光声层析成像研究进展

吴宁，任秋实，李长辉

北京大学 工学院 生物医学工程系，北京 100871

光声层析成像研究进展

吴宁，任秋实，李长辉

北京大学 工学院 生物医学工程系，北京 100871

1 引言

我们都有这样的经历，在乌云密布的雷雨天，空中的闪电照亮了一大片云层，随之而来的是轰鸣的雷声。19世纪70年代，Few利用雷声信号到达不同雷声传感器的时间差以及雷声信号和雷电电磁信号的时间差首次定位了雷声声源的位置[1]。这个事实告诉我们，如果光源发光的同时产生声波，即使该光源处于光学散射介质中，例如生物组织，我们也可以通过观测声波获得光源的位置。本文要介绍的光声层析成像（PAT）就是利用这样的探测原理。

PAT成像的理论依据是光声效应（Photoacoustic effect, PA），该效应描述的是：当脉冲或经过调制的电磁波来照射物体时，有的物体会吸收电磁波能量并发热，伴随着的热膨胀产生向外传播的声波[2]。该效应最早由亚历山大·贝尔于1880年发现，到20世纪70年代开始广泛地应用于物理、化学、生物、医药等多个领域中（Rosencwaig 1980, Gusev et al 1993）。PAT正是利用这个效应，并结合声波在软组织中的低散射性，通过测量产生的声波获得体内光学吸收体的位置和形态等信息。

PAT最重要的优势就是突破了纯光学高分辨成像技术的成像深度壁垒：由于组织对光的强散射作用，光学成像分辨率随着深度的增加而急剧降低，使得纯光学技术的高分辨组织成像被限制在几个毫米深度，这在很大程度上限制了它的实际应用范围[3-4]。PAT正是通过光学与超声技术的结合，充分地利用了低散射的超声波，实现了几个厘米深的高分辨成像。以下我们先解释PAT的基本机制，然后介绍它的主要成像模式，在第三部分讨论了PAT在临床医学生的研究现状和潜在应用，最后总结并展望该技术未来可能的发展趋势。

2 光声层析成像原理及模式

在生物医学领域中，具有短脉宽（纳秒级）的脉冲激光常被用做PAT的光源[2]。就像云层中的闪电那样，激光射入组织后，光子被组织散射到很大的区域。如果在光子到达的区域中存在光学吸收体，那么这些部位吸收光能后产生的热量会引起吸收体升温膨胀挤压周围的组织从而产生超声波。就像雷声穿透厚厚的云层那样，产生的超声波在软组织中可以在软组织内自由传播很远。

在位置r处的物体吸收脉冲光能量后发生热膨胀会产生一个初始压强p0(r)，其正比于吸收光的能量，数学表达式为：

其中A(r)是指位置r处单位时间和单位体积内吸收的光能量，Г 是格日尼森系数（Gruneisen coefficient），描述吸收的光能量转化为压力的关系，μa是吸收体的光吸收系数，F 是到达r处的光子注量（正比于光子密度）。在一定的光照和环境条件下，初始压力波幅值正比于组织的光吸收系数。通过初始条件（公式 1），根据声波的波动方程就可以得到超声波在软组织中的传播过程。由于对超声压力波的探测灵敏度足够高，PAT中引起的组织局部升温原小于1摄氏度，是一种非常安全的成像技术。，而不同组织的光吸收系数不同，就成为了PAT图像对比度的来源。图1列举了生物体内主要组织的消光系数（主要是吸收）随波长的变化。例如，在可见光和近红外范围内血管和黑色素相比于外周脂肪组织和水有更大的消光系数，这一特性使PAT在血管系统以及黑色素瘤等成像方面具有巨大的优势。

