光聲成像技術的發展摘要：光聲成像技術是生物醫學上的一種新興的成像技術，具有高分辨率、高對比度、對人體無傷害等優點。本文介紹了光聲技術發展的背景以及近年來主要的發展情況，主要涉及近年來學者對光聲成像技術的研究以及現階段光聲成像技術存在的問題以及改進。最近闡述了光聲成像技術的發展前景和趨勢，指出了光聲成像技術向多模式結合的方式發展趨勢。關鍵詞：光聲成像技術，發展，前景1前言隨著現代科學技術的發展，醫學成像對各種疾病的診斷與治療有著重要的意義。對生物組織進行成像是研究生物組織病變的重要手段。目前，被廣泛運用到醫學上的成像方法主要有：X射線成像(包括x射線造影術成像和x射線相干層析成像OpticalCoherenceTomography,OCT等)、磁共振成像(magneticreso—nancetomography，MRT)、超聲成像等。在上述的這些成像技術中，都因輻射兒對人體造成一定的損傷。X射線又稱倫琴射線，它具有穿透物質的本領，但對不同物質它的穿透本領不同，有破壞細胞作用。X射線成像是根據人體組織的密度和厚度的不同，使組織能在熒光屏或膠片上形成影像，因此有些組織病變無法判斷，并且長期頻繁使用X射線成像將有損于人們健康。MRT技術是利用人體組織中氫原子核在磁場中受到激勵而發生核磁共振現象產生磁現象的一種成像技術。它具有輻射并卻設備昂貴等特點。超聲成像是一種對生物組織的無損檢測，但是它的成像方法依賴與生物組織的聲阻抗，由于有些腫瘤組織的聲抗無明顯的差異，這就限制超聲成像技術的運用范圍并卻它的重組圖像的對比度較低。由于患者對健康的強烈需求和醫學對人體某些疾病的檢測傳統的開刀有創傷的檢測模式轉向對患者無創傷的無損檢測模式，所以人們期待一種對人體健康無損害，高穿透力，高分辨率，高對比度的成像技術的出現。光聲成像技術是近年來發展的一種無損檢測醫學成像技術，它結合了光學成像和超聲成像的優點，正在逐步成為醫學無損檢測的一個新的研究方向。2光聲成像光聲效應是醫學光聲成像研究的基礎。用時變的光束照射吸收體時，吸收體因受熱膨脹而產生超聲波，這種現象稱為光聲效應，產生的超聲波稱為光聲信號。【1】光聲效應是A.G.Bell于1880年發現的，直到上世紀60年代，光聲效應不僅與現代激光技術、弱信號檢測技術相結合，并且開始迅速發展；上世紀70年代，光聲效應是用于光譜研究形成了光聲光譜技術；上世紀80年代，光聲效應引入生物組織成像領域，形成生物組織的光聲層析成像技術。在醫學上，用段脈沖激光均勻照射在生物組織的表面，生物組織吸收光能轉化為熱能，而使組織局部升溫，發生熱彈性膨脹，產生超聲信號，在利用合適的算法進行圖像重組，便可得到生物組織的光聲圖像。由于光聲成像是利用光能的吸收分布來反應組織內部的的結構，是一種非電離，非輻射的無損檢測。由于腫瘤組織和正常組織對光吸收的差異（在近紅外激光的照射下，癌變組織和周圍正常組織的光吸收差異至少5倍以上）和不同生理狀態的生物組織對光的吸收不同，利用光聲成像就可以反映了組織的結構特征，同時還可能反映組織的代謝狀態、病變特征、甚至神經活動。因此光聲成像技術被認為是一種很有發展潛力的生物組織無損檢測方法。3光聲成像的發展在過去的幾十年中，光聲成像技術迅速的發展。隨著科技的發展，人們也對成像系統和圖像重建提出了更高的要求。許多實驗都基于解決光聲成像所遇到的困難。如利用聚合物光纖和馬赫一曾德干涉儀實現環形光學探測，提高了信號探測的效率。【2】用數字散斑干涉法（DigitalSpecklePatterninterferometry，DSPI）探測光聲信號的設想，加上特殊配置的分色鏡以及標準CCD鏡頭和新型感應探測器，使得成像系統能夠實現全視場的、非接觸的、高精度的后向光聲探測。【3】用可平行采集的聲透鏡實現實時的二維光聲成像，通過模擬實驗證明了在使用時間分辨技術的情況下，可以不需要算法直接對不同物平面的物體同時顯示各吸收體的分布狀況（實驗中實現了4層），不足之處是沒能得到三維圖像。⑷則是以單一脈沖激光作為光源，采取平行探測方式實現三維光聲成像，實驗中已獲得動態點目標和線性目標的動態三維圖像。⑸使用的光源重復頻率已高達kHz量級，⑹使用了更高的6.6kHz激光重復頻率，光源重復頻率的提高，加快了光聲信號的產生過程，大大縮短了信號采集的等待時間。【7】近年來，光聲成像技術也運用到了臨床醫學上，但是大部分還有很多沒有克服的難題。2008年光聲成像技術在醫學上研究做多的是在血管光聲成像，如對腫瘤血管再生的光聲成像【8】和無毛鼠脈管的光聲成像【9】等。而到了2009年，光聲技術在醫學上的運用更加豐富，如：利用紅外波的激光進行光聲血管的造影成像，得到的圖像更加深的穿透度和更好的信噪比。【10】在老鼠的體內注入亞甲基藍，在老鼠體內注射亞甲基藍，用光聲成像技術進行SLN的鑒別，得到SLN的高光學對比度和約500m的分辨率，2D圖像的成像深度達20mm，3D圖像的成像深度達到31mm。【11】到了2010年以后，光聲成像技術在醫學上的研究更加深入，涉及到多種疾病。用光聲成像技術對離體老鼠心臟病灶組織進行成像，實驗結果清晰地顯示光聲成像用于探測病態組織的可能性，并得到分辨率低于100la.m的3D圖像【12】。同時技術上也運用了光聲光譜與CT掃描儀相結合，對活老鼠尾部的靜脈和動脈成像，以及利用熒光成像和光聲光譜學相結合，開發和測試分子探針在體探測NPR-1(Neutropilin—1receptor)的表達【14】。這些研究表明，光聲成像技術具有臨床應用的潛在可能性，同時也顯示了造影劑用于光聲成像的可行性。4前景與展望光聲成像技術是一種無損的檢測技術。近年來光聲成像技術已經稱為研究和臨床醫學研究的熱門方向。