聆聽光的聲音：光聲成像

■文/藺祥偉

作為一種新興的生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，光聲成像以光聲效應(yīng)為成像基礎(chǔ)，將光學(xué)和超聲相結(jié)合，兼?zhèn)涔鈱W(xué)高對(duì)比度、光譜多功能成像、超聲高穿透度、易于與超聲圖像相融合、無創(chuàng)多尺度多模態(tài)成像等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的臨床應(yīng)用前景。

在物理學(xué)上，光與聲就像兄弟一樣，都是“波”的一種表現(xiàn)形式，因而二者有著種種相似的特征。在生活中，我們常用顏色描述光，如“白光”“紅光”“七色光”，但你可曾聽過光的聲音？

光聲效應(yīng)與光聲成像

1880年，光聲效應(yīng)由世界上第一臺(tái)電話機(jī)的發(fā)明人亞歷山大·貝爾（Alexander Bell）首次發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)他在寫給父親的一封信中說道：“我聽到光線在清晰地交談，我聽到光線的笑聲、咳嗽聲和歌唱聲！”他是在談?wù)撟约旱牧硪粋€(gè)最新發(fā)明——光線電話機(jī)，這種電話機(jī)是通過調(diào)節(jié)光線而不是電流來傳遞信號(hào)的。當(dāng)人對(duì)著光線電話機(jī)發(fā)射器中的反射鏡講話時(shí)，聲音振動(dòng)引起反射鏡振動(dòng)，光線直接照射到反射鏡上，捕獲振動(dòng)并將其投射到光線電話機(jī)的接收器上，然后振動(dòng)會(huì)被轉(zhuǎn)換成可聽見的聲音。遺憾的是，受陰雨天氣等光線減弱情況的影響，這種電話機(jī)在當(dāng)時(shí)并未得到普及。但是，貝爾有個(gè)意外發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用快速且周期性的光束照射光吸收物質(zhì)時(shí)，該物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與光束相同頻率的聲波，貝爾將這種效應(yīng)稱為“光聲現(xiàn)象”，即我們現(xiàn)在所熟知的光聲效應(yīng)。受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，貝爾的這個(gè)發(fā)現(xiàn)并沒有得到重視，有關(guān)光聲效應(yīng)的研究與應(yīng)用在此之后幾乎處于停滯狀態(tài)。直到20世紀(jì)90年代后期，由于新型的激光光源、高靈敏度的聲學(xué)探測(cè)器以及微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，基于光聲效應(yīng)的光聲成像才逐漸嶄露頭角，并被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像等諸多領(lǐng)域。

光聲成像是基于光聲效應(yīng)的一種非入侵式和非電離式的生物醫(yī)學(xué)成像模式，其成像的原理是當(dāng)生物組織被脈沖激光照射后將吸收入射光一定比例的能量，光能量的沉積會(huì)引發(fā)局部輕微變熱進(jìn)而產(chǎn)生快速的熱彈性膨脹，這種瞬時(shí)的組織彈性熱膨脹在滿足一定的熱限制和壓力限制條件下會(huì)產(chǎn)生壓力波。這種壓力波作為超聲波向外傳播（即光聲信號(hào)），被高靈敏度超聲探測(cè)器接收之后，進(jìn)而通過相應(yīng)的重建算法，可以反演組織中的光吸收分布圖像，形成光聲圖像。這里需要指出的是，不同的組織成分存在光吸收的差異。例如，同等條件下的黑色素的光吸收強(qiáng)度要比脂肪組織大很多。同時(shí)，同一組織的光吸收特性在不同激光波長(zhǎng)照射下也會(huì)呈現(xiàn)吸收差異。光聲光譜成像技術(shù)可以定量反映各種組織成分信息，如血氧飽和度等功能參數(shù)，實(shí)現(xiàn)揭示組織內(nèi)部構(gòu)成及代謝信息的功能成像。

生物組織產(chǎn)生的光聲信號(hào)攜帶了組織的光吸收特征信息，因而光聲成像結(jié)合了光學(xué)成像中高選擇特性和超聲成像中深穿透特性的優(yōu)點(diǎn)，可得到高分辨率和高對(duì)比度的組織圖像，突破了光學(xué)成像深度“軟極限”（約1毫米），實(shí)現(xiàn)70毫米的深層活體內(nèi)組織成像。光聲成像作為近年來蓬勃發(fā)展的一種無損生物醫(yī)學(xué)成像方法，可以實(shí)現(xiàn)毫米乃至微米的空間分辨能力，可以提供解剖、功能、代謝、分子、基因等多尺度的生物組織光吸收對(duì)比度信息，能夠滿足細(xì)胞器、細(xì)胞、組織乃至器官的成像需求，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中顯示出良好的應(yīng)用潛力。

