透射共軸式光聲消化內(nèi)窺成像系統(tǒng)

王柏權(quán)，陳寧波，張建輝，龔小競*

(1. 中國科學(xué)院 深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 生物醫(yī)學(xué)光學(xué)與分子影像研究室，廣東 深圳 518055；2. 廣州大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

1 引 言

隨著社會(huì)發(fā)展，人們生活節(jié)奏加快、壓力劇增，再加飲食不當(dāng)、缺乏鍛煉等因素，使得消化道系統(tǒng)的癌癥發(fā)病率呈快速增長趨勢，位居我國癌癥發(fā)病率前列。研究表明，早期發(fā)現(xiàn)癌癥病變有利于提高患者的生存率，對(duì)預(yù)防癌癥惡化具有重大意義[1-2]。病理學(xué)研究表明，惡性腫瘤的發(fā)生、發(fā)展通常伴隨著滋養(yǎng)血管的新生。滋養(yǎng)血管是為腫瘤提供養(yǎng)分的重要渠道，也是腫瘤擴(kuò)散轉(zhuǎn)移的主要路徑，其生成及發(fā)展是判斷癌癥病變的重要指標(biāo)[3-4]。因此，通過對(duì)新生滋養(yǎng)血管的敏銳成像有望幫助人們?cè)缙诎l(fā)現(xiàn)腫瘤。

消化道內(nèi)窺鏡能幫助醫(yī)生直觀地觀察消化道內(nèi)部病灶區(qū)的形貌變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)手術(shù)的引導(dǎo)，是目前臨床進(jìn)行消化道疾病診療的最主要工具，也是臨床診斷消化道癌癥的重要手段之一?；诓煌某上裨恚纼?nèi)窺鏡可以分為光學(xué)內(nèi)窺鏡和聲學(xué)內(nèi)窺鏡。在光學(xué)內(nèi)窺鏡中，白光內(nèi)窺鏡只能對(duì)消化道內(nèi)表面進(jìn)行常規(guī)的平面光學(xué)成像，特異性不足，對(duì)微小病灶的識(shí)別需依賴醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)[5-6]；熒光內(nèi)窺鏡利用生物體自體熒光或外源熒光標(biāo)記，可對(duì)目標(biāo)組織進(jìn)行靶向成像，特異性得到明顯增強(qiáng)[7-8]；窄帶光成像利用窄帶光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的寬帶光源，能夠明顯提高消化道黏膜及黏膜下血管成像的對(duì)比度與清晰度[9-10]；光學(xué)相干層析(Optical Coherence Tomography，OCT)內(nèi)窺鏡具有三維成像能力，可以對(duì)黏膜下1～2 mm左右深度的微小病變進(jìn)行探測[11-13]，并且具備較高的分辨率(～10 μm)。雖然以上基于光學(xué)的內(nèi)窺成像技術(shù)的成像對(duì)比度高，但是均面臨組織對(duì)光強(qiáng)散射的影響，因此，成像深度淺，無法探測深處病灶，極大地局限了疾病診斷能力。與之不同，組織對(duì)聲波具有明顯低的散射效應(yīng)，超聲內(nèi)窺鏡相對(duì)光學(xué)內(nèi)窺鏡可以獲取更大深度(數(shù)毫米到數(shù)厘米)的成像信息。但是相對(duì)較低的對(duì)比度和特異性，使它難以提供腫瘤早期診斷所需要的敏銳度[14-16]。因此，現(xiàn)有臨床內(nèi)窺鏡還無法獲得大深度、高對(duì)比、高特異性的成像結(jié)果，很難為腫瘤的早期診斷提供有力的支持。

