致瞬間溫度變化，從而通過熱彈機制轉(zhuǎn)化為熱膨脹。周期性熱流使周圍的介質(zhì)熱脹冷縮而激發(fā)超聲波，由于這種超聲波信號的特殊產(chǎn)生機理，為了區(qū)別于其它的超聲信號，通常稱為光聲信號。利用超聲探測器接收光聲信號并對采集到的信號進行適當?shù)靥幚砗筒捎孟鄳?yīng)的圖像重建算法，就能夠得到樣品內(nèi)部光能量沉積的分布。當保證入射光的均勻性的前提下，光聲重建圖像與吸收分布具有一一對應(yīng)的關(guān)系。

3、技術(shù)特點光聲成像將光學(xué)成像和超聲成像的優(yōu)點結(jié)合起來，一方面，在光聲成像中用來重建圖像的信號是超聲信號，生理組織對超聲信號的散射要比光信號低2到3個數(shù)量級，因此它可以提供較深的成像深度和較高的空間分辨率；另一方面，光聲成像根據(jù)不同組織對可見光、近紅外光或無線電頻率(Radio frequency)電磁波的選擇性吸收，利用特定波長的激光脈沖對組織進行照射，并間接地對脈沖能量在生理組織中的吸收分布進行成像，成像的是被“吸收”的光能，這在純光學(xué)成像中是無法做到的，因此相比純超聲成像，光聲圖像中不同組織間的光學(xué)對比度較高。光聲成像與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)相比具有如下特點：

第一，由于激光的窄線寬，利用生物組織的高光譜選擇性吸收差異，光聲成像能夠?qū)崿F(xiàn)高特異性光譜組織的選擇激發(fā), 不僅可以反映組織結(jié)構(gòu)特征，更能夠?qū)崿F(xiàn)功能成像，開創(chuàng)了一種有別于傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的新成像方法與技術(shù)手段。

第二，光聲成像結(jié)合了光學(xué)成像和聲學(xué)成像的優(yōu)點。一方面，比純光學(xué)成像穿透更深（可突破激光共聚焦顯微成像(LCSM)、雙光子激發(fā)顯微成像(TPEF)、光學(xué)弱相干層析成像（OCT）等高分辨率光學(xué)成像深度“軟”極限（~1mm）；另一方面，比傳統(tǒng)的MRI以及PET成像擁有更高的分辨率；其圖像分辨率可達到亞微米、微米量級，可實現(xiàn)高分辨率的分子成像。

第三，光聲成像是一種非侵入式成像技術(shù)，這對于在體成像非常重要。由于使用的激光功率密度低于生物組織損傷閾值，組織中產(chǎn)生的超聲場強度遠遠低于組織的損傷閾值，所以光聲成像是一種非入侵、非電離的無損傷的成像技術(shù)。

第四，隨著光聲成像系統(tǒng)的一體化、小型化，該成像系統(tǒng)比傳統(tǒng)的MRI以及PET腦功能成像系統(tǒng)價格更便宜，使用更便捷，利于普及和推廣。

因此，無損光聲成像作為一種新興的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，能夠在一定的深度下獲得足夠高的分辨率和圖像對比度，圖像傳遞的信息量大，可以提供形態(tài)及功能信息，在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

4、研究分支

圖2 光聲斷層成像系統(tǒng)構(gòu)架圖

圖3 光聲顯微鏡系統(tǒng) (a)多軸光纖；(b)聚焦透鏡；(c)錐型透鏡；(d)光學(xué)聚焦鏡和超聲探測器；(e)水箱；(f)動物固定支架；(g)采樣器和參考光纖；(h)溫度控制器；(i)電機電源；(j)計算機；(k)數(shù)字示波器；(l)控制電機的計算機

目前光聲成像的主要研究分支有光聲斷層成像（Photoacoustic tomography, PAT，見圖2）、光聲顯微成像（Photoacoustic microscopy, PAM，見圖3）、光聲內(nèi)窺成像（Intravascular photoacoustic imaging, IVPAI）。光聲斷層成像清晰地探測到活體小鼠腦血管分布（見圖4），根據(jù)血容量、血流、血氧等參數(shù)反映了腦功能信息。光聲成像技術(shù)將為腦功能研究提供新的技術(shù)手段?；诠饴暢上穹从彻馕盏奶匦裕芯空甙l(fā)展了多波長光聲成像技術(shù)并且應(yīng)用于腫瘤成像，獲得高分辨率的腫瘤新生血管的形態(tài)學(xué)信息、由血氧飽和度反映的腫瘤代謝信息。光聲成像技術(shù)為腫瘤的早期診斷與治療監(jiān)控提供了強大的技術(shù)支持。多波長光聲成像在檢測活體深層熒光蛋白表達以及基因活性方面取得令人振奮的效果。多波長內(nèi)窺光聲成像針對動脈粥樣硬化斑塊進行檢測，通過光譜解析獲得了動脈粥樣硬化斑塊組份信息（見圖5），為光聲內(nèi)窺成像應(yīng)用于心腦血管疾病檢測奠定了實驗基礎(chǔ)。隨著光聲顯微鏡的出現(xiàn)，光聲成像發(fā)展到了一個新的階段。光聲顯微鏡將橫向分辨率提高了一個數(shù)量級達到了45μm。利用光聲顯微成像技術(shù)不僅可以獲得高分辨率黑色素瘤的實體和周圍的微血管的形態(tài)結(jié)構(gòu)圖像（見圖6），還可以得到活體動物的血氧飽和度信息（見圖7）。亞波長光學(xué)分辨率光聲顯微鏡的出現(xiàn)將光聲成像技術(shù)的分辨率提高到前所未有的高度，達到了221 nm。光學(xué)分辨率的光聲顯微鏡（OR-PAM）可以輕而易舉地對黑色素瘤細胞和血紅細胞進行單細胞成像。光聲納米探針的發(fā)展為光聲成像增添了活力?；谕庠垂饴暭{米探針，研究者們發(fā)展了光聲分子成像和光聲治療。光聲分子成像實現(xiàn)了在磁環(huán)境中對在血液中循環(huán)的腫瘤細胞進行探測以確定腫瘤細胞是否轉(zhuǎn)移，最后發(fā)展成了光聲流式細胞儀。

