生物組織的光聲成像技術

光聲成像技術生物組織的成像是生物組織結構、功能和臨床診斷的重要手段。目前,廣泛使用的成像方法主要有:X射線造影術、X射線斷層掃描(computedtomography,CT)、正電子發射層析術(positron-emissiontomography,PET)、磁共振(magneticresonancetomography,MRT)、超聲成像、光學相干層析成像技術(opticalcoherencetomography,OCT)等。在這些成像技術中,前3種因輻射而對人體都有一定的潛在損傷,且X射線造影術依賴于生物組織的密度,骨折愈合初期X光成像無法檢測;PET需要回旋加速器或發生器產生高能粒子,設備昂貴,且空間分辨率較低;MRT對人體無損傷,但靈敏性較差,掃描和后加工時間長,需要大量的探針,且設備購置成本和運營成本都很高;超聲成像技術對組織無損傷,但它只能對組織聲阻抗的變化成像,重建圖像的對比度低;OCT依賴于組織的光學特性參數(如光散射系數、吸收系數),通過對生物組織光學特性差異成像,可以反映組織生理狀況和代謝特征,實現功能成像,并且具有對人體無損傷、分辨率高等特點,但由于生物組織是渾濁介質,光的強散射造成純光學成像靈敏度低,成像深度淺。光聲成像技術結合了組織純光學成像和組織純聲學成像的優點,可得到高對比度和高分辨率的重建圖像,且具有無副作用的優點,為生物組織的無損檢測技術提供了一種重要檢測手段,正逐步成為生物組織無損檢測領域的一個新的研究熱點。下面將簡要介紹光聲成像技術機理,并報道國內外生物組織的光聲成像方法和光聲圖像重建算法的發展歷程以及最新進展。1生物組織的光聲層析成像技術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。早在1880年,Bell實驗室就發現了光聲現象,直到上世紀60年代,光聲效應才與現代激光技術、微弱信號監測技術相結合而開始迅速發展;上世紀70年代,光聲效應被用于光譜研究,形成了光聲光譜技術;上世紀80年代,光聲效應被引入生物組織成像領域,形成了生物組織的光聲層析成像技術(photoacoustictomography,PAT)。對生物組織的光聲成像,是采用“光吸收→誘導光聲信號→超聲波檢測→圖像重建”過程進行成像。把一束短脈沖激光經光學元件擴束后,均勻照射到生物組織上,組織內的光吸收體快速吸收激光能量,產生絕熱膨脹,從而產生光聲信號,利用超聲換能器從各個方向接收來自組織中的光聲信號,再利用合適的算法進行圖像重建,就可以得到組織光吸收分布圖像。在光聲成像中用寬帶超聲換能器檢測超聲波,代替光學成像中檢測散射光子(組織對超聲的衰減和散射遠小于組織對光的衰減和散射),再結合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),利用光聲成像就可以得到高對比度、高分辨率的組織影像。不同生理狀態的生物組織對光的吸收不同,生物組織對光吸收的差異,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,被認為是一種很有前途的生物組織無損檢測方法。2采用多元線性陣列探測器的快速光聲成像技術在近十幾年來,光聲成像技術已經引起人們極大的興趣。一些模擬組織樣品和活體組織功能的光聲成像方法被報道,許多重建算法被應用到二維光聲圖像重建中。在成像方法上,WANG等利用單元超聲換能器旋轉掃描探測成像,實驗裝置如圖1所示,利用此方法,該研究小組成功獲得了大鼠腦部血管的光聲重建圖像,如圖2所示,重建的圖像與解剖后的實物十分吻合,在此基礎上,該研究小組還進行了一系列的實驗,將大鼠腦部刺傷后進行光聲成像,對大鼠刺激進行功能成像,在超聲換能器前加上柱狀聲透鏡對大鼠腦部進行三維層析成像,在血液中注入吲哚青綠(indocyaninegreen,ICG)、染料或者納米顆粒,實現高對比度的光聲層析成像等等。