光聲成像技術(shù)是一種基于光聲效應(yīng)的新型生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。光聲效應(yīng)是指脈沖激光照射生物組織，組織吸收光能后，會(huì)因瞬時(shí)熱彈效應(yīng)產(chǎn)生超聲波(即光聲信號(hào))的現(xiàn)象。通過超聲換能器探測該信號(hào)可以獲取組織的光吸收特性，并進(jìn)行成像。該技術(shù)兼具光學(xué)成像高對(duì)比度與超聲成像大探測深度的優(yōu)點(diǎn)，在生物組織結(jié)構(gòu)與功能成像等方面展現(xiàn)出獨(dú)到之處[17-18]。在腫瘤成像應(yīng)用中，光聲成像技術(shù)既能對(duì)腫瘤周邊血管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)成像，又能實(shí)現(xiàn)血氧飽和度的功能性成像，因此有望通過對(duì)病灶區(qū)新生滋養(yǎng)血管的敏銳成像來精準(zhǔn)識(shí)別消化道惡性腫瘤[19-21]。

目前，國際上具有代表性的光聲內(nèi)窺成像技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)主要包括美國加州理工大學(xué)Lihong V. Wang課題組[22-23]、普渡大學(xué)Ji-xin Cheng課題組[24-26]，中國華南師范大學(xué)邢達(dá)課題組[27-29]和中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院宋亮課題組[30-31]等。這些課題組已經(jīng)研發(fā)了多種光聲內(nèi)窺成像系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了活體狀態(tài)下小動(dòng)物消化道的光聲內(nèi)窺成像[22,30]。在已研發(fā)的光聲內(nèi)窺系統(tǒng)中，成像方式皆為反射式，即光激發(fā)與聲探測皆在組織的同一側(cè)(成像探頭內(nèi))。其成像探頭最常采用的是光聲非共軸方式[29-31]。其光學(xué)鏡組構(gòu)成簡單并采用常規(guī)微型超聲換能器，通過傾斜光束或者聲束，使光學(xué)激發(fā)區(qū)和超聲探測區(qū)在深度方向上重疊，形成光-聲耦合。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和拼裝工藝相對(duì)簡單，但是該方式使光-聲耦合重疊區(qū)域有限，不僅成像深度有限，且在重疊區(qū)域內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度也會(huì)因?yàn)橹丿B的范圍不同發(fā)生變化。而共軸設(shè)計(jì)不僅可以獲得理論上無限大的光聲重疊區(qū)域，大幅增加成像區(qū)域，同時(shí)光聲共軸也能提高光-聲耦合效率，理論上可以增大信號(hào)強(qiáng)度。和光聲顯微成像類似，在反射內(nèi)窺成像系統(tǒng)中也可以實(shí)現(xiàn)共軸設(shè)計(jì)。一種是將激發(fā)光通過中空式微型超聲換能器，實(shí)現(xiàn)光聲共軸，該設(shè)計(jì)雖然結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，但是中空式設(shè)計(jì)會(huì)損失超聲信號(hào)的探測效率，影響最終的系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度[22,27,32-33]。例如，國外Lihong V. Wang課題組利用該方法設(shè)計(jì)了應(yīng)用于兔子食道的光聲內(nèi)窺鏡，非散射情況下最大成像深度達(dá)7 mm[32]。國內(nèi)邢達(dá)課題組在此基礎(chǔ)上結(jié)合了貝塞爾光的特性設(shè)計(jì)一種消化道內(nèi)窺硬鏡，其最大成像深度達(dá)13.8 mm[33]。另一種是利用反光透聲或透光反聲的特殊鏡組，使激發(fā)光光束與超聲聲束同軸[25-26]，這種方法的問題在于不僅探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，對(duì)精確拼裝的要求很高，同時(shí)由于鏡組的反射面過多，不可避免帶來光、聲能量的衰減，從而降低系統(tǒng)的成像性能。因此，反射共軸式的內(nèi)窺設(shè)計(jì)受到了諸多限制，沒有得到充分的發(fā)展。

目前，國際上已有課題組提出生物體內(nèi)光激發(fā)、外部聲探測的透射式光聲成像構(gòu)想。美國杜克大學(xué)Junjie Yao課題組利用透射式光聲計(jì)算層析成像技術(shù)證明了該構(gòu)想的可行性[34]。國內(nèi)福建師范大學(xué)李暉課題組也將透射式光聲成像技術(shù)應(yīng)用于胃癌疾病的探測[35]。但是上述研究均未完整討論和對(duì)比傳統(tǒng)反射非共軸式和透射共軸式的區(qū)別。

