多參量光聲成像在生物醫學領域的應用

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摘要：多參量光聲成像是一種新型復合成像技術，兼具聲學成像與光學成像的特點。本文就多參量光聲成像技術的特點進行分析，并針對該種技術在生物醫學領域中的應用優勢、不足展開分析。

關鍵詞：多參量光聲成像;生物醫學領域;應用

光聲成像是近年來誕生的一種新型復合成像技術，是借助光聲效應產生而來，光聲效應的聲信號即光聲信號，其強度是由力學、光學、運動學、熱學等特征來決定的，光聲成像具有聲學成像與光學成像的優勢，在生物醫學領域的應用已經非常成熟，取得了理想的成果。

1光聲成像的優勢

光聲信號產生的基本原理是：當用短脈沖激光照射吸收體時，吸收體中的分子吸收光子后，當滿足一定的條件時，吸收體分子的電子從低能級躍遷到高能級而處于激發態，而處于激發態的電子極不穩定，當電子從高能級向低能級躍遷時，會以光或熱量的形式釋放能量。在光聲成像應用中通常會選擇合適波長的激光作為激發源，使吸收的光子的能量轉化為熱能的效率最大，通常從光能轉化為熱能的效率可達到90%以上。釋放的熱量導致吸收體局部溫度升高，溫度升高后導致熱膨脹而產生壓力波，這就是光聲信號。與聲學成像相比，光聲成像利用了光吸收系數，在化學成分的分析方面，有著獨特的優勢。其中，聲波能夠獲取物體的彈性參量、密度等力學特征，應用在生物體中，可以將生物體的功能信息、生理結構等清晰地反映出來。與光學成像相比而言，光聲成像對于組織有著非常高的分辨率，光學成像往往只能夠得出組織表層1mm深度左右的高質量圖像，如果深度偏高，分辨率就會大受影響，與之相比，聲波的散射強度更小，在生物組織中的傳播有著低散射、低耗散的優勢，空間分辨率的成像深度非常理想。此外，光聲成像在生物醫學領域中的應用更加安全，該種成像方式應用的是激光、微波照射法，與X射線、CT相比，更加安全，只需要很少的電磁輻射能量，即可獲取到理想的光聲信號，避免對生物組織造成熱損傷。

2多參量光聲圖像在生物醫學領域中的應用分析

2.1多尺度成像

多參量光聲圖像可以得出深層組織圖像，還能夠利用圖像參量來實現多尺度成像，揭示出生物體的功能與結構信息。所參量光聲圖像的成像效果，與組織的生理功能、光吸收系數有著密切的關系，在應用的過程中，需要根據各個組織的成分來合理選擇電磁波波長，選擇性針對組織中的成分進行分析，得出解剖、代謝、分子、功能、基因方面的信息。如，DNA、RNA的紫外線吸收能力較強，利用紫外線作為激發光源，即可獲取到高對比度圖像。在臨床醫學中，如果細胞核形態存在異常，也就說明，癌細胞DNA復制發生障礙，因此，該種診斷方式對于早期癌癥的診斷有著重要的意義；血紅蛋白主要吸收可見光頻段電磁波，利用光聲成像，可以獲取到關于血液系統的高對比圖像；油脂、水等對于近紅外段電磁波與微波段吸收情況良好，利用近紅外激光、微波作為光源，可以快速分析出其中的異常聚集問題。在生物組織中，每一種化學成分的光吸收特性都是不同的，在診斷過程中，可以借助多波長激光照射組織來獲取相關信息，通過定性分析與定量分析相結合的方式得出生物組織各項化學組分信息，利用波長與電磁波吸收特性，既可以分析出血紅蛋白含量，還可以獲取到脫氧血紅蛋白與氧合血紅蛋白的相對含量，分析出血氧飽和度。血紅蛋白是生物體內的重要載體，可以直接反映出生物的新陳代謝過程，這對皮膚疾病、腦血管疾病、腫瘤的早期診斷，有著重要的意義。

2.2生物組織黏彈特征

此外，借助多參量光聲成像，還可以檢測出生物組織黏彈特征，在檢測時，需要使用連續激光照射樣本，得出組織黏彈參數，利用光聲信號相位與強度，獲取到最終的檢測信息，與光吸收特性相比而言，該種方式從力學角度反映出組織硬度、血液粘稠度，可以直接計算出組織生物力學系數與光學參量，為診斷提供可靠的信息指導，在心血管疾病、腫瘤的早期診斷上，有著突出的作用。

2.3溫度分布情況

多參量光聲成像還能夠反映出溫度的分布情況，光聲信號強度與光吸收系數是密切相關的，與媒介系數為正比關系，在媒介溫度升高之后，媒介系數也會相應升高，因此，利用該種系數可以反映出具體的光聲圖像。數據顯示，在每升高1℃，光聲升壓會增高5%。借助光聲成像，可以直接得出溫度系數，靈敏度高達0.16℃，能夠檢測出絕對溫度值，準確度非常高。光聲成像還可以借助光聲多普勒效應與光聲信號之間的關系來得出血流速度的相關信息，檢測出信號多普勒頻移，借助這一原理，可以滿足血流速度精細成像的要求，根據相關數據，得出低速流體信息。

2.4紅細胞形態特征

借助多參量光聲信號的功率頻譜參數，還可以得出亞波長微結構信息、細胞形態、聲學功率譜特性測出紅細胞形態特征，鑒別早期血栓與癌細胞的形成。根據研究實驗顯示，針對窄帶低頻光聲呈現系統的信號進行分析，可以鑒定出亞波長尺寸微結構信息，以頻譜斜率作為參數，計算出亞波長尺寸結構。在生物組織之中，存在大量的微米量級微結構，如紅細胞、微鈣化斑點、黑素瘤等等，借助多參量光聲成像，能夠為相關疾病的診斷提供有價值的信息。此外，借助于物化譜參量呈現技術，可以將聲學功率譜與光學吸收譜分析相結合，得出組織的化學特征與物理特征，該種分析方式為物化譜分析法（Physio-chemicalspectrum），在分析時，需要先利用不同波長激光脈沖進行照射，得出帶有組織化學成分信息的聲學功率譜，計算出一維功率譜，將亮相參數結合起來，即可獲取到組織的二維物理化學譜。物理化學譜可以清晰地反映出組織的微結構特征與物理化學成分，得出組織特異化標簽。

3多參量光聲成像的應用分析

多參量光聲成像不僅具有深分辨率高的優勢，也具備信息敏感、成像對比度高的優勢，可以從血液流速、組織力學、溫度分布、生化組分、微結構特性來分析生物的功能、解剖、基因、分子、代謝信息，選擇適宜的工作頻率和成像模式，可以達到納米級的分辨率，深度也能夠達到50mm。多參量光聲成像技術的應用滿足了生物醫學領域的發展需求，有著非常大的應用潛力。但是，畢竟多參量光聲成像屬于新型技術，在應用的過程中，還有一些難題需要突破。首先，該種技術的理論是建立在生物組織聲學特征均勻的基礎上，如果組織的聲學特征不均勻、分布復雜，必然會影響應用效果。在人體組織中，空穴、骨骼的聲阻抗是存在差異的，容易致使聲傳播出現反射和散射的問題。其次，雖然多參量光聲成像的深度已經達到了50mm，但是對于更深組織成像，還具有局限性，這也是下一階段需要重點解決的問題。

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作者:王治昕 單位:湖南環境生物職業技術學院