光聲層析成像技術的研究進展

池妍+譚治良

摘 要 光聲層析成像技術是一種新興的醫學成像技術，具有高分辨率、高對比度、高穿透深度的優點。文章簡要介紹光聲層析成像技術的原理，并報道基于單聚焦換能器掃描的層析成像技術和基于多探元超聲探測方式的層析成像技術，指出該技術在醫學檢測上具有重要的應用前景。

關鍵詞 光聲層析成像技術；高分辨率；高穿透深度

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）05-0002-02

光聲成像技術是基于光聲效應的一種成像技術。當物質受到短脈沖激光或者周期性的強度調制的光照時，物質內部將會產生周期的溫度變化，溫度變化使這部分物質及其鄰近介質產生周期性的漲縮，從而產生聲信號，這種聲信號被稱為光聲信號。光聲成像技術具有高分辨率、高對比度、高穿透深度的優點，主要包括光聲內窺鏡、光聲顯微成像、光聲層析成像等。本文闡述了光聲層析成像技術的原理，并報道基于單聚焦換能器掃描的層析成像技術和基于多探元超聲探測方式的層析成像技術。

1 光聲層析成像技術原理

光聲層析成像技術利用大照射面積的脈沖激光作為照射源，當激光照射在樣品時，由于樣品介質的散射作用，使到樣品內部目標組織被均勻照射，所激發超聲信號傳播到組織表面的時候用帶掃描機制的超聲探測器或者超聲探測器陣列進行探測，直接或者通過特定的算法進行圖像重構。由于樣品內部不同深度位置的聲信號到達樣品表面的超聲信號存在時間差異，因此，利用時間分辨技術可以獲得不同層析面的光聲信號，從而獲得組織的三維光聲圖像。

2 光聲層析成像技術

2.1 基于單聚焦換能器掃描的層析成像技術

在光聲層析成像技術的應用領域最簡單的探測方式就是采用單探元的傳感方式來進行探測，利用單個聚焦換能器橫向掃描探測外部的光聲信號就可以獲得組織內部某一層析層面的光聲圖像的一種方法。該想法最早由Kruger等于1994年提出，并于2004年被Kolkman等用一個PVDF材料制造的雙環換能器實現了聚焦探測光聲信號。

2.2 基于多探元超聲探測方式的層析成像技術

逐點掃描的成像方式存在一個嚴重的問題，就是成像速度過慢，因此很多小組相繼采用了多元探測的方式，并結合一定算法實現了光聲層析成像。從探元分布情況上分，多探元的超聲探測系統可以分為球形、圓柱形以及平面形多探元分布機制。球形和圓柱形多元超聲探測系統需要接觸整個目標樣品的各個方向，因此只能被限制在對乳房以及小動物（如老鼠）等體積較小的樣品進行光聲成像。而平面形掃描的多元超聲探測系統應用范圍更廣，尤其在淺表層（譬如皮膚）的探測更有優勢。面狀掃描的光聲成像方式有很多種，其中比較典型的有以下幾種。

2.2.1 多元探測器相控聚焦光聲成像法

Da Xing等人提出利用320個換能器陣元組成一個換能器線陣，結合相控聚焦重構算法，如圖1所示，用電子掃描代替機械掃描，然后對陣列探測器每個探頭測得的信號依據該探頭到探測點的距離作一個時間延時，再根據信號傳輸距離及探測器作一幅值權重，然后求和便可得到被測點的光聲信號。由于無須旋轉探測器，從而極大地縮短了成像時間，使成像時間從幾十分鐘縮短到幾秒，但由于受多元探測器的像素和間距的限制（基于相控聚焦算法的圖像分辨率取決于多元探測器的像素和間距），其橫向分辨率可以達到幾百微米，但無法用于細胞水平的光聲成像。

圖1 相控聚焦原理圖

圖2 法布里-波羅薄膜探測法

2.2.2 以法布里-波羅（Fabry-Perot，簡稱FP）高分子薄膜作為探測器探測光聲信號

如圖2所示，其原理利用FP薄膜前后表面鍍上高反射率的銀膜或鋁膜，超聲信號會引起高分子薄膜的厚度發生空間的變化，而兩個反射面反射的干涉光強變化也隨著薄膜厚度變化而變化，然后對探測光進行解調，就能獲取超聲的二維空間分布。Beard P.C.等用此方法獲得了手上皮膚下面4 mm厚度不同層面的微細血管的三維光聲圖像。

2.2.3 聲透鏡成像法

從傅里葉成像理論出發，利用具有空間傅里葉變換性質的聲透鏡，可對光聲信號進行二維成像，這類似于光學透鏡的成像原理，通過探測聲透鏡像面上的聲壓分布情況便可重建聲源的分布情況，如圖3所示。M.Fenz等以及Zhilie Tang等都通過了聲透鏡對獲得了光聲圖像，前者通過一個光學暗場成像系統直接用CCD拍攝到像面的光聲壓分布，最后通過計算機還原物面聲源分布；而后者則通過掃描一維線陣獲取像面光聲圖像。

圖3 聲透鏡層析成像法

3 結束語

光聲成像技術的信息載體是聲信號，它的傳輸與組織的散射特性沒有直接關系。因此光聲成像技術的成像深度遠遠超過激光掃描激光顯微鏡、雙光子熒光顯微鏡和OCT等三維光學成像技術。因此，光聲層析成像技術在探測組織病變等醫學領域中有巨大的應用價值。

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