全光學光聲/OCT雙模態(tài)成像系統(tǒng)及其應用

許曉慧，周王婷，陳重江*

(1.廣州工商學院電子信息工程系，廣東 佛山 528138;2.華南師范大學, 生物光子學研究院激光生命科學研究所、暨激光生命科學教育部重點實驗室，廣東 廣州 510631)

光聲成像(photoacoustic imaging)技術(shù)已經(jīng)成功地應用于皮下微血管結(jié)構(gòu)成像、功能成像和早期的腫瘤監(jiān)測中，其具有很高的靈敏度和特異性，并擁有光學成像無法比擬的成像深度[1-5]，這都得益于光聲成像高度依賴于組織的光學吸收和以超聲信號作為信息載體的特性。然而，對于弱吸收物質(zhì)，光聲成像提供的有效信息相對較少，通常需要其他的成像方式加以判別。光學相干層析成像(optical coherence tomography, OCT)是一種相對成熟的無損成像方式，它的成像原理是檢測由樣品臂和參考臂反射回來干涉光信號來實現(xiàn)組織成像的。OCT的優(yōu)點是對組織的散射結(jié)構(gòu)有很高的靈敏度，但是缺少生物組織的光學吸收信息，它已經(jīng)成功應用于眼科的臨床實踐和血管內(nèi)成像[6]。由于OCT依賴于生物組織的光散射特性，因而OCT的成像深度一般不超過2 mm[7]。綜上所述，光聲成像和光學相干層析成像在獲取生物組織結(jié)構(gòu)特性上和生理參數(shù)上可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補；同時，光聲成像可以彌補光學相干斷層掃描成像在成像深度上的不足。

近幾年來，已有科研人員開始探索如何實現(xiàn)光聲成像和OCT這兩種成像方式的結(jié)合。他們中有把光聲成像系統(tǒng)和OCT系統(tǒng)做了一個簡單拼接，依然使用超聲換能器通過使用耦合介質(zhì)來接收光聲信號[8-12]。這樣簡單的組合會導致系統(tǒng)成本的上升，在一些特殊應用場合這種簡單的組合并不適用，比如對一些敏感部位的檢測，包括眼睛、創(chuàng)口等等。到目前為止，還沒有人成功的用光學的方法把光聲成像和光學相干層析成像兩者有機結(jié)合起來。之前的研究有涉及到使用透明的高分子薄膜構(gòu)成的法布里珀羅標準具來檢測超聲波，同時進行光學相干層析成像[13]；由于法布里珀羅標準具的靈敏度較低，因而探測器還是需要和被測組織直接接觸。另外，也有研究中使用波分多路復用器來實現(xiàn)全光學的光聲成像和光學相干層析成像的整合[14]，也有使用同一個邁克爾遜干涉儀來實現(xiàn)光聲與光譜OCT雙模態(tài)成像[15]，但是他們的系統(tǒng)中光聲探測系統(tǒng)和光學相干層析成像系統(tǒng)依然還是相互獨立的。

非接觸式光學探測超聲的方法是一種全新的超聲探測方式，這種探測方式對超聲有很高的探測靈敏度。近年來，越來越多的研究者傾向于使用光學方法來探測樣品表面振動速度和位移來達到檢測超聲的目的[16-18]，這種探測方式已經(jīng)被用于生物醫(yī)學領域的光聲成像[19,20]。由于越來越多的光學探測超聲方法的出現(xiàn)，這也為光聲成像和光學相干斷層掃描成像集成在一個系統(tǒng)上提供了可能[19-21]。

本文中，我們提出了一種新型的全光學集成的光聲/OCT雙模成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用同一個低相干邁克爾遜干涉儀即可實現(xiàn)光聲成像和OCT于一體的雙模成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)簡單，可同時非接觸式地獲取生物組織的吸收與散射結(jié)構(gòu)信息。并將該系統(tǒng)應用于基底細胞癌(BCC)的檢測中，獲得了初步的研究結(jié)果。

