生物醫(yī)學(xué)光聲成像

1、物理學(xué)和高新技術(shù)生物醫(yī)學(xué)光聲成像徐曉輝李暉3(福建師范大學(xué)物理與光電信息科技學(xué)院醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室福州350007)摘要能夠?qū)M織體中的光學(xué)吸收體進(jìn)行量化評(píng)估的光聲成像(photoacousticimaging)是一種有發(fā)展前景的醫(yī)學(xué)成像模式.文章綜述了處于快速發(fā)展階段的光聲成像技術(shù).文章首先介紹光聲成像的物理基礎(chǔ)光聲效應(yīng).在此基礎(chǔ)上,闡述光聲成像技術(shù)的優(yōu)勢(shì)所在(與光學(xué)以及超聲成像相比較).然后討論目前該領(lǐng)域的主要技術(shù)路線,包括掃描層析術(shù)、計(jì)算機(jī)層析術(shù)以及原位探測(cè)成像技術(shù).最后簡(jiǎn)要總結(jié)了光聲成像技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的主要應(yīng)用.關(guān)鍵詞生物醫(yī)學(xué)光子學(xué),光聲成像,光聲效應(yīng),層析術(shù),生

2、物醫(yī)學(xué)應(yīng)用PhotoacousticimagiimXU2IHui(KeyLaboratoryofOandforMedicine,MinistryofEducation,SchoolofPhysicsandOpto2FujianNormalUniversity,Fuzhou,Fujian350007,China)Abstractimagingisapromisingmethodforvisualizingbiologicaltissueswithopticalabsorbers.Thisarticleprovidesanoverviewoftherapidlydevelopingfieldofp

3、hotoacousticimaging.Photoacoustics,thephysicalbasisofphotoacousticimaging,isanalyzedbriefly.Themeritsofphotoacoustictechnology,comparedwithopticalimagingandultrasonicimaging,aredescribed.Variousimagingtechniquesarealsodiscussed,inclu2dingscanningtomography,computedtomographyandoriginaldetectionofpho

4、toacousticimaging.Finally,somebiomedicalapplicationsofphotoacousticimagingaresummarized.Keywordsbiomedicalphotonics,photoacousticimaging,photoacoustics,tomography,biomedicalapplication1引言在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中,成像技術(shù)對(duì)疾病的診斷、監(jiān)控和研究具有十分重要的意義.在成像技術(shù)中,近年來(lái)異軍突起的光聲成像(photoacoustic/optoacousticimaging)技術(shù)被認(rèn)為是一種有發(fā)展前景的成像模式15測(cè)的是超

5、聲信號(hào),所以該技術(shù)克服了純光學(xué)成像技術(shù)在成像深度與分辨率上不可兼得的不足.另外,光聲技術(shù)的圖像差異來(lái)源于組織體光學(xué)吸收的不同,這就能夠有效地補(bǔ)充純超聲成像技術(shù)在對(duì)比度和功能性方面的缺陷.所以,光聲技術(shù)有可能實(shí)現(xiàn)對(duì)組織體較大深度的高分辨率、高對(duì)比度的功能成像.也正是源于光聲成像技術(shù)以上獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),使得該技術(shù)在近年來(lái)贏得了普遍的重視,并且得到快速的發(fā)展.本文將對(duì)新興的光聲成像技術(shù)作簡(jiǎn)要的回顧和討論,并重點(diǎn)地介紹處于快速發(fā)展階段的光聲成像技術(shù)的物理學(xué)原理技術(shù)及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的主要應(yīng)用.3國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):60578056)、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):NCET20420615)

6、、福建省自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):A052001)資助項(xiàng)目2007-08-25收到初稿,2007-10-09收到修改稿.生物醫(yī)學(xué)光聲成像技術(shù)是指:當(dāng)寬束短脈沖激光輻照生物組織時(shí),位于組織體內(nèi)的吸收體(如腫瘤)吸收脈沖光能量,從而升溫膨脹,產(chǎn)生超聲波;這時(shí),位于組織體表面的超聲探測(cè)器件可以接收到這些外傳的超聲波,并依據(jù)探測(cè)到的光聲信號(hào)來(lái)重建組織內(nèi)光能量吸收分布的圖像.由上可見(jiàn),光聲成像技術(shù)檢測(cè)的是超聲信號(hào),反映的是光能量吸收的差異.所以該技術(shù)能很好地結(jié)合光學(xué)和超聲這兩種成像技術(shù)各自的優(yōu)點(diǎn):由于探通訊聯(lián)系人.Email:hli物理37卷(2008年)2期http:111物理學(xué)和高新技術(shù)的能流率F.也就

7、是說(shuō),光聲圖像上的差異與Fa、2光聲效應(yīng)光聲效應(yīng)是指物質(zhì)受到周期性強(qiáng)度的光照射而產(chǎn)生聲信號(hào)的現(xiàn)象.當(dāng)光源不同或者光與物質(zhì)作用方式不同時(shí),光致超聲的過(guò)程存在著多種可能的物理機(jī)制.當(dāng)前新興的生物醫(yī)學(xué)光聲成像技術(shù)所利用的物理基礎(chǔ)是其中的熱彈性機(jī)制(thermoelastics)輻照的光mechanism),即受短脈沖光(脈寬<1吸收介質(zhì)在吸收光能量后快速升溫膨脹從而產(chǎn)生超聲的現(xiàn)象(如圖1所示).為了便于討論,可將該過(guò)程分為以下3個(gè)步驟:(1)脈沖光輻照生物組織,組織內(nèi)吸收體吸收光能量;(2)基于熱彈性機(jī)制的光致超聲過(guò)程;(3)本地光聲信號(hào)的外傳與探測(cè).為了加深對(duì)光聲成像的理解,下面我們對(duì)該過(guò)程