图1 生物体内主要发色团的消光系数和波长关系图

基于不同的重建算法，PAT可以分为两大类：光声显微（PA microscopy, PAM）和光声计算层析（PA computed tomography, PACT）。类似光学显微成像使用聚焦物镜那样，PAM 使用聚焦的超声探头来探测在探头聚焦区域的原始信号，不同的是PAM可以根据超声信号的时域信息获得该方向上的一维深度信息。根据决定横向分辨率的方法不同，PAM又可以分为声分辨率的PAM（acoustic-resolution PAM，AR-PAM）和光分辨率的PAM（optical-resolution PAM，OR-PAM）。相比PAM的高分辨率，PACT更多的像临床用的B超那样多点采集信号，然后通过计算机的重建获得由深度散射光产生的光声信号，实现深度组织成像。图2展示了PAT不同模式的成像深度和分辨率的趋势。从图中可以看到，目前PAT的成像深度可以达到10-1～102mm 量级，而分辨率跨越了10-1～103μm4个量级，同时成像深度和分辨率的比值高达200。多尺度高分辨率的成像优势使PAT在生物医学光学成像中成为了一颗耀眼的明星[4-8]。

图2 PAT多尺度在体成像。PAT目前可以实现从亚微米的细胞器到厘米尺度的组织器官不同尺度成像。

2.1 光声显微成像

我们已经知道，根据横向分辨率的决定因素不同，PAM可以分为OR-PAM和AR-PAM。下面将会一一介绍。

OR-PAM基于光学聚焦，在PAT成像的所有模态中提供了最高的成像分辨率。图3给出了一个OR-PAM模式的系统及成像结果[9-10]。在该式系统中（图3(a)和(b)），聚焦激光（532 nm）从样品底部照射，同时聚焦超声探头从样品上部接收。为了达到最优的信噪比，激发光和探测超声的要求“共聚焦”。由超声探头接收到的信号被放大器放大，经高速采集卡转换成数字信号存储并用于后续的图像处理。激发聚焦光路，超声探头以及放大器固定在二维平移台上，进行平面扫描。在PAM系统中，每一个光激发位置得到该深度方向的一维信息，随着平移台的二维移动，最终可以得到样品的三维信息。图3（c）是用该系统对受精后3～4天斑马鱼进行成像以及对比照片结果。基于斑马鱼的自发对比度，我们可以清晰地看到斑马鱼全身的血管，黑色素，眼睛等精细结构。

图 3 OR-PAM系统及成像结果。系统结构图（a）,照片（b）,幼年斑马鱼全身成像（c，上）和对比照片（c,下）。图片摘自并获得文献[9]的使用许可。

由于光在组织中散射很强，依赖光学聚焦的OR-PAM的成像深度受到限制。AR-PAM的横向和纵向分辨率都是由超声探头决定。由于超声在组织中的散射很小，基于超声探头不同的带宽，可以实现从皮下血管到内脏的不同尺度成像。

图4 暗场AR-PAM系统结构图及成像结果。（a）AR-PAM系统结构图；（b）小鼠下肢(图c黄框内)的成像结果。图片摘自并获得文献[11]的使用许可。

图4给出了我们研发出的AR-PAM系统结构图以及对小鼠下肢血管的成像结果[11]。如图4(a)，脉冲激发经多模光纤导出，经过锥透镜，聚焦透镜以及聚光器后在样品表面形成中空的多纳圈。被激发出的光声信号被聚焦探头接收，经过放大器后由计算机进行采集和处理。图4（b）是对（c）中黄框区域成像结果。在无任何标记的情况下，小鼠后腿部的大小血管都可以以高信噪比进行成像，并且部分血管是在皮下较深部位。

总体来说，光声显微成像利用纯光学聚焦或者超声聚焦，同时具备光学成像的高分辨率又利用超声的强穿透性弥补了光在组织中的强散射，从而提高了成像的深度。光声显微成像在细胞，表层以及皮下血管的成像中有不可替代的地位。

2.2 光声计算机断层成像

光声计算机层析成像（PACT）通过探测被成像物体周围不同位置处的光声信号p(r,t)，经过重建算法得出组织内光学吸收体位置。最简单的重建过程与在不同地点记录雷声，从而得到闪电位置类似。

和PAM相比，PACT 成像中收集信号的位置有更大的自由度，可以针对真实成像对象进行相应的设计，使其在临床前期动物研究和临床应用方面具有广阔的空间。早期的PAT成像利用单探头环形扫描的形式，成功获得了小动物脑皮层血管的高分辨无创成像。随着技术的发展，越来越多的定制PAT阵列用于不同的研究方向。例如，目前国际上已有多个实验室研发了PAT小动物全身成像系统，部分已经形成产品[12-15]。