光學(xué)和超聲相結(jié)合的光聲成像

臨床上常見的超聲成像是通過使用超聲探頭將聲波脈沖打入組織中來形成激勵(lì)信號(hào)，再通過信號(hào)的波束合成而生成超聲圖像，它具有安全性高、穿透性好、深層組織分辨率較理想等特點(diǎn)。目前，常用的超聲成像類型有B型和D型，也是我們?cè)卺t(yī)院經(jīng)常接觸到的超聲成像方式。B型超聲成像也稱為普通黑白超聲，常用來判斷臟器的位置、大小、形態(tài)，確定病灶的范圍和物理性質(zhì)，提供一些腺體組織的解剖圖，在心血管系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)的影像診查中應(yīng)用十分廣泛。D型超聲成像也稱為多普勒超聲或彩超，尤其適用于心臟、肢體血管和淺表器官以及腹部等動(dòng)態(tài)的影像診斷。近年來，超聲成像技術(shù)，如三維立體成像、實(shí)時(shí)成像、超聲全息攝影、超聲計(jì)算斷層成像、超分辨成像、超聲造影、超聲內(nèi)鏡等不斷發(fā)展。然而，由于超聲回波信號(hào)在不同組織交界面出現(xiàn)的聲阻抗差異較低，超聲成像技術(shù)依舊存在諸如操作手法依賴度較高、無法實(shí)現(xiàn)精確的功能成像、圖像對(duì)比度較低、圖像易出現(xiàn)聲學(xué)偽影等問題。

光聲成像是近年來出現(xiàn)的一種基于激光和超聲的生物醫(yī)學(xué)成像新模式。作為一種混合成像方式，光聲成像結(jié)合了光學(xué)成像的高對(duì)比度和基于光譜的特異性以及超聲成像的高穿透深度，有望克服傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)成像手段的不足。實(shí)際上，光聲圖像可視為超聲圖像，但其對(duì)比度不取決于組織的聲學(xué)和彈性特性，而取決于其光學(xué)特征，尤其是光學(xué)吸收特性。光聲成像主要適用于聲學(xué)特性相對(duì)均勻但光吸收性能不均勻的組織，具備比傳統(tǒng)超聲成像更高的特異性。在指定光譜波長(zhǎng)下，光聲成像不僅能夠檢測(cè)血紅蛋白、脂質(zhì)、水和其他吸收光的內(nèi)源性組織成分，如顯示微血管等解剖結(jié)構(gòu)，提供血氧、血流和溫度等功能信息，還可以探測(cè)外源性分子影像探針，如精準(zhǔn)探測(cè)腫瘤邊界、識(shí)別癌癥靶點(diǎn)等分子影像信息。光聲成像以生物組織吸熱膨脹冷縮產(chǎn)生的超聲波作為載體來獲得組織的光學(xué)吸收信息，以超聲波檢測(cè)代替?zhèn)鹘y(tǒng)光學(xué)成像中的光子探測(cè)，從而避開了因光學(xué)散射造成穿透深度不足的問題。同時(shí)，光聲成像具有跨越分子、細(xì)胞、組織、器官的多尺度成像能力。在低強(qiáng)度近紅外（NIR）激光輻射強(qiáng)度下，光聲信號(hào)能夠提供高信噪比的光聲信號(hào)，相比X射線、計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）等電離輻射，光聲信號(hào)對(duì)生物組織更安全。

“光聲成像是近年來出現(xiàn)的一種基于激光和超聲的生物醫(yī)學(xué)成像新模式。作為一種混合成像方式，光聲成像結(jié)合了光學(xué)成像的高對(duì)比度和基于光譜的特異性以及超聲成像的高穿透深度，有望克服傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)成像手段的不足?！?/p>