8、進(jìn)行進(jìn)一步的分析.6,7兩個(gè)因素有關(guān).近年來(lái),Cox,Laufer等人提出了基于吸收系數(shù)為對(duì)比度的量化光聲成像(quantita2tivephotoacoustictomography)的概念:通過(guò)利用一個(gè)基于漫射近似的有限元光傳輸模型消除能流率F項(xiàng)的影響,從而得到組織體中吸收體吸收系數(shù)的分11布.另外,Yuan也把漫射近似方程結(jié)合到光聲層析術(shù)中,并用模擬樣品從實(shí)驗(yàn)上展示了該方法可以得到吸收體的吸收系數(shù).由于組織的生化信息直接與組織的光學(xué)吸收性質(zhì)有關(guān)的,所以從理論上來(lái)說(shuō),量化光聲成像技術(shù)更具有發(fā)展意義.但是,鑒于生物性,還需要研究12.910有多種物理機(jī)制可引起光激發(fā)超聲的效應(yīng).目前,在光聲成

9、像領(lǐng)域中,所應(yīng)用的是熱彈性膨脹(thermoelasticexpansion).基于熱彈性機(jī)制的光聲過(guò)程是指:一束短脈沖(ns量級(jí))激光輻照生物組織,組織中具有強(qiáng)光學(xué)吸收特性的吸收體(如血紅蛋白)吸收光能量之后,引起其升溫和膨脹;吸收體體積的膨脹會(huì)擠壓周圍的組織從而產(chǎn)生本地的壓力波.為了保證光致超聲是線性過(guò)程,脈沖光源的脈寬13必須滿足兩個(gè)條件:熱限制(thermalconfine2ment)和壓力限制(stressconfinement).為此,光聲成像中絕大多數(shù)的光源選擇脈寬為ns量級(jí)的調(diào)QNd:YAG的光源.短脈沖光源意味著光脈沖的持續(xù)時(shí)間比組織中吸收體的熱擴(kuò)散和壓力擴(kuò)散的時(shí)間要小得多,

10、如此,在激光脈沖輻照生物組織過(guò)程中,壓力擴(kuò)散和熱擴(kuò)散的影響便可忽略.在滿足熱限制和壓力限制這兩個(gè)條件的情況14下,本地壓力波幅值可近似表達(dá)為P0=(cs/Cp)aF=E,其中是等體積膨脹系數(shù),cs是聲速,Cp是生物組織的比熱容,a是吸收體的吸收系數(shù),F是指本地的光能流率,E是沉積的光能量(E=aF);是格2日尼森系數(shù)(Gruneisencoefficient),表為=cs/Cp,形容光能量沉積轉(zhuǎn)化為超聲的效率;在室溫下,大多數(shù)組織的在0.12左右.圖1光聲效應(yīng)示意圖2.1脈沖光輻射組織當(dāng)擴(kuò)束短脈沖(ns量級(jí))激光輻照生物組織時(shí),首先是光在組織內(nèi)傳播并形成光能量沉積的過(guò)程.所以,光聲成像技術(shù)中一

11、個(gè)需要慎重考慮的問(wèn)題是,寬束短脈沖激光輻照特定組織體時(shí)光能量吸收分布情況以及該分布對(duì)最后光聲信號(hào)的影響.目前,對(duì)于該問(wèn)題各研究小組還未給予足夠的重視.除了劉英杰等人8研究了周圍組織的光學(xué)性質(zhì)對(duì)光聲信號(hào)強(qiáng)度的影響外,很少有該方面的工作的報(bào)道.總的來(lái)說(shuō),該方面的工作尚待加強(qiáng).如,研究不同光源參數(shù)(波長(zhǎng)、脈寬等)情況下,不同組織(乳腺,皮膚等)中不同吸收體的光能量沉積差異,從中找到針對(duì)不同疾病成像時(shí)的優(yōu)化光源.相信這些基礎(chǔ)研究工作對(duì)于光聲技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展大有裨益.另一個(gè)與光分布有關(guān)的問(wèn)題是光聲圖像的對(duì)比度來(lái)源.在目前光聲成像中,絕大多數(shù)的工作是以吸收體的光能量沉積為對(duì)比度.而吸收體的能量沉積與兩個(gè)因

12、素有關(guān):吸收體吸收系數(shù)a和到達(dá)吸收體2112.3光聲信號(hào)的外傳過(guò)程基于熱彈性膨脹產(chǎn)生的本地壓力將作為聲源向外傳播,其頻譜范圍大致在100kHz到100MHz.在http:物理37卷(2008年)2期物理學(xué)和高新技術(shù)該過(guò)程中,以下一些因素可能對(duì)光聲信號(hào)的飛行時(shí)間、脈寬等產(chǎn)生影響,從而影響成像質(zhì)量,這些因素包括:(1)聲學(xué)性質(zhì)的各處異性;(2)聲衰減;(3)聲衍射.2.3.1聲學(xué)性質(zhì)的各處異性在重建圖像中,組織的聲速被應(yīng)用于確定吸收體的具體位置.目前,絕大多數(shù)的工作都假設(shè)組織的s,且各處同性的.但是,實(shí)際上不聲速為1.5mm/同組織或組織中不同位置的聲速具有一定的變動(dòng)15性,大約是10%.所以這種