图5 PACT系统及成像结果。（a）系统结构图；（b）—（g）是（h）中相应断层PAT图；（i）解剖图。E眼睛；VF腹部鳍；V血管；G鳃。图片摘自并获得文献[16]的使用许可。

图5是我们研发的一个PACT系统[16]。激发光经过棱镜、锥面镜以及反声透光膜水平照射于样品，由样品断层面发出的光声信号经过反声透光膜被聚焦超声探头接收，在由放大器放大后被计算机采集和处理。超声探头被固定在与入射光同轴心的圆形旋转控制台上进行环形扫描。利用该系统我们研究了成年斑马鱼。图5（b）-（g）是（h）中相应黑色标记线的断层图像。眼睛、血管、鳃、鳍等器官结构在PACT上高对比度地成像。

除了介绍的这两种基本类型，根据不同的成像需要和条件，PAT已经发展了大量的成像系统，有的是这两类的综合。

2.3 光声功能与分子影像

作为光学成像的一种，PAT也可以通过多波长的进行光谱功能性成像。此外，和其他成像模态类似，当与靶向光声造影剂相结合，PAT可以针对性地对肿瘤、炎症等进行分子影像。

光声功能影像的代表是对血氧饱和度的成像。红细胞内的氧和血红蛋白（HbO2）和脱氧血红蛋白（Hb）对光的吸收有很大不同，所以血液的光学吸收系数为

其中[HbO2]表示氧合血红蛋白的摩尔浓度（molL-1），[Hb]表示脱氧血红蛋白的摩尔浓度。若用εHb(λ)表示脱氧血红蛋白在波长λ下的吸收系数，εHbO2(λ)表示氧合血红蛋白在波长λ下的吸收系数。通过在多波长下进行PAT成像，就可以将[Hb](r)和[HbO2](r)计算出来，进而得到该位置的血氧饱和度

生物体局部血氧饱和度的变化是反映新陈代谢水平的重要标志，不少课题组在功能性光声成像中已取得了重要突破。Hu等（2011）利用高分辨率OR-PAM实现高精度小鼠耳部毛细血管血氧饱和度成像(如图6b)[7]，Jiang等（2014）利用PAT实现乳腺血氧饱和度的定量检测，并监测新型辅助化疗后乳腺癌血氧饱和度的变化[17]。

图6（a）含氧血红蛋白（红色）和脱氧血红蛋白（蓝虚线）在不同波长下的消光系数；（b）小鼠耳朵血氧饱和度图像。图片摘自并获得文献[7]的使用许可。

光声分子影像把分子影像和PAT 结合，通过对带有分子探针的光声对比剂成像，从影像学上研究在分子和细胞层次上的生理病理过程。为了使分子探针具有很好的光学吸收特性，利用生物化学的方法把分子探针（例如抗体蛋白）和光学吸收体结合（例如染料分子或者纳米粒子），成为了光声造影剂的主要合成方法。分子探针通过与靶分子的结合，将光学吸收体富集在靶分子的位置。通过对光声造影剂的高对比度成像，就可以得到靶分子的在体分布，实现分子影像的目的。目前，已有多种光学吸收体，包括碳纳米材料、金属纳米颗粒和染料等，被成功地用于合成光声造影剂, 并用于研究包括肿瘤和炎症等生理病理过程[18-24]。以下以金纳米粒子做具体说明。

图7是对黑色素靶向的纳米金笼，随着观察时间的增加，在黑色素瘤处的PA信号逐渐增强，经过6 h后，达到最大并稳定[25]。通过在0 h和6 h的对比，我们可以看出对黑色素瘤具有靶向性的纳米金笼为PAT成像提供了极高的对比度，这也为肿瘤生理病理过程的研究提供了极大帮助。

图7 PAT对纳米金笼造影剂靶向富集监测。红色为血管，金色为被靶向的肿瘤。Tumor: 肿瘤。图片摘自并获得文献[25]的使用许可。

3 光声层析成像在医学上的应用

PAT不仅突破了传统高分辨光学成像的深度壁垒，也可以通过光谱PAT实现功能成像。PAT成像在临床上有极其广泛的应用前景，是目前国内外重点研究的新型临床影像设备。根据PAT的成像特点，现有的重点研究方向包括：皮肤成像、乳腺成像等。