圖4 光聲腦部損傷恢復(fù)過程的連續(xù)監(jiān)控成像，(a)～(f)分別為小鼠損傷后第1天、3天、5天、7天、9天和11天的腦部皮層血管光聲重建圖像；（g）為損傷恢復(fù)后小鼠腦部解剖照片

圖5 通過光譜解析方法獲得的動脈粥樣硬化血管內(nèi)窺光聲圖像

圖6 光聲顯微鏡監(jiān)測小鼠耳部黑色素瘤生長過程 (a)注射黑色素瘤前小鼠耳部血管的光聲顯微成像結(jié)果；(b)注射部位的在體光聲成像，RBC表示紅細胞；(c)注射黑色素瘤細胞4天后血管網(wǎng)絡(luò)光聲圖像，MT表示黑色素瘤；(d)光學(xué)顯微成像結(jié)果。

圖7 使用第二代光學(xué)分辨率的顯微鏡檢測老鼠耳朵中血氧含量

作為新一代的無損醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，光聲成像可以無標記地對單個細胞成像、可以對血管形態(tài)的高分辨成像、對不同組織的成份進行解析和對血液參數(shù)高特異性的功能檢測。光聲成像實現(xiàn)了從細胞到組織結(jié)構(gòu)的多尺度示蹤及功能成像。光聲成像可以用于研究動物體腦功能、腫瘤細胞轉(zhuǎn)移和腫瘤形態(tài)結(jié)構(gòu)，生理、病理特征，血流異常、藥物代謝功能、深層熒光蛋白表達、基因活性等方面的內(nèi)容，為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域提供了重要研究及監(jiān)測手段，具有良好的發(fā)展前景和廣泛的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用潛力。預(yù)期光聲成像技術(shù)將會引起基礎(chǔ)生命科學(xué)以及臨床醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域的變革。

5、光聲成像應(yīng)用光聲成像能夠有效的進行生物組織結(jié)構(gòu)和功能成像，為研究生物組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)，生理特征，病理特征，代謝功能等提供了重要的手段，特別適合于癌癥的早期檢測和治療監(jiān)控。目前的光聲成像技術(shù)多用于科研，光聲成像已經(jīng)成為一個快速發(fā)展的研究領(lǐng)域，現(xiàn)今光聲技術(shù)正由微觀實驗室階段逐步走向宏觀臨床實踐階段。

光聲成像目前可用于：

1. 心血管研究：對小動物活體進行心血管疾?。ㄑ苌?生長、心肌炎、血栓、心梗等）的深入研究，系統(tǒng)可輸出血紅蛋白濃度和血氧飽和度的定量數(shù)據(jù)。

2. 藥物代謝研究：利用分子影像學(xué)技術(shù)，實時監(jiān)測標記藥物在動物體內(nèi)的運動情況，從而判斷該藥物是否能夠準確到達靶區(qū)和代謝途徑，以及治療效果評測。

3.腫瘤研究：直接快速地測量和跟蹤各種癌癥模型中腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移，及伴隨的血管生成過程,如肝癌模型、骨轉(zhuǎn)移模型等；并可對腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移（或癌癥治療）中血紅蛋白濃度和血氧飽和度的變化、血管生成抑制效果等信息進行實時成像與分析。

4. 基因表達：在活體動物體內(nèi)觀察和研究基因的表達, 細胞或組織特異性, 及其治療反應(yīng)。

5.干細胞及免疫研究：標記細胞，實時觀測動物體內(nèi)干細胞治療效果,并用于抗腫瘤免疫治療。

6.細菌與病毒研究：通過對細菌與病毒進行特異性熒光探針標記，研究侵染過程等。轉(zhuǎn)基因動物模型：如大小鼠的疾病模型。

7.疾病早期診斷：用分子影像學(xué)可對分子水平的病變進行檢測，遭遇以病理改變?yōu)樵u判基礎(chǔ)疾病診斷，實現(xiàn)疾病早期診斷。

及其它應(yīng)用領(lǐng)域：如分子光學(xué)、腦科學(xué)研究等。

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本詞條內(nèi)容貢獻者為:

楊思華 - 副研究員 - 華南師范大學(xué)