13、假定可能導(dǎo)致重建所得圖像不能確切地反應(yīng)出組織體真實(shí)的結(jié)構(gòu)分布.因此,在聲速差異性明顯時(shí),確定所探測(cè)對(duì)象的聲速16是必要的.Yuan等人把超聲傳播過(guò)程的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式代入光聲波動(dòng)方程,通過(guò)迭代的方法得到了組17織中聲速的分布情況.2007年,Kolkman等人用一雙環(huán)的換能器探測(cè)光聲信號(hào),吸收體以及組織的聲速的分布.,Zeng19Niederhauser,從而.2.3.2聲衰減由于組織的吸收和散射,寬譜特性的光聲信號(hào)15在外傳的過(guò)程中將會(huì)衰減.超聲在組織中傳播衰減的情況與超聲的頻率相關(guān),具體關(guān)系可以近似地b用下式表示:sa=af,其中sa是組織的衰減系數(shù),a,b是常數(shù),其值取決于組織成分和結(jié)構(gòu);f

14、是指超聲的頻率.從該式可以看出,在組織中,光聲信號(hào)中的高頻率部分衰減的速度比低頻率的超聲要快得多.而光聲信號(hào)中高頻部分的損耗,不但會(huì)擴(kuò)大光聲脈沖的邊緣特征,從而減低圖像分辨率,而且還會(huì)減小光聲脈沖的幅值,從而降低的成像的深度和圖像m)成像的對(duì)比度(特別是對(duì)于微小物體(1010020時(shí)).最近,譚毅等人發(fā)展了針對(duì)光聲信號(hào)中不同頻率成分進(jìn)行衰減矯正的信號(hào)處理方法,此方法增強(qiáng)了光聲信號(hào)的高頻成分,突出了吸收體的邊界情況和細(xì)微的結(jié)構(gòu)特征,提高了成像系統(tǒng)的分辨率.2.3.3聲衍射電材料的換能器中所用的材料主要是壓電陶瓷(PZT)和高分子壓電材料聚偏氟乙烯(PVDF).252000年,Oraevsky等人

15、對(duì)這兩種材料的換能器的性能進(jìn)行了比較,認(rèn)為PZT具有很高的靈敏度,在大塊組織(如女性的乳腺組織)的深度成像方面有優(yōu)勢(shì).而PVDF雖然在靈敏度方面與壓電陶瓷比較稍有不足,但由于其具有寬的響應(yīng)帶寬,易制作,低聲阻抗等的優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是普遍適用的光聲成像探測(cè)材料.15圖2基于棱鏡的光聲光學(xué)檢測(cè)另一個(gè)探測(cè)寬譜特征的光聲信號(hào)方法是光學(xué)檢測(cè).光學(xué)檢測(cè)是基于光聲-壓力-表面位移或27,28(如圖2折射率改變的原理.其中,Paltauf等人所示)將一棱鏡放置于被測(cè)物體表面,通過(guò)檢測(cè)被2633光聲信號(hào)調(diào)制的反射光束的強(qiáng)度來(lái)達(dá)到檢測(cè)光聲信29,30號(hào)的目的.Beard等人提出用一個(gè)基于高分子薄膜的法布里-珀羅干涉儀

16、來(lái)檢測(cè)光聲信號(hào).如圖3所示,由于激發(fā)的光聲信號(hào)可調(diào)制高分子薄膜的光學(xué)厚度,從而改變了相應(yīng)的反射光束的信號(hào)強(qiáng)度.如此,通過(guò)解調(diào)光電二極管探測(cè)到的信號(hào)便可得到樣品中的光學(xué)吸收體分布情況.另外,其他光學(xué)檢測(cè)3033的方法也被應(yīng)用于光聲信號(hào)的測(cè)量.另外,超聲在傳播過(guò)程中的衍射會(huì)也改變光聲21信號(hào)的特征(如幅值,波形).這個(gè)問(wèn)題在利用時(shí)2224間分辨光聲信號(hào)實(shí)現(xiàn)層狀介質(zhì)的深度分辨中特別需要注意.2.4光聲信號(hào)的檢測(cè)圖3基于法布里-珀羅干涉儀的光聲光學(xué)檢測(cè)與壓電材料的換能器比較,光學(xué)檢測(cè)光聲信號(hào)34方法在靈敏度和信噪比方面有較大差距,但是由于光學(xué)方法有潛力應(yīng)用于無(wú)接觸、大面積,高分辨率的快速檢測(cè),所以其可