綜上所述，面向消化道內(nèi)窺成像的臨床應(yīng)用，現(xiàn)有的反射式光聲消化內(nèi)窺成像系統(tǒng)存在系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度低、成像深度不足，或結(jié)構(gòu)復(fù)雜、探測效率低等缺點(diǎn)。因此，本文提出了一種透射共軸式(下文簡稱透射式)光聲消化內(nèi)窺成像系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，即采用消化道腔道內(nèi)光激發(fā)、體外聲探測的光-聲耦合方式。本文通過仿體與離體生物組織光聲成像實(shí)驗(yàn)，與常用的反射非共軸式(下文簡稱反射式)光聲消化內(nèi)窺成像系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)大幅提高了系統(tǒng)的信噪比與成像深度，在消化道內(nèi)窺成像中具有巨大的應(yīng)用潛力。

2 系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)

2.1 反射式、透射式的光-聲耦合原理

反射式光-聲耦合設(shè)計(jì)如圖1(a)所示，脈沖激光經(jīng)光纖、漸變折射率透鏡后由棱鏡反射到組織內(nèi)部，同側(cè)的超聲換能器接收組織產(chǎn)生的光聲信號(hào)。此時(shí)光傳播路徑與聲傳播路徑處于非共軸，系統(tǒng)只能接收到光聲重合區(qū)域的光聲信號(hào)，而超出光聲重合區(qū)的光聲信號(hào)則無法被探測，這導(dǎo)致系統(tǒng)存在一個(gè)最佳成像區(qū)域(光-聲中心重合區(qū))。當(dāng)偏離光-聲中心重合區(qū)時(shí)其接收信號(hào)區(qū)域的減小，導(dǎo)致光聲信號(hào)隨之降低；當(dāng)超出光聲重合區(qū)時(shí)，光聲信號(hào)則無法被探測，導(dǎo)致系統(tǒng)成像深度不足。

圖1 反射式、透射式系統(tǒng)的光-聲耦合模擬

圖1(b)表示透射式光-聲耦合方式。相比反射式設(shè)計(jì)，該方案將超聲換能器外置，與內(nèi)窺探頭相互獨(dú)立。對(duì)光-聲空間位置進(jìn)行自由調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)光聲共軸，因此可以實(shí)現(xiàn)更大深度范圍上的光聲耦合，理論上系統(tǒng)相比反射式增大了成像深度并且在更大的成像范圍里保持良好的信噪比。

2.2 光聲消化內(nèi)窺成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建

透射式光聲消化內(nèi)窺成像系統(tǒng)由內(nèi)窺成像探頭、光源、信號(hào)采集和運(yùn)動(dòng)控制等部分組成，如圖2所示。為了保證光激發(fā)的一致性，同時(shí)也為了方便實(shí)驗(yàn)對(duì)比，透射式的光激發(fā)直接利用了本實(shí)驗(yàn)室前期研發(fā)的反射式內(nèi)窺探頭(其設(shè)計(jì)詳見文獻(xiàn)[30])，即通過反射式內(nèi)窺探頭將激發(fā)光照射到樣品，然后外部的超聲換能器1和內(nèi)窺探頭中的超聲換能器2同時(shí)采集信號(hào)。系統(tǒng)的主要器件如下：光源為高重頻可調(diào)諧脈沖激光器(NT242，EKSPLA)，激光器的重復(fù)頻率為1 kHz，通過透鏡組和光纖耦合器將激光耦合進(jìn)入光纖并傳輸?shù)教筋^；超聲換能器1(V376，OLYMPUS)，用于透射式系統(tǒng)中光聲信號(hào)探測，中心頻率為30 MHz；超聲換能器2(0.6×0.5×0.2 mm，定制，BLATEK)用于反射式探頭中光聲信號(hào)探測，中心頻率為40 MHz；信號(hào)采集時(shí)，信號(hào)被超聲收發(fā)儀(5073PR，OLYMPUS)接收并放大39 dB，最后由數(shù)據(jù)采集卡(9325，ALAZAR)實(shí)現(xiàn)采集及存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)采集卡的采樣率為250 MS/s；運(yùn)動(dòng)控制部分包括：直流穩(wěn)壓電源(PS-305D，DAZHENG)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(DM442，LEADSHINE)提供電源，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，最后由旋轉(zhuǎn)電機(jī)(J-3518HB2401，上海正吉)帶動(dòng)離體樣品旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖2 透射共軸式光聲消化內(nèi)窺成像系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中，光聲探頭、樣品、超聲換能器均浸沒水中，保證光聲信號(hào)良好耦合。仿體樣品分別為無散射子的透明瓊脂(1%濃度的瓊脂粉，Agar)和加有散射子(1%脂肪乳注射液，Intralipid)的渾濁瓊脂，其衰減散射系數(shù)為14 cm-1[36]，并在仿體樣品中不同深度放置黑膠帶作為吸收體。離體生物組織為內(nèi)徑約20 mm的離體豬小腸。