1 方法與裝置

圖1為光聲/OCT雙模態(tài)成像系統(tǒng)裝置圖。光聲激發(fā)源為532 nm、脈寬為10 ns的脈沖激光器(HLX-I-F005, Horus Laser)，脈沖激光通過空間濾波系統(tǒng)耦合進單模光纖后經(jīng)過準直鏡并通過二向色鏡與OCT的激發(fā)光合成一束，然后經(jīng)物鏡聚焦到樣品上。由于光聲/OCT雙模態(tài)成像系統(tǒng)中光聲信號的檢測及OCT相干信號檢測使用的是同一套邁克爾遜干涉儀及信號探測系統(tǒng)，因而需要在時間上對這兩個信號進行錯位檢測。系統(tǒng)具體運行過程如下[22]：開始時，快速掃描光學延遲線被設定在平衡位置，即參考臂的光程長度與樣品臂的光程長度相等，此時邁克爾遜干涉儀工作在零差模式。根據(jù)參考文獻[21]中對光學超聲檢測法的要求，系統(tǒng)控制程序啟動PCI-1716采集卡監(jiān)測此時邁克爾遜干涉儀的過零點情況，并觸發(fā)脈沖激光器，然后光聲顯微子系統(tǒng)開始運行工作，光聲信號通過數(shù)據(jù)采集卡(NI-5124)進行采集。由于光聲信號是加載在周圍環(huán)境振動的低頻信號上的，需加高通濾波器消除載波信號。光聲信號完成采集后，快速掃描光延遲線開始對樣品進行軸向掃描并觸發(fā)采集卡，進而光學相干信號也開始被數(shù)據(jù)采集卡接收。OCT完成一次采集后，快速掃描光學延遲線回到平衡位置，二維掃描振鏡移動到下一個位置，這樣就可以交替的獲得光聲信號和光學相干信號并進行成像掃描,系統(tǒng)工作時序圖如圖2所示。實驗中為了進一步提高光聲顯微系統(tǒng)對光聲信號探測的靈敏度，在樣品成像區(qū)域覆蓋了一層厚度約為幾百微米的油層，來減少樣品表面粗糙造成的散射影響確保樣品表面的粗糙度在光源的相干長度之內(nèi)[23]。

圖1 光聲/OCT雙模態(tài)成像系統(tǒng)裝置圖Fig.1 The setup of dual-mode photoacoustic and optical coherence tomography imaging system

圖2 光聲/OCT雙模態(tài)成像系統(tǒng)工作時序圖Fig.2 Timing diagrams of the dual-mode photoacoustic and optical coherence tomography imaging system

2 結(jié)果與討論

2.1 系統(tǒng)性能驗證

為了驗證系統(tǒng)的成像能力，我們分別測試了光聲成像子系統(tǒng)及光學相干層析成像子系統(tǒng)。首先，我們對埋在1%的瓊脂凝膠中的一簇直徑為6 μm的碳纖維進行了光聲成像，結(jié)果如圖3(a)所示。從結(jié)果中可以看出光聲成像子系統(tǒng)可以清晰地成像碳纖維絲，且具有較高的對比度及分辨率。圖3(b)是厚度為170 μm的蓋玻片的B掃OCT圖像，蓋玻片的上下邊界可以被清晰地顯示出來，且邊界間距大小與170 μm是一致的。以上實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)是可以實現(xiàn)光聲成像及光學相干層析成像的。

圖3 (a)碳纖維絲的光聲圖像； (b)蓋玻片的OCT 的斷層圖像Fig.3 (a) The photoacoustic image of carbon fibers;(b) the B-scan OCT image of cover glass

2.2 模擬實驗驗證

接下來，我們驗證光聲/OCT雙模成像系統(tǒng)在散射介質(zhì)中同時成像的能力。我們用1%的瓊脂凝膠模擬組織的高散射背景，并在瓊脂的不同深度處插入四根黑色頭發(fā)絲。成像模式設置為光聲、OCT同時成像，即先讀取光聲信號再讀取OCT信號，這樣依次采集，最終獲得光聲及OCT圖像。圖4(a)展示了四根黑色頭發(fā)的光聲B掃圖像，而無法看到瓊脂的信號。這是因為光聲成像是基于組織對光的吸收成像，黑色頭發(fā)因包含濃度較大的黑色素所以產(chǎn)生了較強的光聲信號，但是瓊脂在532 nm波長處無光吸收，因而光聲成像無法看到散射介質(zhì)瓊脂的。OCT的B掃圖像中(圖4(b))能夠同時清晰地看到四根頭發(fā)以及瓊脂表面的邊界。圖4(c)和4(d)分別展示的頭發(fā)絲的光聲信號和OCT信號。圖4(d)為圖4(b)的一個A掃信號，從A掃信號中可以看到瓊脂凝膠的強散射邊界以及頭發(fā)絲與凝膠接觸的邊界信號。模擬實驗結(jié)果表明全光學光聲/OCT雙模態(tài)成像系統(tǒng)可以同時獲得散射介質(zhì)的吸收和散射結(jié)構(gòu)信息。