17、能在人體表層細(xì)微血管成像311在目前絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)工作中,光聲檢測(cè)用的壓物理37卷(2008年)2期http:物理學(xué)和高新技術(shù)等方面有大的發(fā)展?jié)摿?3.3光聲成像的優(yōu)勢(shì)3光聲成像的優(yōu)勢(shì)從光聲效應(yīng)的過(guò)程可以看出,光聲成像技術(shù)是通過(guò)探測(cè)外傳的超聲信號(hào)來(lái)反映組織體光學(xué)吸收的差異,因此,它就能很好地結(jié)合光學(xué)成像和超聲成像各自的優(yōu)勢(shì).3.1光學(xué)成像比較光學(xué)成像和超聲成像這兩種技術(shù)可發(fā)現(xiàn)兩者具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性.如果能將兩者有機(jī)的結(jié)合在一塊,那對(duì)醫(yī)學(xué)診斷將具有積極意義.光聲成像技術(shù)恰好能夠滿足以上的要求:首先光聲成像是以脈沖光為光源激發(fā),圖像反映的是光學(xué)吸收的差異,故繼承了光學(xué)成像在功能性和靈敏性方面的優(yōu)勢(shì);同

18、時(shí),光聲成像探測(cè)的是外傳的超聲信號(hào),故兼得了超聲在成像深度和分辨率可兼顧的長(zhǎng)處.所以,結(jié)合了光學(xué)和超聲方法的光聲成像技術(shù)能實(shí)現(xiàn)對(duì)病灶組織的功能狀況的高分辨率和高對(duì)比度的深度分辨.另外,:(1)該技術(shù)采,);(3)有潛力與,可獲得更多的;(4)成像深度和成像分辨率可根據(jù)實(shí)際中醫(yī)學(xué)應(yīng)用的需要進(jìn)行調(diào)整.光學(xué)方法的優(yōu)勢(shì)在于它的功能性和靈敏性.當(dāng)前,光與組織相互作用的過(guò)程可以唯象地看成吸收和散射兩方面:其中,組織的光學(xué)吸收性質(zhì)與組織所含成分有關(guān),而組織的成分變化能反映組織體生化狀態(tài)的變化,故從光學(xué)吸收性質(zhì)可判斷組織體的生化狀態(tài);米尺度的隨機(jī)變化,間的變化,.綜上可見(jiàn),組(散射和吸收)具有評(píng)估病灶組織生化

19、和形態(tài)狀態(tài)的能力.另外,光學(xué)性質(zhì)對(duì)組織發(fā)生的以上變化都很敏感.這使得光學(xué)成像有可能具備高的圖像對(duì)比度.因此,利用光學(xué)技術(shù)功能性和靈敏性的特點(diǎn)可對(duì)組織體功能進(jìn)行量化評(píng)估.但是,光輻照生物組織時(shí)表現(xiàn)出強(qiáng)散射的特性:散射系數(shù)典型值約為100cm.這種強(qiáng)的光散射性質(zhì)使得光學(xué)成像時(shí),分辨率和成像深度不可兼得.比35如,基于彈道光和準(zhǔn)彈道光的光學(xué)相干成像技術(shù)36m)上有優(yōu)和激光共聚焦顯微技術(shù)在分辨率(勢(shì),但成像深度(mm)卻有限.而成像深度(dm)37好的漫射光成像技術(shù)在分辨率(cm)上卻很難達(dá)到醫(yī)學(xué)診斷的要求.這方面的不足制約了光學(xué)成像技術(shù)在某些醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用.3.2超聲成像的優(yōu)勢(shì)和不足15-14技術(shù)

20、路線4.1掃描層析術(shù)如圖4(a)所示,掃描層析術(shù)是指利用聚焦換能器探測(cè)外傳的光聲信號(hào).由于聚焦換能器只能接收到處于超聲聚焦區(qū)軸向上的信號(hào),所以從換能器上得到的一維時(shí)間分辨信號(hào)可以反推出組織體在該方向上的一維光學(xué)吸收分布.組合橫向掃描得到的多個(gè)縱向一維信號(hào),便可成為一張斷面的二維圖像.使用聚焦換能器時(shí),圖像的橫向分辨率取決于換能器的焦斑大小;縱向分辨率則由光聲信號(hào)的頻率范圍和超聲換能器的沖擊波(t)響應(yīng)時(shí)間特性決定.最先采用聚焦換能器探測(cè)光聲39信號(hào).另外,Kolkman等利用一個(gè)PVDF材料的雙環(huán)換能器實(shí)現(xiàn)聚焦探測(cè)光聲信號(hào),其橫向分辨率可達(dá)到1mm,能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)皮下血管的成像(如圖4(b)

21、所示).1994年,Kruger等38與光在組織內(nèi)傳播表現(xiàn)出強(qiáng)散射不同,超聲在組織內(nèi)的散射比光弱23個(gè)數(shù)量級(jí).這意味著超聲成像技術(shù)在分辨率和成像深度方面某種程度上是可兼得的.但是超聲成像技術(shù)的圖像對(duì)比度的來(lái)源是組織體在機(jī)械屬性上的差異.這導(dǎo)致了超聲成像技術(shù)在早期癌癥診斷方面的局限性.另外,超聲技術(shù)不具備有評(píng)估組織體的功能的能力.在掃描層析術(shù)的技術(shù)基礎(chǔ)上,研究人員提出了40,41(Photoacousticmicroscopy)的概光聲顯微成像念:短脈沖激光和高頻率的聚焦超聲探測(cè)的應(yīng)用使m甚至更小)可達(dá)到得掃描層析術(shù)的分辨能力(30顯微成像的水平.這意味著該技術(shù)可對(duì)人體表層器官中處于一定深度的病

