光声成像论文

光声成像技术

【摘要】

光声成像是近年来发展起来的一种无损医学成像方法，它结合了纯光学成像的高对比度特性和纯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。光声成像技术基于光声效应，应用在医学领域里，有着其他医学影像设备不可超越的特长。

【关键字】

光声成像技术，原理，优点，医学应用，发展前景

随着科学技术的进步,生物组织无损检测技术蓬勃发展,医学对人体某些疾病的检测,如人体组织成分(血糖、血氧)检测、组织病变细胞检测、以及组织切片检测等,正由传统的基于症状的有创检测模式向以信息为依据的无损检测模式转变。由于在600～1300nm之间的近红外"光学窗"范围内, 生物组织的透光性能好,对光的吸收小,且近红外技术能够实现真正意义上的无损检测,所以,近红外技术成为目前生物无损检测技术的研究重点。然而,组织的强散射特性制约了近红外技术的应用,严重影响了其测量的精度和使用范围。但是基于光声效应的时域光声谱技术将光学和声学有机地结合起来,部分地克服了光在组织中传输时组织强散射效应的影响。

在这种背景下，光声成像成为近年来发展起来的一种无损医学成像方法，它结合了纯光学成像的高对比度特性和纯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。

光声技术的理论基础是光声效应（用光辐照某种媒质时, 由于媒质对光的吸收会使其内部的温度改变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。），其成像原理是当一束光照射到生物组织上以后,生物组织吸收光能量而产生热膨胀,伴随着热膨胀会产生超声波,吸收光能量的多少决定了产生的超声波的强度。于是不同的组织就会产生不同强度的超声波,可以用来区分正常组织和病变组织。正是由于这一特点,光声技术在医学中有着广泛的应用前景。光声技术的最大优点就是试样不用经过预处理就直接可以进行光声信号相位与幅度的测量,不仅操作简单而且能够保持生物试样的自然形态,可以进行活体检测。光声技术的应用非常广泛,其中以医学中的应用最为重要。

光声层体成像的最大优点就是高分辨率和高对比度,特别是当组织的不同部分吸收系数和散射系数差别很大的时候,就能够取得更理想的效果。特别是组织中的血红蛋白的吸收特性和散射特性都很好,所以光声成像对血管的成像效果特别好,无论是对血管系统疾病的直接诊断,还是对血管周围的病变组织进行成像,都有很好的效果。光声成像正逐步成为生物组织无损检测技术领域的另一研究热点。它在生物无损检测领域内主要的应用方向是人体组织成分检测和组织层析成像。下面我们列举几个例子，来看看光声成像技术在医学领域的应用。

（一）脑成像

利用光声成像技术进行脑成像研究是医学成像技术的研究热点之一。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。目前，常用的脑成像技术包括功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，FMRI)、正电子发射断层扫描技术（Positron Emission Tomography，PET）和单光子发射计算机断层成像(Single Photon Emission Computed Tomography，SPECT)。与上述三种技术相比，光声技术用于脑成像不仅具有无损伤、成本较低的优点，而且还可获得氧化型和还原型血红蛋白的分布特性，提供更加完整的脑部血氧

含量水平的分布图像，可以在完全无损伤的情况下对脑的高级功能活动进行观察分析并提供高分辨率和高对比度的脑组织光声图像。

图1：老鼠大脑结构声光成像图

光声成像技术清晰地探测到活体小鼠脑血管的分布及颅内小脑、海马、侧室等结构, 并得到了脑实质病损的得到了清晰成像; 同时还通过刺激老鼠胡须得到了该大脑皮层中枢的脑血管血流动力学改变的图像。

（二）血氧含量测定

光吸收增强剂的外源染料吲哚菁绿注射到血液系统后增加了血管对光的选择性吸收,从而增强了血管光声信号的强度。吲哚菁绿,又称靛青绿,是FDA认证的光吸收对照增强的红外感光染料。ICG静脉注入体内后,迅速和血红蛋白结合,随血循环迅速分布于全身血管内。由于ICG 与血红蛋白结合率高,又具有不被肝外组织吸收的特点,因而成为一种高效的血管标记染料,已被广泛应用于血管造影研究及肿瘤检测。

（三）肿瘤血管成像

光声成像技术可以为肿瘤早期检测提供高对比度高分辨率的图像, 还可对肿瘤的治疗过程以及疗效进行监测。肿瘤的快速生长离不开丰富的血管系统，研究表明肿瘤与血管新生有着密不可分的联系。检测血管的生成情况可为抗血管生成药物的研制，肿瘤治病机制的研究，以及肿瘤模型的建立等提供检测手段。

图2是异型移植肿瘤的小鼠体内肿瘤血管系统成像，从不同的角度可以清晰的看出血管直径的变化，血管扭曲，潜在的血流库，血管分流等。

对比现有的医学成像技术，光声成像这种结合了光学成像和超声成像各自的优势的成像模式，具有其他成像技术所不具备有的一些优势：在成像深度方面，光声成像有明显的优势，

突破了软极限；成像深度和成像分辨率在一定范围内可调；利用内源信号的反差，实现功能成像；利用外源性造影剂，可实现分子成像，甚至能观察基因表达；利用声信号的多普勒效应还可测出血流速度；无创伤无辐射,对人体无害，非常安全，可应用于临床。虽然目前绝大多数工作还处于实验室阶段，距临床还有相当的一段距离，但是近年来光声成像技术得到迅速发展，前期的成果已经让人们看到该技术的光明前景。

随着硬件( 光源和声探测器) 性能的提高和技术路线的改进，光声成像技术一定会在医学领域发挥出巨大的功用，产生巨大的社会和经济效益。

【参考文献】

【1】何军锋，谭毅，光声成像技术在生物医学中的研究进展, 激光技术,，第31卷第5 期，2007

【2】钱梦碌，光声成像技术及其在医学超声中的应用，声学技术，第28卷第6期，2009 【3】丁香园，光声成像—光学和超声的完美结合，2011-09-20

【4】王世伟等，医学影像实用技术教程，中国铁道出版社