皮肤虽然平均厚度只有1 mm，但皮肤对光的强散射使得传统光学显微镜在皮肤病的诊断上作用非常有限，而纯超声对疾病组织的对比度又不够。因此皮肤科医生更多的是依靠经验而不是影像结果进行诊断。PAT可以对皮肤内和皮下的很多病变组织（如黑色素瘤、血管增生相关）进行高分辨率无创成像。目前，针对皮肤癌、烧伤、葡萄酒色斑等疾病的诊断和影像导引治疗已经开展前期研究[26-28]。除了皮肤成像外，由于血管增生是乳腺癌的重要特征，本身也是光学强吸收体，针对血管的光声乳腺成像一直是PAT研究的热点。国内外在这方面都做了大量研究，研发了不仅和超声检查结合的手持式光声/超声探测设备，还有定制的光声乳腺成像系统。目前，已经实现在无标记乳房4 cm深度的PAT成像[29]。多个实验室已经开展临床前期实验，并获得了重要进展[30-32]。

随着PAT的发展，越来越多的PAT系统面向临床问题需求进行研发，包括眼睛成像[10, 33]、光声内窥镜[34]、脑成像[35]等。

4 展望与总结

本文系统性地介绍了PAT成像技术的原理，系统模式以及在基础研究和临床医学中的应用。PAT的重要优势是其利用软组织中超声弱散射的特点，将高分辨光学成像深度大大推进到几个厘米的范围，可以实现从细胞器到组织乃至器官的多尺度成像。另一方面它也保留了光学光谱成像的优势，可以通过多光谱实现重要的功能影像，如定量测量血氧饱和度。同时，光声造影剂的使用进一步提高了PAT的成像深度和对比度，并通过靶向造影剂实现了光声分子影像。作为一种新兴的成像手段，PAT成像技术在生命科学和临床医学上快速发展，并受到广泛关注。然而，PAT在临床的应用依然面临挑战，主要是存在对深层组织的图像的对比度不够的缺点。这一方面要求在激光（尤其是红外激光）技术和高灵敏超声探测技术的进一步发展，另一方面需要和临床研究更紧密结合，并结合图像分析和处理技术，对PAT的临床成像结果进行更加精确和全面的解读。

光声层析成像通过在体内制造“闪电”，并透过厚厚的组织探测产生的“雷声”，为生命医学成像开辟了一个新的道路。如何只让特定的组织（如癌症组织）产生“雷声”？如何更有效地探测“雷声”都是今后的研究重点。我们期望在今后的五到十年内，PAT可以实现在临床上的真正应用，成为像超声系统那样普遍采用的临床诊断影像设备。

致谢

该项目由国家重大科学仪器专项(2011YQ030114), 国家基础研究计划973项目(2011CB707500), 国家自然科学基金(11104058), 和河北省自然科学基金 (A2011201155)支持。

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Advances in Studies on Photoacoustic Tomography

WU Ning, REN Qiu-shi, LI Chang-hui
Department of Biomedical Engineering, College of Engineering, Peking University, Beijing 100871, China

光声层析成像（Photoacoustic tomography, PAT）是一种新兴的生物医学成像技术，它结合了组织的光学吸收特性以及超声探测优势，具有对比性强、灵敏度高、成像深度深的优点。本文综述了PAT技术的原理和主要成像手段。并重点结合PAT的技术优势，讨论了它在临床医学中的巨大应用前景。

光声层析成像，分子成像，功能成像

As an emerging bio-medical imaging technique, photoacoustic tomography (PAT) combines the optical absorption and ultrasonic detection, which can provide high-contrast, high-sensitivity and indepth imaging in living tissues. In this paper, the principle of PAT mechanism and its primary imaging methodology are reviewed. In addition, its great potential to be applied in clinical medicine is discussed based on its unique advantages.

photoacoustic tomography; molecular imaging; functional imaging

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.02.004

1674-1633(2015)02-0016-05

2014-10-05

国家重大科学仪器专项（2011YQ030114），国家基础研究计划973项目（2011CB707500），国家自然科学基金（11104058），河北省自然科学基金（A2011201155）支持。

李长辉，特聘研究员。

通讯作者邮箱：chli@pku．edu．cn