22、灶組織的大小、位置以及血42氧狀態(tài)進(jìn)行精確的成像.Zhang等人搭建的光聲顯微系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)手掌的血管分布和血氧狀態(tài)的411http:物理37卷(2008年)2期物理學(xué)和高新技術(shù)圖5計(jì)算機(jī)層析術(shù)原理示意圖法是逆求解光聲波動(dòng)方程的過(guò)程,所以對(duì)數(shù)據(jù)采集的完備性有要求.,.4.2-,來(lái)反演吸收體.該圖像重建算法的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單,靈活,對(duì)掃描方式要求不是那么嚴(yán)格.所以,該算法經(jīng)48,49由Hoelen等人提出并將其應(yīng)用于光聲圖像的重建工作中后,相繼被其他研究小組采用.雖然以上兩種算法應(yīng)用廣泛,但是其依然存在一些不足之處需要改進(jìn),例如:(1)圖像重建中均假設(shè)組織中聲學(xué)性質(zhì)各處同性.如前所述,不同組織或組織中

23、不同成分的聲學(xué)性質(zhì)是有變動(dòng)性的(特別是對(duì)于高頻的超聲).這種變動(dòng)性會(huì)導(dǎo)致圖像重建中產(chǎn)生偽跡;(2)在反演吸收體的過(guò)程中,均假定了吸收體形狀(球形或柱形).這與實(shí)際中的吸收體的形狀可能具有隨機(jī)性的事實(shí)不相符;(3)均對(duì)數(shù)據(jù)采集的角度要求較高.為了克服以上的困難,近年來(lái)研究人員發(fā)展了53幾種新的圖像重建算法,如:(1)Yang等提出的代數(shù)重建算法:該算法可以在有限的數(shù)據(jù)采集角度下,較好地提高圖像的對(duì)比度和分辨率.該算法可以有效克服濾波反投影算法對(duì)數(shù)據(jù)采集角度的高要求,但是其缺點(diǎn)是運(yùn)算的速度比較慢.(2)基于有限元或有限差分算法:該算法利用有限元或有限差55分的方法迭代求解光聲波動(dòng)方程.該方法的優(yōu)勢(shì)

24、是:準(zhǔn)確,對(duì)吸收體的形狀沒(méi)有要求,能夠求解波動(dòng)方程中聲速的各處異性等問(wèn)題.但是由于有限差分或有線元的方法對(duì)空間網(wǎng)格和時(shí)間分辨的要求,從而造成其計(jì)算速度方面的不足.(3)基于k空間的56算法:Cox等人首先提出了利用k空間模型求解光聲波動(dòng)方程,并由此發(fā)展了基于k空間的光聲圖57像重建算法.與有限元或有限差分方法比較,該511545052圖4(a)活體成像,該技術(shù)可能在皮膚.由于光聲顯微技術(shù)形成一幅圖像需要一個(gè)逐點(diǎn)掃描各象素點(diǎn)的過(guò)程,所以該技術(shù)在成像速度方面還稍有不足.這也限制了其在實(shí)時(shí)成像方面的應(yīng)用.4.2計(jì)算機(jī)層析術(shù)與掃描光聲成像技術(shù)不同,計(jì)算機(jī)層析術(shù)是利用非聚焦的超聲換能器接收來(lái)自全空間的所

25、有光聲信號(hào)(如圖5所示).所以光聲計(jì)算機(jī)層析術(shù)實(shí)際上是一個(gè)求解逆問(wèn)題的過(guò)程:通過(guò)在組織表面多個(gè)位置探測(cè)到的光聲信號(hào)反演組織中的光吸收分布情況.故該技術(shù)的一個(gè)核心內(nèi)容是圖像重建算法.目前,該領(lǐng)域最為常用的兩種算法是濾波反投影算法4347(filteredback2projectionalgorithm)和延遲-求和算法(delayand4852rithm).4.2.1濾波反投影算法1994年,Kruger等人Kostli等4643sumbeamformingalgo2首先將濾波反投影算法44用于光聲圖像的重建工作,隨后Xu,Yang45,分別對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn).該算法實(shí)為逆求解光聲波動(dòng)方程的過(guò)程,其

26、操作的基本過(guò)程如下:首先利用探測(cè)到的光聲時(shí)間分辨信號(hào)求解光聲速度勢(shì),然后反投影之,最后疊加整個(gè)掃描平面上各個(gè)位置得到的所有信號(hào),以確定吸收體的位置.由于該算物理37卷(2008年)2期http:物理學(xué)和高新技術(shù)算法可以降低求解過(guò)程中對(duì)空間網(wǎng)格和時(shí)間步長(zhǎng)的要求,從而可以提高計(jì)算的效率,被認(rèn)為是一種有發(fā)展?jié)摿Φ墓饴晥D像重建算法.4.3原位探測(cè)技術(shù)用.該單頻探測(cè)超聲束由于受到光聲場(chǎng)的調(diào)制而加載了光聲場(chǎng)分布的信息.然后,通過(guò)解調(diào)探測(cè)超聲便可重建原位光吸收分布.5生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用近年來(lái)光聲成像技術(shù)發(fā)展非常迅速,應(yīng)用的范圍也日趨廣泛,要將其一一列出實(shí)屬困難.所以,本文只對(duì)該技術(shù)最

