光聲層析成像技術(shù)的研究進(jìn)展

池妍+譚治良

摘 要 光聲層析成像技術(shù)是一種新興的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，具有高分辨率、高對(duì)比度、高穿透深度的優(yōu)點(diǎn)。文章簡(jiǎn)要介紹光聲層析成像技術(shù)的原理，并報(bào)道基于單聚焦換能器掃描的層析成像技術(shù)和基于多探元超聲探測(cè)方式的層析成像技術(shù)，指出該技術(shù)在醫(yī)學(xué)檢測(cè)上具有重要的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 光聲層析成像技術(shù)；高分辨率；高穿透深度

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）05-0002-02

光聲成像技術(shù)是基于光聲效應(yīng)的一種成像技術(shù)。當(dāng)物質(zhì)受到短脈沖激光或者周期性的強(qiáng)度調(diào)制的光照時(shí)，物質(zhì)內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生周期的溫度變化，溫度變化使這部分物質(zhì)及其鄰近介質(zhì)產(chǎn)生周期性的漲縮，從而產(chǎn)生聲信號(hào)，這種聲信號(hào)被稱為光聲信號(hào)。光聲成像技術(shù)具有高分辨率、高對(duì)比度、高穿透深度的優(yōu)點(diǎn)，主要包括光聲內(nèi)窺鏡、光聲顯微成像、光聲層析成像等。本文闡述了光聲層析成像技術(shù)的原理，并報(bào)道基于單聚焦換能器掃描的層析成像技術(shù)和基于多探元超聲探測(cè)方式的層析成像技術(shù)。

1 光聲層析成像技術(shù)原理

光聲層析成像技術(shù)利用大照射面積的脈沖激光作為照射源，當(dāng)激光照射在樣品時(shí)，由于樣品介質(zhì)的散射作用，使到樣品內(nèi)部目標(biāo)組織被均勻照射，所激發(fā)超聲信號(hào)傳播到組織表面的時(shí)候用帶掃描機(jī)制的超聲探測(cè)器或者超聲探測(cè)器陣列進(jìn)行探測(cè)，直接或者通過(guò)特定的算法進(jìn)行圖像重構(gòu)。由于樣品內(nèi)部不同深度位置的聲信號(hào)到達(dá)樣品表面的超聲信號(hào)存在時(shí)間差異，因此，利用時(shí)間分辨技術(shù)可以獲得不同層析面的光聲信號(hào)，從而獲得組織的三維光聲圖像。

2 光聲層析成像技術(shù)

2.1 基于單聚焦換能器掃描的層析成像技術(shù)

在光聲層析成像技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域最簡(jiǎn)單的探測(cè)方式就是采用單探元的傳感方式來(lái)進(jìn)行探測(cè)，利用單個(gè)聚焦換能器橫向掃描探測(cè)外部的光聲信號(hào)就可以獲得組織內(nèi)部某一層析層面的光聲圖像的一種方法。該想法最早由Kruger等于1994年提出，并于2004年被Kolkman等用一個(gè)PVDF材料制造的雙環(huán)換能器實(shí)現(xiàn)了聚焦探測(cè)光聲信號(hào)。

2.2 基于多探元超聲探測(cè)方式的層析成像技術(shù)

逐點(diǎn)掃描的成像方式存在一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，就是成像速度過(guò)慢，因此很多小組相繼采用了多元探測(cè)的方式，并結(jié)合一定算法實(shí)現(xiàn)了光聲層析成像。從探元分布情況上分，多探元的超聲探測(cè)系統(tǒng)可以分為球形、圓柱形以及平面形多探元分布機(jī)制。球形和圓柱形多元超聲探測(cè)系統(tǒng)需要接觸整個(gè)目標(biāo)樣品的各個(gè)方向，因此只能被限制在對(duì)乳房以及小動(dòng)物（如老鼠）等體積較小的樣品進(jìn)行光聲成像。而平面形掃描的多元超聲探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用范圍更廣，尤其在淺表層（譬如皮膚）的探測(cè)更有優(yōu)勢(shì)。面狀掃描的光聲成像方式有很多種，其中比較典型的有以下幾種。

2.2.1 多元探測(cè)器相控聚焦光聲成像法

Da Xing等人提出利用320個(gè)換能器陣元組成一個(gè)換能器線陣，結(jié)合相控聚焦重構(gòu)算法，如圖1所示，用電子掃描代替機(jī)械掃描，然后對(duì)陣列探測(cè)器每個(gè)探頭測(cè)得的信號(hào)依據(jù)該探頭到探測(cè)點(diǎn)的距離作一個(gè)時(shí)間延時(shí)，再根據(jù)信號(hào)傳輸距離及探測(cè)器作一幅值權(quán)重，然后求和便可得到被測(cè)點(diǎn)的光聲信號(hào)。由于無(wú)須旋轉(zhuǎn)探測(cè)器，從而極大地縮短了成像時(shí)間，使成像時(shí)間從幾十分鐘縮短到幾秒，但由于受多元探測(cè)器的像素和間距的限制（基于相控聚焦算法的圖像分辨率取決于多元探測(cè)器的像素和間距），其橫向分辨率可以達(dá)到幾百微米，但無(wú)法用于細(xì)胞水平的光聲成像。

圖1 相控聚焦原理圖

圖2 法布里-波羅薄膜探測(cè)法

2.2.2 以法布里-波羅（Fabry-Perot，簡(jiǎn)稱FP）高分子薄膜作為探測(cè)器探測(cè)光聲信號(hào)

如圖2所示，其原理利用FP薄膜前后表面鍍上高反射率的銀膜或鋁膜，超聲信號(hào)會(huì)引起高分子薄膜的厚度發(fā)生空間的變化，而兩個(gè)反射面反射的干涉光強(qiáng)變化也隨著薄膜厚度變化而變化，然后對(duì)探測(cè)光進(jìn)行解調(diào)，就能獲取超聲的二維空間分布。Beard P.C.等用此方法獲得了手上皮膚下面4 mm厚度不同層面的微細(xì)血管的三維光聲圖像。

2.2.3 聲透鏡成像法

從傅里葉成像理論出發(fā)，利用具有空間傅里葉變換性質(zhì)的聲透鏡，可對(duì)光聲信號(hào)進(jìn)行二維成像，這類似于光學(xué)透鏡的成像原理，通過(guò)探測(cè)聲透鏡像面上的聲壓分布情況便可重建聲源的分布情況，如圖3所示。M.Fenz等以及Zhilie Tang等都通過(guò)了聲透鏡對(duì)獲得了光聲圖像，前者通過(guò)一個(gè)光學(xué)暗場(chǎng)成像系統(tǒng)直接用CCD拍攝到像面的光聲壓分布，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)還原物面聲源分布；而后者則通過(guò)掃描一維線陣獲取像面光聲圖像。

圖3 聲透鏡層析成像法

3 結(jié)束語(yǔ)

光聲成像技術(shù)的信息載體是聲信號(hào)，它的傳輸與組織的散射特性沒(méi)有直接關(guān)系。因此光聲成像技術(shù)的成像深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)激光掃描激光顯微鏡、雙光子熒光顯微鏡和OCT等三維光學(xué)成像技術(shù)。因此，光聲層析成像技術(shù)在探測(cè)組織病變等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中有巨大的應(yīng)用價(jià)值。

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