隨著光聲成像技術理論的成熟和不斷的研究改進，光聲技術將擁有廣闊的發展前景，特別是在臨床醫學上的無損檢測。光聲成像幾十年的研究顯示了這項技術對生物組織內一定深度的成像有高分辨率和高對比度優點，有其他成像技術在現階段不可相比擬的特點。而又因為光聲成像技術有無輻射，無損傷，對身體無傷害等特點而備受生物無損檢測的關注，國際上也有許多研究學者致力于光聲成像技術的研究，使的光聲成像技術得到了迅速的發展。但光聲成像技術現在還局限于研究領域，只有很少的研究者正真運用到了臨床醫學上。同時光聲成像技術也還有很多方面需要改進和完善。目前所用的段脈沖激光雖然得到了很好的信噪比，但是這局限了透射深度。這些就造成了深層組織的成像和圖像對比度的矛盾，這就需要選擇合適的波長脈沖才能達到預期的效果。其次，在目前的光聲成像技術，都是小面積的光聲層析成像，需要解決大面積的成像，可以利用多束激光同時進行照射，實現大面積的光聲成像。再次，需要解決實現實時的光聲層析成像，最后還要解決圖像的提取，這對計算機有更高的要求，要求更優化的算法。光聲成像技術在生物醫學上不斷發展，光聲技術需要解決所面臨的問題就要向多模式結合的方式發展。例如光聲成像技術與超聲結合的模式，光聲成像技術與OTC結合模式等。許多研究表明，光聲成像技術還將向分子成像方面發展。這些發展趨勢為光聲成像技術對生物的形態結構、生理和病理等研究提供了有效的方法。光聲成像技術有著許多其他成像無法實現的優勢，因此光聲成像技術將會成為新一代的的生物醫學影像技術。現代科技不斷發展，相信通過研究和創新，光聲成像技術將成為一種易于操作，對人體無傷害、實時、準確率高的臨床成像技術。【1】GUANJF，SHENZH，XUBQetal.Spectralanalysisofthescatteringwaveformofthelaser-generatedultrasonicwavesfordetectingthecrackinthematerial[J].LaserTechnology，2005，【2】BERERT，GRUNH，HOFERC，eta1..Photoacousticmicroscopywithlargeintegratingopticalannulardetectors[J].PlE.2009.7371：73710X.【3】LINZHH，LUXZH，LINCH，eta1..StudyofphotoacousticimagingbasedonDSPI[J].sP，2009，7283：728301.⑷CHENX，TANGZHL，HEYH，eta1..Simultaneousphotoaeousticimagingtechniqueusinganacousticimaginglens[J].Biomed.Opt.，2009，14(3)：030511.【5】GUOZJ，LICHH，SONGL，eta1..Compressedsensinginphotoacoustictomographyinvivo[J].Biomed.Opt.，2010，15：021311.【6】KUG，MASLOVK，LIL，etal..Photoacousticmicroscopywith2-Ixmtransverseresolution[J]..，.Biorited.Opt.，2010，15(2):021302.15(2)：021302.【7】BILLEHYN，LIUMY，BUMAT.Spectroscopicphotoacousticmicroscopyusingaphotoniccrystalfibersupereontinuumsource[J].Opt.Express，2010，18(18)：18519—18524.【8】KOLKMANRGM，THUMMAKK，TENBRINKEGA，eta1..Photoacousticinmgingoftumorangiogenesis[J].sP，2008，6856：685602.【9】JANKOVICL,SHAHZADK,WANGY,etal..In1~ivophotoacousticimagingofnudemicevasculatureusingaphotoa一cousticimagingsystembasedonacommercialultrasoundscanner[J].SP1E,2008,6856：68560N.【10】楊思華，陰廣志.利用近紅外光激發的光聲血管造影成像[J].物理學報，2009,58(7)：4760-4765.YANGSH,YINGZH.Photoacousticangiographyformousebraincortexusingnear一infraredlight[J].ActaPhysicaSinica,2009,58(7)：4760-4765.(inChinese)【11】SONGKH,STEINEW,MARGENTHALERJA,eta1..Noninvasivephotoacousticidentificationofsentinellymphnodescontainingmethyleneblueinvivoinaratmodel~J]..,_BiomedicalOptics,2008,13(5)：1.【12】HOLOTrAM,GROSSAUERH,KREMSERC,eta1..Photoacoustictomographyofpathologicaltissueinex-vivomousehearts[J].SPIE,2010,7564：75642X.【13】LIUB,KRUGERR,REINECKED,eta1..Monitorhemoglobinconcentrat