27、主要的應(yīng)用范圍進(jìn)行總結(jié),包括乳腺癌的早期診斷、體表吸收體成像以及小動(dòng)物成像等.5.1原位探測(cè)技術(shù)是指直接檢測(cè)光聲源的信號(hào)而無(wú)需涉及后續(xù)光聲傳播的過(guò)程.所以,該方法不受聲傳播過(guò)程的影響,而且無(wú)需復(fù)雜的重建算法便可獲得組織中的吸收體分布情況.目前,在這方面有兩種有代表性的方法:(1)聲透鏡技術(shù);(2)超聲束調(diào)制.4.3.1聲透鏡技術(shù)利用聲透鏡成像的基本原理如圖6所示:使用一個(gè)共焦的聲透鏡把光學(xué)混濁介質(zhì)的光聲壓力分布映射到光學(xué)透明介質(zhì)(成像空間).這樣,通過(guò)探測(cè)鏡像的壓力分布情況便可重建出光聲源的分布情5860況.2003年,徐險(xiǎn)峰等人光聲成像系統(tǒng),61圖6所示).,通過(guò)檢,可直接實(shí)時(shí)的.在治療乳.

28、因.由于腫瘤的侵略性的快速增長(zhǎng),使其血管分布要比周圍正常組織密集,故表現(xiàn)出更強(qiáng)的光學(xué)吸收特性.因此,以光學(xué)吸收為對(duì)比度的光聲成像技術(shù)是一種原理上可行的乳腺診斷方法.而且,正常乳腺組織的光學(xué)性質(zhì)相對(duì)透明,聲衰減、聲畸變小,所以光聲技術(shù)被認(rèn)為是有發(fā)展?jié)摿Φ娜?3腺癌早期診斷工具.Esenaliev等人在乳腺組織模型中,測(cè)試了利用光聲技術(shù)檢測(cè)乳腺癌的靈敏性.結(jié)果表明,該技術(shù)可以在安全計(jì)量之下實(shí)現(xiàn)對(duì)深度達(dá)6cm的吸收體(直徑為0.62.0mm)的檢測(cè).為了進(jìn)一步擴(kuò)展光聲成像的靈敏度和對(duì)比度,Ku等64人把具有強(qiáng)光學(xué)吸收特性的分子探針I(yè)CG引入到光聲乳腺成像技術(shù)中,在雞肉組織中成功實(shí)現(xiàn)了5cm以上的成像

29、.另外,通過(guò)利用金納米粒子來(lái)增加光能量沉積從而實(shí)現(xiàn)光聲深度成像也是一個(gè)進(jìn)展中的研究方向.這些結(jié)果都說(shuō)明,光聲乳腺成像技術(shù)是有發(fā)展前景的.目前,比較有代表性、比較成熟的乳腺成像系統(tǒng)66主要有如下兩套:一個(gè)是Manohar等人發(fā)展的具有590探測(cè)元素的超聲換能器陣列的光聲乳腺成像系統(tǒng).該系統(tǒng)用1064nm的Nd:YAG激光輻照被兩塊玻璃輕輕夾著的女性乳腺,當(dāng)激發(fā)的光聲信號(hào)被換能器陣列探測(cè)到后,利用延遲-求和算法重建三維圖像.測(cè)試的結(jié)果表明,該成像系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)深度處于32mm的2mm直徑的吸收體成像.從所成的圖像看,該系統(tǒng)稍顯不足之處是分辨率(3mm左右)和圖像偽跡.另一個(gè)有代表性的工作是Orae

30、vsky小6769組開(kāi)發(fā)的乳腺成像系統(tǒng).在他們小組最新的光65圖6(a)基于聲透鏡成像的原理示意圖;(b)利用聲透鏡成像技術(shù)對(duì)模擬樣品進(jìn)行光聲成像4.3.2超聲束調(diào)制發(fā)展了一種基于超聲束調(diào)制的原位光聲信號(hào)檢測(cè)方法.該方法是利用一束單頻探測(cè)超聲穿過(guò)光聲激發(fā)區(qū)域,使之與光聲源產(chǎn)生非線性作Yao等61162http:物理37卷(2008年)2期物理學(xué)和高新技術(shù)以及周圍血管增生情況進(jìn)行細(xì)致的成像(如圖8所74示).另外,光聲成像在鮮紅斑痣皮膚、移植皮7576膚和熱燒傷等方面也有若干應(yīng)用.、分布以及周圖764(a)以及其活體乳腺檢測(cè)的光聲圖像(b)5.3小動(dòng)物成像小動(dòng)物模型(老鼠)被廣泛地應(yīng)用于生命科學(xué)