3 成像實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 在激發(fā)光不受散射的情況下，透射式與反射式成像對(duì)比實(shí)驗(yàn)

本研究首先比較透射式、反射式兩類內(nèi)窺成像系統(tǒng)在不受散射介質(zhì)影響情況下的成像能力，對(duì)透明瓊脂中的黑膠帶進(jìn)行光聲成像。掃描過程中，光聲探頭與超聲換能器保持靜止，移動(dòng)樣品，在能量為15 μJ的532 nm光激發(fā)下，對(duì)每條黑膠帶單點(diǎn)位置同時(shí)進(jìn)行反射式與透射式光聲成像，每條黑膠帶上采集80次光聲信號(hào)，并每8次數(shù)據(jù)平均一次，沿水平方向掃描35 mm，獲得560條A-Lines，并組成一個(gè)B-Scan，成像時(shí)間約為0.56 s。最后每條黑膠帶的光聲信號(hào)由10條A-Lines組成。其仿體實(shí)物圖、成像結(jié)果與系統(tǒng)信噪比如圖3所示。

圖3(a)為仿體實(shí)物圖。圖3(b)和3(c)分別表示在激發(fā)光不受散射的情況下，仿體的反射式與透射式光聲成像結(jié)果，其縱坐標(biāo)代表著黑膠帶距離激發(fā)光處的距離。虛線上方為黑膠帶的光聲信號(hào)，下方為仿體-換能器界面、換能器內(nèi)部延時(shí)塊界面對(duì)原信號(hào)的反射信號(hào)。

圖3 在激發(fā)光不受散射的情況下系統(tǒng)信噪比對(duì)比

對(duì)圖3(b)和3(c)中的結(jié)果進(jìn)行信噪比的定量分析，結(jié)果如圖3(d)所示(彩圖見期刊電子版)，其橫坐標(biāo)代表黑膠帶與激發(fā)光的距離。首先取圖中各條黑膠帶的信號(hào)均值作為信號(hào)值，然后取背景信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差的均值作為噪聲值，代入公式(1)中，求得各條黑膠帶對(duì)應(yīng)的圖像信噪比。

(1)

由圖3(d)可知，反射式系統(tǒng)的最佳成像位置在3.1 mm附近，此時(shí)系統(tǒng)的信噪比達(dá)到最大值33.9 dB；而同樣在3.1 mm處，透射式系統(tǒng)信噪比高達(dá)55.0 dB，相對(duì)反射式系統(tǒng)提高21.1 dB。同時(shí)對(duì)比圖3(d)中透射式與反射式系統(tǒng)的信噪比趨勢可知，在相同成像深度上透射式系統(tǒng)的信噪比均比反射式的高，最大差距可達(dá)43.3 dB。