超聲成像和光聲成像的一個(gè)重要區(qū)別是前者可以通過發(fā)射聚焦或平面波束和接收波束來實(shí)現(xiàn)定位，反饋的是聲波傳播路徑上聲阻抗的變化，最終得到體內(nèi)的解剖結(jié)構(gòu)信息。但是，當(dāng)超聲圖像上出現(xiàn)暗區(qū)時(shí)，若沒有醫(yī)學(xué)先驗(yàn)知識(shí)，很難判斷該暗區(qū)是脂肪、血液還是積液，嚴(yán)重限制了超聲成像用于精準(zhǔn)診斷。在光聲成像中，聲波來源于光吸收體對(duì)相應(yīng)波長(zhǎng)的吸收，不同組織的光吸收體對(duì)光的吸收差異很大，從而使光聲成像能夠表征組織的化學(xué)成分特性。同時(shí)，光波激發(fā)而生成的聲波不易散射，即使比較深的位置也能通過組織表面的超聲換能器檢測(cè)到。因此，光聲成像兼具光學(xué)成像和超聲成像兩者的優(yōu)點(diǎn)。光聲成像和超聲成像的另一個(gè)區(qū)別在于所涉及的聲壓大小。診斷性臨床超聲可產(chǎn)生超過1 MPa的焦點(diǎn)峰值壓力，而光聲壓力振幅低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，通常小于10 kPa。因此，在光聲成像中非線性聲傳播干擾較低。低光聲壓力振幅也意味其成像的安全性主要取決于激光的輻照劑量。此外，超聲成像和光聲成像的圖像對(duì)比度存在根本差異，超聲圖像提供了不同組織間聲阻抗差異信息，而光聲圖像的對(duì)比度取決于光吸收差異。由于不同組織類型之間的光吸收差異可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聲阻抗差異，因而光聲成像能夠提供比超聲成像更豐富的組織成分信息。

光聲成像的臨床應(yīng)用——以乳腺癌診斷為例

乳腺癌成像是目前光聲成像臨床應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。乳腺癌作為女性最常見的惡性腫瘤，全球發(fā)病率在21世紀(jì)呈現(xiàn)高發(fā)趨勢(shì)，位居中國女性所有癌癥發(fā)病率之首，乳腺癌已經(jīng)成為當(dāng)前威脅人類健康的重大公共衛(wèi)生問題。乳腺癌是發(fā)生在乳腺上皮組織的惡性腫瘤，其生成和轉(zhuǎn)移具有一定周期，乳腺癌細(xì)胞病變初期會(huì)引發(fā)細(xì)胞在分子水平變異，不斷分泌血管生成因子，刺激產(chǎn)生過多的走行紊亂、缺乏完整基膜并具侵襲性的新生血管組織。同時(shí)，在始發(fā)位置該類型癌細(xì)胞喪失了正常細(xì)胞的特性，導(dǎo)致細(xì)胞之間鏈接松散，易脫落而形成游離癌變細(xì)胞，然后隨血液循環(huán)或淋巴系統(tǒng)擴(kuò)散轉(zhuǎn)移，危及生命。不過，這些病理也為光聲成像的診斷提供了生理基礎(chǔ)。乳腺癌早期原位癌及轉(zhuǎn)移癌初始階段，病變區(qū)域狹小且不易觀測(cè)，目前大部分醫(yī)療影像儀器的檢測(cè)精度和靈敏度尚不能在乳腺癌早期發(fā)現(xiàn)癌癥患者所攜帶的癌變細(xì)胞。光聲成像由于具有跨尺度、多模態(tài)、分子影像等優(yōu)勢(shì)，能夠在分子水平進(jìn)行病變成像檢測(cè)并準(zhǔn)確識(shí)別乳腺癌的邊緣尺寸和轉(zhuǎn)移路徑，對(duì)乳腺腫瘤的原位和轉(zhuǎn)移的早發(fā)現(xiàn)、早診斷意義重大。

乳腺癌早期的病變會(huì)導(dǎo)致新生血管生成，而血液中的血紅蛋白在生物組織光學(xué)吸收窗口的光吸收特性使惡性腫瘤產(chǎn)生明顯的光聲信號(hào)，可以作為光聲成像的一種無標(biāo)記的內(nèi)源性對(duì)比劑。外源性光聲分子探針通過生物化學(xué)手段進(jìn)行載體修飾，可以在細(xì)胞分子水平標(biāo)記癌變異物，提供明顯增強(qiáng)的血管密集腫瘤區(qū)域與正常血管環(huán)境間的光聲信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比，進(jìn)而重建光聲圖像。重建后的光聲圖像以低強(qiáng)度的良性組織區(qū)域?yàn)閰⒄?，顯示出高強(qiáng)度的腫瘤組織，進(jìn)而對(duì)乳腺癌的早期始發(fā)病灶和轉(zhuǎn)移路徑進(jìn)行光聲診斷研究。此外，借助內(nèi)源性血紅蛋白和高靈敏度的特異性靶向探針，光聲成像的靈敏度、分辨率和特異性有著極大的提升。

