光声效应在医学上的应用梁朝喜.doc

光声技术在医学探测中的应用梁朝喜摘要：光声成像技术结合了纯声学成像和纯光学成像技术的优点，克服了一些传统成像技术的不足，具有很多突出的优点，是一种新兴的具有光明前景的成像手段。本文对光声成像技术在医学探领域的应用和特点进行的了概括和总结，同时对其应用前景进行了预测。关键字：光声效应；光声层析成像；光声1、前言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。随着科学技术的进步,以及患者的强烈需求,医学对人体某些疾病的检测,正由传统的开刀有创伤的检测模式转向对患者无创伤的无损检测模式。目前使用的无损检测手段主要有:电子计算机X射线断层扫描技术(computed tomography ,CT)、正电子发射层析术（positron emission tomography ，PET），磁共振（magnetic resonance tomography，MRT）、超声成像技术、光学相干层析成像技术（optical coherence tomography，OCT），而这几种成像技术都有自己的局限，CT的X射线具有致癌作用，PET需要可能引起患者过敏的造影剂，磁共振设备庞大且易受外界磁场干扰产生伪像，超声成像依赖于生物组织的声阻抗, 某些特殊肿瘤内部的声阻抗可能与正常组织没有多大差异。而基于传统的光谱技术的检测技术，由于光的穿透性不强和组织的强散射特性严重影响了其测量的精度和使用范围。这就需要更加先进和优越的成像技术应用到医学检测当中满足人们的需求。基于光声效应的时域光声谱技术将光学技术和声学技术结合起来有机地结合起来, 由于超声具有良好的穿透性，因此光声成像技术部分地克服了光在组织中传输时组织强散射效应的影响,比传统的光谱技术相比较具有更好的生物组织穿透性,同时相比于电子计算机X射线断层扫描技术、正电子发射层析术、磁共振等成像技术还具有分辨率高、无副作用等特点,并正逐步成为生物组织无损检测技术领域的研究热点。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。2、成像原理 光声成像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。利用光声效应，当以周期性的强度调制的脉冲光作为激励源照射组织，当组织吸收光能后转变为热能。周期性的温度变化，使被照射部分组织及其邻近媒质热胀冷缩而产生应力（或压力）的周期性变化，因而产生声信号，既光声信号。不同组分和结构的物质吸收不同波长的光能，因此当照射于物质的光波波长改变时，声信号的变化反映了物质的不同组分或结构。图像的重建就是对光吸收的空间分布的反演。在空间某一位置接收到的光声压 p ( r , t) 和光吸收系数的分布 A ( r) 的关系可以表示为：Cp为组织的比热、vs 为组织中的超声波速度、卷积热膨胀系数，r0表示探测器的位置，处于图像的中央。用超声换能器从各个 方向接收来自组织中的光声信号， 再利用合适的算法进行图像重建，就可以得到组织光吸收分布图像。 3、发展现状 早在1880年，BELL实验室就发现了光声现象，直到上世纪60年代，光声效应才与现代激 光技术、微弱信号监测技术相结合而开始迅速发展； 上世纪7 0年代，光声效应被用于光谱研究， 形成了光声 光谱技术；上世纪 8 0年代，光声效应被引入生物组织 成像领域，形成了生物组织的光声层析成像技术（photoacoustic tomography，PAT）。随着技术的发展和人们的需求，近十几年来，光声成像技术已经引起人们极大的兴趣，成为研究的热点。1999年KRUGER利用光声效应进行医学成像，制造了一台光声计算机断层扫描仪，并在2000年得到了第一张光声成像的乳腺摄影。2005年WA N G等利用单元超声换能器旋转扫描探测成像，实验装置如图1所示，利用此方法，该研究小组成功获得了大鼠脑部血管的光声重建图像，如图2所示， 重建的图像与解剖后的实物十分吻。 图1：老鼠大脑结构声光成像图。2008年 E Z Zhang 等人，使用如图光源为光纤耦合激光器的声光成像系统，成功的获得了人手掌皮下血管的3D图像。图2：光声成像系统。FP探头放在皮肤上与皮肤接触，激光器纳秒级宽度的激光脉冲直接打在FP探头上，经过FP探头传输到下面的组织，激励声波。第二束激光对FP探头上的二维声波分布进行反演，生成三维图像。图2：活体光声成像所用激光波长为670nm。左图为成像区域，中图为所获得的3D图像，3维空间显示血管结构。右图为所不同深度的图层侧面。箭头A表示所能探测到的最深皮下的深度。2009年华南师大LIANG等人，设计一种将光刀治疗与光声成像结合在一起的实验装置（下图所示），实验用光声成像监测植有癌细胞的鸡胚绒毛尿囊膜的感染情况和PDT对血管的作用效果，在该实验中，脉冲激光既作为PDT的手术光源，又作为超声波的激励源。获得了仿生血管系统的图像，测定了血管的尺寸。实验中光声成像可以得到较为清晰的仿生血管照片，且可以通过跟踪检测对比，观察到被癌细胞感染的仿生血管，在几天后直径变大。这一实验结果说明光声成像在肿瘤的医学检测上具有可行性。鸡胚绒毛尿囊膜癌细胞感染和PDT破坏血管研究实验装置：图2: 532nm Nd:YAG 脉冲激光器既用作治疗光源又用来激发光声信号。激光束用凹透镜和毛玻璃进行扩束。光声信号接收器由计算机控制的步进机驱动围绕检测目标接收光声信号。 图3：光声成像技术课清晰的呈仿生血管的像。左图为被肿瘤细胞感染7天的仿生血管图，左图为被感染11天后仿生血管的图像。图4：PDT对血管的损伤图像，30分钟后，光声成像显示血管遭到了明显的破坏。左图为PDT之前的图像，右图为PDT之后的图像。3应用前景：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 Liangzhong Xiang,Da Xing,Huaimin Gu et al Real-time optoacoustic monitoring of vascular damage during photodynamic therapy treatment of tumor ，Conf Proc SPIJournal of Biomedical Optics，Vol . 12,January/February 20072 Michelle P. Patterson, Michel G. Arsenault1, Chris Riley3, Michael Kolios4 and William MWhelan, Optoacoustic imaging of an animal model of prostate cancer，Proc. of SPIE，Proc. of SPIE Vol. 7564, 75641B ，20103 W. Bost, F. Stracke, E. C. Weiss et al., High frequency optoacoustic microscopy, Conf Proc IEEE EMBS Minneapolis, Minnesota, USA, September 2-6, 20094 R. Su , H.-P. Brecht, S. A. Ermilov, V. Nadvoretsky et al,Towards Functional Imaging Using the Optoacoustic 3D Whole-Body Tomography System, Proc. of SPIE Vol. 7564 756423-1,2010 5 E Z Zhang, J G Laufer, R B Pedley and P C Beard, In vivo high-resolution 3D p