雖然理論上SNR大于1時(shí)，都可以認(rèn)為是有效信號(hào)。但實(shí)際成像時(shí)，除了系統(tǒng)固有噪聲，往往會(huì)有其他不可預(yù)見的干擾，同時(shí)考慮人眼的敏感度，通常將SNR為5即14 dB認(rèn)為是成像極限，低于此則認(rèn)為是無效成像。由此分析圖3(d)可知，反射式系統(tǒng)成像信噪比為14 dB時(shí)(對(duì)應(yīng)紅點(diǎn)位置)，對(duì)應(yīng)深度約為10.2 mm，可將此深度定義為該系統(tǒng)的成像深度；而透射式系統(tǒng)成像在本實(shí)驗(yàn)的最深處，即12.6 mm處，系統(tǒng)信噪比仍有46.3 dB，其成像深度遠(yuǎn)大于反射式系統(tǒng)。

綜上所述，在激發(fā)光不受散射的情況下，透射式光聲消化內(nèi)窺成像系統(tǒng)相比反射式系統(tǒng)展現(xiàn)出更高的系統(tǒng)信噪比與更大的成像深度。

3.2 在激發(fā)光受到散射的情況下，透射式與反射式成像對(duì)比實(shí)驗(yàn)

在實(shí)際生物組織成像中，光束會(huì)受到組織的散射影響。為了評(píng)估兩類內(nèi)窺成像系統(tǒng)在受散射情況下的成像能力，將5條黑膠帶以不同深度放置于有散射子的渾濁瓊脂中，對(duì)它進(jìn)行光聲成像實(shí)驗(yàn)，圖4(a)為仿體實(shí)物圖。

該實(shí)驗(yàn)條件、數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)與實(shí)驗(yàn)一保持一致，其仿體實(shí)物圖、成像結(jié)果與系統(tǒng)信噪比如圖4所示。圖4(b)和4(c)分別表示在激發(fā)光受散射情況下，仿體的光聲成像結(jié)果。圖4(d)表示在激發(fā)光受到散射的情況下，兩類成像系統(tǒng)的信噪比?？梢钥闯?，當(dāng)反射式系統(tǒng)成像位置約為3.3 mm處，此時(shí)系統(tǒng)的信噪比達(dá)到最大值30.0 dB。相同位置處，透射式系統(tǒng)的最大信噪比可達(dá)52.0 dB，相對(duì)反射式系統(tǒng)提高22.0 dB。同時(shí)對(duì)比圖3(d)與圖4(d)中的信噪比可得，在激發(fā)光受到散射影響的情況下，兩類系統(tǒng)的信噪比相比激發(fā)光不受散射的情況時(shí)皆有下降，但是在相同成像深度上透射式系統(tǒng)的信噪比均比反射式的高。

圖4 在激發(fā)光受到散射的情況下系統(tǒng)信噪比對(duì)比

在激發(fā)光受到散射的情況下，反射式系統(tǒng)的成像深度約為8.1 mm(14 dB處)，而透射式系統(tǒng)的成像深度約為10.4 mm，其成像深度比反射式系統(tǒng)增加約28.4%，因此它具備更大的成像深度。

綜上所述，在激發(fā)光受到散射影響的情況下，透射式光聲消化內(nèi)窺成像系統(tǒng)仍能達(dá)到比反射式更高的系統(tǒng)信噪比和更大的成像深度，為臨床光聲內(nèi)窺技術(shù)實(shí)現(xiàn)大深度成像提供了借鑒。

3.3 離體生物組織成像對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為了評(píng)估兩類光聲內(nèi)窺成像系統(tǒng)對(duì)生物體消化道的實(shí)際成像性能，本文對(duì)離體生物消化道進(jìn)行了光聲內(nèi)窺成像實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)樣品為離體的豬小腸，其腸道直徑約為20 mm，從其外表皮注入濃度為30 mg/mL的洋紅染料模擬腸道血管。圖5(a)為腸道外部實(shí)物圖，圖5(b)為實(shí)驗(yàn)后的腸道內(nèi)部展開圖。

如圖2(b)所示，實(shí)驗(yàn)中光聲探頭靜止置于豬小腸內(nèi)部，控制樣品旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)沿圖5中的虛線位置掃描腸壁，掃描一圈(360°，2000A-lines)需2 s，其內(nèi)窺圖像如圖6所示。激光出射能量約為30 μJ。

圖5 豬小腸實(shí)物(虛線處為成像截面)