31、聲乳腺成像系統(tǒng)中,以1064nm的Nd:YAG激光為激發(fā)光源,利用64探測(cè)元素構(gòu)成的弧形換能器陣列活體監(jiān)測(cè)乳腺組織的光聲信號(hào)(如圖7所示).測(cè)試表明,該系統(tǒng)成像深度可達(dá)6cm,分辨率為0.51mm,成像速率為1Hz,其工作性能已基本達(dá)到臨床的需要.5.2體表吸收體成像69研究中,但是目前許多的研究工作都受限于無(wú)法無(wú)創(chuàng)地獲得動(dòng)物的結(jié)構(gòu)和生理信息.因此,一種能對(duì)小動(dòng)物功能、形態(tài)和分子信息進(jìn)行量化評(píng)估的成像技術(shù)對(duì)生命科學(xué)研究將具有重大意義.對(duì)于小動(dòng)物成像而言,光聲成像是一種很有吸7783引力的技術(shù):首先,光聲成像的對(duì)比度來(lái)自于光學(xué)吸收性質(zhì)的差異,故對(duì)組織的生化信息敏感(與磁共振成像以及超聲成像比起來(lái)

32、有優(yōu)勢(shì));第二,與做組織切片比較,光聲技術(shù)具有無(wú)損、快速、深度分辨等方面優(yōu)點(diǎn);另外,光聲技術(shù)在成像深度或分辨率方面比起純的光學(xué)技術(shù)也有優(yōu)勢(shì).Wang等77,78人應(yīng)用一套柱形掃描光聲成像系統(tǒng)成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)老鼠頭部的結(jié)構(gòu)、血紅蛋白含量以及血氧飽含度進(jìn)行非侵入的、高分辨率的成像(如圖9所79,80示).Kruger等發(fā)展了一套基于線形或弧形超聲陣列的光聲成像系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)了對(duì)老鼠皮膚表層8182血管的成像.另外,Siphanto和Ku等則利用光聲成像監(jiān)控老鼠身上腫瘤的血管增生情況.光聲技術(shù)的其他生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用還包括口腔癌診8485斷、血糖檢測(cè)等方面.相信隨著該技術(shù)的不斷成熟,光聲成像技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

33、的應(yīng)用還將不斷地?cái)U(kuò)展.人體表層分布物質(zhì),如血紅蛋白、黑色素等,具有強(qiáng)的光學(xué)吸收特性,所以同樣可以利用光聲效應(yīng)來(lái)評(píng)估體表這些吸收體的信息.而且由于其分布于人體表面,吸收體的光能量沉積充分,且受聲衰減和聲衍射影響比較小,所以在利用光聲技術(shù)對(duì)人體表層吸收體成像時(shí),具有高對(duì)比度、高分辨率的特征.對(duì)人體皮膚的血管或血管增生(angiogenesis)的結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行成像是近年來(lái)應(yīng)用的一個(gè)熱19,39,42,50,70,7142門.其中Zhang等人利用光聲顯微技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)手掌中血管結(jié)構(gòu)和功能的成像是該方面的代表作.光聲成像對(duì)體表吸收體的另一個(gè)重要應(yīng)72,7372用是黑色素的評(píng)估.Viator等提出利用光聲

34、效應(yīng)進(jìn)行人體皮膚的黑色素含量的評(píng)估.之后,Oh73等人則將光聲顯微技術(shù)應(yīng)用于黑瘤病中,結(jié)果顯示該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)黑瘤病中黑色素的尺度、分布物理37卷(2008年)2期http:711物理學(xué)和高新技術(shù)參考1文獻(xiàn)XuM.H,WangLH.Rev.Sci.Instrum.,2006,77:0411012006,33:431GuHM,YangSH,XiangLZ.Prog.Bio2chem.Biophys.,2006,33:431(inChinese)2谷懷民,楊思華,向良中.生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展,345678910ProceedingsofSPIE,5320,SanJos

35、e(CA,USA),2004ProceedingsofSPIE,5697,SanJose(CA,USA),2005ProceedingsofSPIE,6068,SanJose(CA,USA),2006TamAC.Rev.Mod.Phys.,1986,58:381SigristMW.J.Appl.Phys.,1986,60:83LiuYJ,SuYX,YaoJQetal.X-rays.Sci.Tec.,2005,13:129CoxBT,ArridgeSR,KostliKetal.App.Opt.,2006,45:1866J,Delpy.Med.Biol.,2007,52:JiangHPhys.Le

36、tt.,2006,88:23110121(Physics),1998,27(10):599(inChinese)12,1998,27(10):599XieSS,LiH.1314OraevskyAA,JacquesSL,TittelFK.App.Opt.,1997,36:402NiederhauserJJ.Real-timeBiomedcialoptoacousticima2ging.Dissertation,2004:515馮若.超聲手冊(cè).南京:南京大學(xué)出版社,1999FengL.HandbookofUltrasound.Nanjing:PublishingHouseofNan2jingUni

37、versity,1999(inChinese)161718YuanZ,ZhangQZ,JiangHB.Opt.Exp.,2006,14:6749KolkmanGM,SteenbergenW,LeeuwenTG.Opt.Exp.,2007,15:3291ZengYG,XingD,WangYetal.Opt.Lett.,2004,29:176019NiederhauserJJ,JaegerM,LemorRetal.Med.Imag.,2005,24:43820譚毅,邢達(dá),王毅等.光子學(xué)報(bào),2005,34:1019TanY,XingD,WangYetal.ActaPhotonicaSinica,20

38、05,34:1019(inChinese)2122232425EgerevSV,PashinAA.Acoust.Phys.,199339:54KarabutovAA,PodymovaNB,LetokhovVS.Appl.Phys.B,1996,63:545OraevskyAA,JacquesSL,TittelFK.Appl.Opt.,1997,36:402PaltaufG,Schmidt-KloiberHJ.Appl.Phys.,2000,88:1624OraevskyAA,KarabutovAA.Porc.SPIE,2000,3916:228IEEETrans.Ultraso.Ferroel