HOELEN等利用PVDF壓電晶體傳感器,首次對高散射介質中的血管進行三維成像,其重建圖像的橫向分辨率為200μm,縱向分辨率達10μm。KOLKMAN等研制了方向性很好的雙環探測器,采用類似B超掃描成像模式,對組織進行斷層成像,利用該系統,得到了人造血管和兔子耳朵血管的光聲圖像,測定了血管的直徑、血氧含量,為病變血管的診斷提供重要的手段,在此基礎上,該研究小組不僅成功地重建了手腕淺層血管的斷層光聲像,而且實現了不同時期對白鼠腫瘤組織的生長情況進行監控的光聲圖像,把光聲成像成為臨床診斷又向前推進了一步。BEARD等利用光學探測系統進行生物組織的光聲成像,如圖3所示,來自于組織的光聲信號使法布里-珀羅干涉儀(Fabry-Perotinterferometer,FPI)產生振動,引起干涉光強度分布發生變化,通過檢測光強分布變化而實現對光聲信號的檢測,這實際上是一種用超聲信號調制光信號的過程,利用該系統,分別獲得了模擬血管的二維和三維的高對比度光聲圖像,橫向分辨率為0.33mm,縱向分辨率為0.15mm。在以上介紹的光聲成像方法中,一般采用單元探測器探測光聲信號,其信噪比較低,數據需要經過多次平均,信號采集時間長。為了減少光聲信號的采集時間,KRUGER等利用多元線性陣列探測器對裸鼠腦部進行光聲成像,其重建圖像的空間分辨率分別為200μm和1.5mm。KORNEL等將玻璃棱鏡作為壓力傳感器,利用光聲信號產生的壓力導致水溶液與玻璃之間的相對折射率發生變化的原理,通過連續激光束和高速照相機測量在水溶液中激發的光聲信號的二維分布,將系列光聲信號的二維分布通過圖像重建算法而實現組織結構成像,其縱向分辨率為20μm,橫向分辨率為200μm。為了進一步減少光聲信號的采集時間和提高信號的信噪比,YIN等人利用多元線性陣列探測器,結合多元相控聚焦技術,如圖4所示,n個探測器接收來自m點的光聲信號,經過相位延遲,合成為一路信號,大大地提高了光聲信號的信噪比,實現了高靈敏度的快速光聲層析成像,成像時間在5s以內,成像分辨率為0.3mm;在此基礎上,該研究小組又提出了應用多元的相控聚焦電路同時接收光聲信號和超聲回波,然后直線投影同時獲得光吸收和聲阻抗的分布圖像的方法,這種方法提供了組織光吸收和聲阻抗的兩方面信息,為光聲成像的實際應用提供了一種快速檢測和診斷的新方法;為了提高重建圖像的分辨率和真實地反映多元線性陣列探測器對光聲信號的探測,該研究小組又提出了基于多元相控聚焦和小角度反投影算法的快速光聲成像,使重建圖像分辨率提高到0.15mm;為了使光聲成像進一步走向實用,該研究小組建立了一體化快速光聲成像系統,該成像系統集成了激光傳輸、光聲激發和光聲信號探測,方便快速地實現了對手腕血管的成像。XU等人提出了一種利用聲透鏡實現光聲層析成像的新方法,該研究小組從理論上計算出了聲透鏡的響應,并測出了已知聲場中標準物像面處的聲場分布,由研究表明,利用聲透鏡可以實現光聲層析成像,并經圖像重建得到了生物組織中異物的光聲圖像,其橫向、縱向分辨率都比較高;在此基礎上,為了克服聲透鏡對寬頻帶聲波的色散,該研究小組提出了一種基于二元聲學折射/衍射混合聲透鏡設計方案,該聲透鏡在對光聲信號進行二維成像時體現出了極大的優越性,與單聲透鏡相比,除了有實時成像、成像焦深較大且可以利用時間分辨技術實現層析成像的優點外,還可以利用二元聲學透鏡獨特的色散特性校正單聲透鏡的軸向色差,極大地提高了成像的分辨率。