根據(jù)乳腺癌的生成、轉(zhuǎn)移的生理病理機(jī)制，國內(nèi)外研究人員開展了一系列光聲成像臨床試驗(yàn)。荷蘭特文特大學(xué)首次報(bào)道了乳腺癌的臨床病例篩查結(jié)果，在31名乳腺癌患者含有的33個(gè)惡性結(jié)節(jié)中，32個(gè)結(jié)節(jié)具有高光聲成像對(duì)比度，與傳統(tǒng)影像方式顯示的病灶位置、大小吻合度良好。美國研究小組采用多波長(zhǎng)激光和線性超聲陣列，納入了2 105名乳腺癌患者，與單獨(dú)應(yīng)用超聲相比，光聲成像可以提高乳腺腫塊評(píng)估的特異度。德國研究小組構(gòu)建了新型的光譜光聲層析成像系統(tǒng)，對(duì)10名乳腺癌患者和3名健康志愿者進(jìn)行檢查，分別計(jì)算了組織氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、總血容量、脂質(zhì)和水分的含量，結(jié)果顯示前三者在癌組織和對(duì)照組織之間存在顯著差異。美國工程院院士汪立宏的團(tuán)隊(duì)研發(fā)了單次屏氣光聲計(jì)算層析成像系統(tǒng)，通過環(huán)形超聲陣列，發(fā)射單個(gè)激光脈沖即可獲得二維乳腺圖像。通過納入1名志愿者和7名乳腺癌患者，光聲成像能夠無標(biāo)記地顯示腫瘤詳細(xì)的血管結(jié)構(gòu)。與常規(guī)B超和彩超相比，光聲成像顯示了豐富的血管結(jié)構(gòu)及血氧飽和度等功能信息，為乳腺癌病例的分級(jí)治療提供了更多的診斷信息。

光聲成像的未來與突破

光聲成像作為一種新興的生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，以光聲效應(yīng)為成像基礎(chǔ)，將光學(xué)和超聲相結(jié)合，兼?zhèn)涔鈱W(xué)高對(duì)比度、光譜多功能成像、超聲高穿透度、易于超聲圖像相融合、無創(chuàng)多尺度多模態(tài)成像等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的臨床應(yīng)用前景。光聲成像能夠有效地對(duì)生物組織結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行成像，為研究生物組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理特征、病理特征、代謝功能等提供了新的有力手段，特別適合于癌癥的精準(zhǔn)檢測(cè)和治療監(jiān)控。目前，光聲成像研究重點(diǎn)在于基礎(chǔ)科研，即成像系統(tǒng)和重建算法的探索與優(yōu)化，在兼顧安全性的前提下進(jìn)一步提高成像深度及分辨率。未來，光聲成像重點(diǎn)在于真正臨床落地，如今光聲成像正由微觀實(shí)驗(yàn)室階段逐步走向宏觀臨床實(shí)踐階段。

然而，光聲成像還有很多地方需要突破。在系統(tǒng)層面上，光聲成像亟須突破光學(xué)散射深度有限、觀測(cè)角度不足、稀疏采樣、高重復(fù)頻率激光光源以及在線重建和后處理算法優(yōu)化等問題。在應(yīng)用層面上，光聲成像應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注與血紅蛋白有關(guān)的無標(biāo)記腫瘤研究（測(cè)量和跟蹤各種癌癥模型中腫瘤的生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移以及伴隨血管生成過程中的血紅蛋白濃度和血氧飽和度變化、血管生成抑制效果等）、血管研究（如心腦外周血管生成/生長(zhǎng)、心肌炎、血栓、心梗、止血材料等）以及與光聲分子影像相關(guān)的研究，檢測(cè)分子水平的病變而實(shí)現(xiàn)疾病早期診斷、監(jiān)測(cè)分子探針或藥物在體內(nèi)的動(dòng)態(tài)分布和代謝規(guī)律，從而判斷其是否能夠準(zhǔn)確到達(dá)靶區(qū)，評(píng)估分子探針分布和靶向藥物治療效果。此外，光聲成像在基因表達(dá)、干細(xì)胞免疫、腦科學(xué)等方面也開始應(yīng)用。更有意思的是，在溫度檢測(cè)和神經(jīng)成像領(lǐng)域，光聲成像也逐漸迸發(fā)生機(jī)。隨著科技水平的提高，光聲成像有望在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域中取得更大的突破，為相關(guān)臨床疾病的診斷、治療和療效評(píng)估提供更多豐富而有價(jià)值的信息。