圖6 豬小腸光聲內(nèi)窺成像

圖6(a)和6(b)中箭頭所指處分別表示反射式、透射式內(nèi)窺成像系統(tǒng)的光聲成像結(jié)果。對(duì)圖中箭頭所指處的信噪比進(jìn)行定量分析可知，在10.7 mm的成像深度處，反射式系統(tǒng)的成像信噪比為12.4 dB，透射式系統(tǒng)的成像信噪比為22.1 dB，比反射式系統(tǒng)提高9.7 dB。從實(shí)際成像效果也可以看出，透射式系統(tǒng)的成像結(jié)果能更清楚地表征成像對(duì)象的形態(tài)特征，而反射式系統(tǒng)幾乎無法看清成像對(duì)象的形態(tài)。離體成像結(jié)果表明，透射式系統(tǒng)相比反射式在大深度上能獲得對(duì)比度更高的圖像信息，進(jìn)一步凸顯了透射共軸式光聲消化內(nèi)窺成像系統(tǒng)面向臨床消化道大深度內(nèi)窺成像的應(yīng)用潛力。

3.4 空間分辨率理論計(jì)算與光、聲分布模擬

系統(tǒng)光學(xué)部分設(shè)計(jì)與本實(shí)驗(yàn)室的前期研發(fā)一致，未受散射時(shí)，在2.7 mm處可獲得的最小光斑約為255.1 μm[30]。透射式超聲換能器的聲斑計(jì)算約為132.5 μm。所以，系統(tǒng)的空間分辨率主要取決于聲學(xué)分辨率，透射式超聲換能器的橫、縱向分辨率的理論計(jì)算如下[17]：

(2)

其中：RL為橫向分辨率，波長λ=51.3×10-3mm，超聲換能器焦距F=31.75 mm，超聲換能器的表面直徑D=31.75 mm。

(3)

其中：Ra為縱向分辨率，聲速c=1 540 m·s-1，超聲換能器帶寬Δf=40 MHz。

因?yàn)椋干涫匠晸Q能器始終保持聚焦于組織光激發(fā)的表面，所以此處的聲斑大小約為0.13 mm。另外，已知反射式超聲換能器的近場距離為1.62 mm，遠(yuǎn)場半擴(kuò)散角約為8.7°。仿體成像時(shí)，超聲換能器距離樣品約3 mm，處于遠(yuǎn)場，其聲斑在仿體表面處的大小約為0.34 mm；而豬小腸內(nèi)窺成像時(shí)探頭距離組織內(nèi)部表面約10.7 mm，此時(shí)組織表面聲斑約為3.09 mm。同時(shí)，反射式系統(tǒng)光-聲非共軸，呈20°夾角，所以在仿體近距離成像與豬小腸遠(yuǎn)距離內(nèi)窺成像時(shí)，聲束入射散射介質(zhì)中的起始點(diǎn)發(fā)生偏移。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合不同角度的聲束(虛線標(biāo)記)，對(duì)光在仿體、離體生物組織內(nèi)部的分布情況進(jìn)行模擬。模擬參數(shù)設(shè)置如下：532 nm下，2%濃度Intralipid吸收系數(shù)μa=0.057 mm-1，散射系數(shù)μs=5.37 mm-1，散射各向異性指數(shù)g=0.631[37]；500 nm下，消化道組織吸收系數(shù)μa=2.07 mm-1，散射系數(shù)μs=44.1 mm-1，散射各向異性指數(shù)g=0.439[38]。圖7表示兩類系統(tǒng)的光束與聲束在仿體、生物組織中的分布情況，縱坐標(biāo)表示散射介質(zhì)的厚度。

模擬結(jié)果表明，在散射介質(zhì)中(尤其是大尺寸的消化道內(nèi))，從深度方向看，透射式比反射式的光聲重合區(qū)域更大，在聲束橫截面上(即換能器探測范圍內(nèi))非共軸光-聲重合范圍迅速減小，這也造成了相同光照條件下，光聲信號(hào)快速下降。此外，透射共軸時(shí)，在聲束橫截面上的光強(qiáng)分布是均勻的，而非共軸時(shí)其光強(qiáng)分布不均勻。因此，透射共軸的設(shè)計(jì)對(duì)確定不同深度的激發(fā)光強(qiáng)，進(jìn)而準(zhǔn)確反演組織吸收更有意義。