光聲成像方法借助于硬件實現了光聲信號的探測和采集,是成像系統的核心部分,它決定了光聲信號的采集時間、信號的信噪比、重建圖像的質量以及成像系統能否達到臨床應用的要求;成像算法是圖像重建必不可少的組成部分,采集到的光聲信號必須根據成像方法來選擇合適的算法以實現圖像重建,合適的算法可以改善重建圖像的質量。目前,在國內外提出的成像算法主要有:KRUGER等提出光聲遠場近似,利用逆三維Radon變換進行圖像重建;WANG等改進了這種成像算法,并成功實現對大鼠腦部血管分布、腦損傷以及腦功能的光聲成像;WANG等利用基于樣品及點源光聲信號逆卷積的光聲成像算法,減少了由于探測系統的頻帶響應的影響,較好地還原了原始的光聲信號;HOELEN等利用權重延遲求和算法成像,即利用時域延遲求和聚焦技術定位樣品中的光聲源的位置;K?STLI等利用傅里葉變換算法實現圖像重建;由于濾波反投影重建算法要求對成像區域進行全方位掃描以獲取完全投影數據,需要較長時間采集大量數據,使其在醫學上的應用受到限制,YANG等研究了在有限角度下采用代數迭代算法進行光聲成像,從仿真和實驗結果表明該方法適用于“非完備投影數據”的光聲層析成像,從圖像重建效果上與濾波反投影算法相比,該成像算法提高了重建圖像的分辨率和對比度;YUAN等采用基于頻域光聲波動方程的有限元方法(該方法是一個結合了馬跨特測定法及TIKHONOV正則化的牛頓迭代法),成功得到了不同樣品的光吸收特性的空間分布;BENJAMIN等采用基于漫射光傳播有限元模型的迭代算法,實現了散射介質中光吸收分布的二維定量光聲圖像重建,并直接反映組織的生理特征等。實際上,影響光聲成像質量不僅有成像方法差異、成像算法的不同,還有其它一些因素,比如濾波函數的選擇,常用濾波函數有RL(RamachandranandLakshminarayanan)濾波器、SL(SheppandLogan)濾波器、改進的SL濾波器(Modi-SL)以及Kwoh-Reed濾波器,前3種濾波器帶寬較寬,峰值偏向高頻成分,對高頻噪音抑制較少,Kwoh-Reed濾波器能顯著抑制高頻噪音,所以在強噪音存在時,采用Kwoh-Reed濾波器能提高圖像對比度;組織與耦合液的聲速是否匹配。目前,大多是用水作為超聲耦合液,但對于不同組織,其聲速并不相同,而且光聲信號在水中的傳播速度也隨著溫度的變化而改變,配制與組織聲速匹配的耦合液進行光聲成像,可以消除光聲信號在組織界面的折射、傳播時所引起的聲程差,提高重建圖像對比度和分辨率;不同頻率成分隨距離衰減差異。光聲信號在傳播過程中,不同頻率成分隨距離衰減不同,高頻成分衰減多,低頻衰減少,對光聲信號不同頻率成分進行衰減矯正的成像方法,增強了光聲信號的高頻成分,突出了吸收體的邊界變化和細微的結構特征,提高了成像系統分辨率,實驗結果顯示重建圖像的分辨率由0.3mm提高到0.2mm。3光聲成像實驗的優勢近年來,光聲成像技術得到迅速發展,但還有很多方面需要改進和完善。首先,要解決深層組織成像和圖像對比度的矛盾,在目前的實驗中,利用短波段的脈沖激光雖然可以得到很好的信噪比,但是激光對組織的穿透深度有限;如果利用長波段的脈沖激光(或者微波)可以增加對組織的穿透深度,但其產生的光聲信號的信噪比較差,所以,很有必要選擇一種合適的波長進行光聲成像實驗。借助蒙特卡羅模型模擬各種波長的激光在各種組織中的穿透深度和激發的光聲信號的信噪比,從各種波長的激光中,選擇一種合適的波長,既能滿足成像深度的需要,又可以得到較好的信噪比,利用該方法這樣可以節省大量的實驗器材以及實驗資金。當然也可以在組織血管中注入ICG或納米顆粒,通過血液循環,可以增加成像的深度和對比度,而且還可能實現組織的功能成像;另外,生物組織的一些功能總是與一些特定的生命物質相關,根據這些物質具有特定的光學吸收峰,選擇適合波長的激光激發,也可能實現組織的功能成像。其次,在目前