39、ec.Freq.Con2tr.,1986,33:48527282930PaltaufG,Schmidt2KloiberH,GussH.Appl.Phys.Lett,1996,69:1526PaltaufG,Schmidt2KloiberH,KostliKPetal.Appl.Phys.Lett.,2000,75:1048BeardPC,MillsTN.Appl.Opt.,1996,35:663BeardPC,MillsTN.Porc.SPIE,2001,4256:3426MonchalinJP.IEEETranc.圖9(a)柱形掃描光聲成像系統(tǒng);(b)老鼠頭部結(jié)構(gòu)的光聲成像(MCA是腦中部動(dòng)脈

40、,RH是右腦,L是創(chuàng)傷,LH是左腦)6總結(jié)和討論生物組織中的吸收體吸收短脈沖激光能量而升溫膨脹產(chǎn)生超聲的過(guò)程被應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像光聲成像中.這種結(jié)合了光學(xué)成像和超聲成像各自的優(yōu)勢(shì)的成像模式目前已展現(xiàn)出其他成像技術(shù)所未具有的一些功能:具有對(duì)處于一定深度的病灶的生化信息進(jìn)行高分辨率、高光學(xué)吸收對(duì)比度成像的能力.在該領(lǐng)域快速發(fā)展的過(guò)程中,計(jì)算機(jī)層析術(shù)和掃描層析術(shù)這兩種技術(shù)路線表現(xiàn)出了它們發(fā)展?jié)摿?同時(shí),光聲成像的應(yīng)用范圍也不斷地再擴(kuò)大:從乳腺癌的早期診斷擴(kuò)展到人體表層吸收體成像、小動(dòng)物成像等領(lǐng)域.可以說(shuō),過(guò)去的十年光聲成像技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步.雖然目前絕大多數(shù)工作還處于實(shí)驗(yàn)室階段,距臨床還有相當(dāng)

41、的一段距離,但是前期的成果已經(jīng)讓人們看到該技術(shù)的光明前景.相信,隨著硬件(光源和聲探測(cè)器)性能的提高和技術(shù)路線的改進(jìn),光聲成像技術(shù)將在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域中取得更大的成就.811http:物理37卷(2008年)2期物理學(xué)和高新技術(shù)3132333435HamiltonJD,ODonnellM.IEEETrans.Ultraso.Ferroelec.Freq.Contr.,2000,47:160NiederhauserJJ,FrauchigerD,WeberHPetal.Appl.Phys.Lett.,2002,81:571PaltaufG,NusterR,HaltmeierM.Appl.Opt.,

42、2007,46:3352HejaziM,AbolhassaniMD,AhmadianAetal.Arch.Med.Res.,2006,37:322TomlinsPH,WangRH.J.Phys.D:Appl.Phys.,2005,38:251936謝樹(shù)森,雷仕湛.光子技術(shù).北京:科學(xué)出版社,2004.258XieSS,LeiSZ.PhotonicTechnology.Beijing:SciencePress,2004.258(inChinese)37383940GibsonAP,HeddenJC,ArridgeSR.Phys.Med.Biol.,2005,50:R1KrugerRA,LiuPY

43、.Med.Phys.,1994,21:1179KolkmanGM,HondebrinkE,SteenbergenW.let.Top.Quan.Elect.,2003,9:343KarabutovAA,SavateevaEV,OraevskyAA.Laser.2003,13:71141MaslovK,StoicaG,Wt.,4243ZhangH,MaslSt.Nat.i.,2006,24:848KrugerRA.,1994,21:1277273747576279945464748495051YangDW,XingD,GuHM.Appl.Phys.Lett.,2005,87:19410101-01

44、KostliKP,BeardPC.Appl.Opt.,2003,42:1899SuYX,ZhangF,XuKXetal.J.Phys.D:Appl.Phys.,2005,38:2640HoelenCG,deMulFFM,PongersRetal.Opt.Lett.,1998,23:648HoelenCG,deMulFFM.Appl.Opt.,2000,39:5872FengD,XuY,KuGetal.Med.Phys.,2001,28:2427PilatouMC,VoogdNJ,deMulFFMetal.Rev.Sci.In2strum.,2003,74:449552ManoharS,Khar

45、ineA,HespenJetal.J.Viomed.Opt.,2004,9:117253楊迪武,邢達(dá),王毅等.光學(xué)學(xué)報(bào),2005,25:772YangD.W,XingD,WangYetal.ActaOpticaSinica,2005,25:772(inChinese)54555657YuanZ,ZhangQY,JiangHB.Opt.Exp.,2006,14:6749HuangDH,LiaoCK,WeiCWetal.J.Acoust.Soc.Am.,2005,117:2795CoxBT,BeardPC.J.Acoust.Soc.Am.,2005,117:3616CoxBT,KaraS,ArridgeSRetal.J.Acoust.Soc.Am.,2007,121:345358徐險(xiǎn)峰,唐志列,汪潔等.光學(xué)學(xué)報(bào),2003,23:1105XuXF,TangZL,WangJetal.ActaOpticaSinica,