圖7 光與聲在散射介質(zhì)中的分布模擬

4 結(jié) 論

本文為了提高光聲消化內(nèi)窺成像系統(tǒng)的信噪比與成像深度，設(shè)計(jì)了一種內(nèi)部光激發(fā)、外部聲探測的透射共軸式光聲消化內(nèi)窺成像系統(tǒng)，并在仿體與離體樣品上，與反射非共軸式系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行了成像實(shí)驗(yàn)，并對(duì)二者的信噪比、成像深度以及光-聲在散射介質(zhì)中的分布情況進(jìn)行了研究。在仿體樣本實(shí)驗(yàn)中可以看出，不論激發(fā)光是否受到散射影響，透射共軸的系統(tǒng)在相同深度下的信噪比或最大成像深度都遠(yuǎn)大于反射非共軸的系統(tǒng)。信噪比最大差距可達(dá)43.3 dB，成像深度增加約28.4%。在離體豬小腸腔道內(nèi)進(jìn)行的內(nèi)窺成像實(shí)驗(yàn)表明，在10.7 mm成像深度處，透射式系統(tǒng)的信噪比為22.1 dB，比反射式系統(tǒng)提高9.7 dB，能更有效地獲取病灶區(qū)的信息。最后，結(jié)合樣品特性、不同角度的聲束，模擬了光在散射仿體與生物組織的光分布情況，明確了光-聲共軸使得透射式比反射式的光聲重合區(qū)域在深度方向上范圍更大；同時(shí)，從深度方向看，在聲束橫截面上(即換能器探測范圍內(nèi))，非共軸設(shè)計(jì)使得光-聲重合范圍迅速減小，這也導(dǎo)致相同光照條件下，其光聲信號(hào)快速下降；此外，同一深度處，光-聲共軸使得聲束橫截面上的光強(qiáng)分布相對(duì)更均勻，有利于確定不同深度的激發(fā)光強(qiáng)，進(jìn)而準(zhǔn)確反演組織吸收特性。綜上，仿體和離體樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，透射式光聲消化內(nèi)窺成像系統(tǒng)相比反射式系統(tǒng)，可有效實(shí)現(xiàn)光聲共軸，不僅避免了反射共軸探頭中，通光率或超聲探測效率下降的問題，并且改善了非共軸探頭導(dǎo)致光聲耦合區(qū)域不足的缺點(diǎn)，明顯提高成像系統(tǒng)的信噪比與成像深度。

然而，該系統(tǒng)目前仍存在挑戰(zhàn)。首先，活體成像時(shí)，需要精準(zhǔn)定位內(nèi)窺探頭的位置，才能使光聲實(shí)現(xiàn)共軸，因此需要開發(fā)相應(yīng)的探測和對(duì)準(zhǔn)方式，比如利用臨床常用的X光或者超聲引導(dǎo)。其次，為了減少病人診斷時(shí)的不適，需要提升系統(tǒng)成像速度，縮短成像時(shí)間。因此，未來的光聲內(nèi)窺系統(tǒng)可以通過提高光源的脈沖重復(fù)頻率，或采用陣列式的超聲換能器接收光聲信號(hào)，來加速圖像獲取速度。另一方面，為了提升光聲成像的敏銳度，需要針對(duì)實(shí)際的臨床應(yīng)用調(diào)節(jié)，進(jìn)一步對(duì)激發(fā)光和聲探測的各種參數(shù)，如激發(fā)光的能量、脈寬和波長、超聲探測的頻率、換能器尺寸等進(jìn)行優(yōu)化，使它滿足大深度的人體消化道光聲成像需求。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的組織內(nèi)部光激發(fā)、外部聲探測的透射共軸式光聲消化內(nèi)窺成像系統(tǒng)具備優(yōu)良的系統(tǒng)信噪比，可為面向臨床消化道大深度成像需求提供新的解決思路。