2.3 光聲/OCT雙模態(tài)成像系統(tǒng)的應用

為了證明光聲/OCT雙模態(tài)成像系統(tǒng)具有成像活體生物組織的能力，我們用該雙模態(tài)系統(tǒng)應用于老鼠耳部組織的成像中。在實驗之前，用脫毛劑脫去老鼠耳部的毛發(fā)。給老鼠注射戊巴比妥鈉(注射劑量40 mg/kg,追加劑量10 mg/kg/h)使老鼠在實驗過程中保持靜止。為了使小鼠皮膚不被脈沖激光灼傷，保證在美國國家標準協(xié)會規(guī)定的激光能量安全閾值20 mJ/cm2范圍內(nèi)[24]，在實驗中照射在小鼠皮膚表面的激光能量密度控制在10 mJ/cm2以下。圖5(a)展示了小鼠耳朵組織的光聲圖像，清晰地顯示了小鼠耳朵部位的微血管網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)信息。圖5(b)和5(c)分別是光聲和OCT的B掃描圖像，對應于圖5(a)中的虛線位置。光聲B掃圖中可以提取到血管的位置分布及血管大小等信息；從OCT B掃圖中可以估算出老鼠耳部的厚度大概在500 μm左右，并且可以清晰識別耳朵的上皮、真皮和軟骨組織結(jié)構(gòu)。圖5(d)為光聲和OCT的B掃描圖像的融合圖像，從圖中可以確定血管在組織中位置分布情況。

圖4 (a)光聲B掃圖像； (b)OCT B掃圖像； (c)頭發(fā)絲的光聲信號圖； (d)頭發(fā)絲及瓊脂的OCT信號圖Fig.4 (a)Photoacoustic B scan image of human hair;(b)OCT B scan image of human hair;(c)The photoacoustic signal of human hair;(d) The OCT signal of human hair and gel

圖5 (a)光聲血管網(wǎng)絡圖像； (b)光聲B掃圖像； (c)OCT B掃圖像； (d)光聲/OCT融合圖Fig.5 (a)The photoacoustic image of microvasculaure;(b)Photoacoustic B scan image of blood vessels;(c)OCT B scan image of mouse ear;(d)Fused photoacoustic and OCT B-scan image

圖6 (a)基底細胞癌的光聲血管網(wǎng)絡圖像； (b)正常部位的OCT B掃圖像； (c)基底細胞癌區(qū)域的OCT B掃圖像Fig.6 (a)The photoacoustic image of BBC microvasculaure;(b)OCT B scan image of normal area;(c)OCT B scan image of BCC

進一步地，我們將該系統(tǒng)用于基底細胞癌的檢測中。基底細胞癌是皮膚病中發(fā)病率最高的一種腫瘤，一般不致命，但可以導致局部破壞性，當腫瘤細胞擴散到周圍組織，會引起并發(fā)癥。由于基底細胞癌發(fā)生在頭面部占70%-90%，如果未能早期發(fā)現(xiàn)或盲目創(chuàng)傷性診療，可引起病灶復發(fā)甚至毀容等嚴重后果。流行病學資料顯示基底細胞癌的發(fā)病率在全球迅速增加，目前，這種病已經(jīng)趨于年輕化并已成為人們廣泛關注的公共衛(wèi)生問題[25]，因而早期檢測顯得尤為重要。由于基底細胞在生長發(fā)展過程中表現(xiàn)為血管的形狀及瘤體周圍膠原基質(zhì)分布的變化[26]，光聲成像對于血管成像具有天然優(yōu)勢，OCT對膠原成像比較敏感，因而，光聲/OCT成像非常適合基底細胞癌的檢測。實驗中，我們將TE354.T基底細胞癌細胞接種在小鼠耳朵皮層下，由于基底細胞癌生長較為緩慢，在接種基底細胞癌細胞后將小鼠每天定時定量進行紫外燈照射，促進基底細胞癌的生長。如圖6所示為接種14天后小鼠耳部的光聲/OCT成像結(jié)果。圖6(a)為小鼠耳部血管網(wǎng)絡的光聲圖像，其中綠色圓圈內(nèi)為基底細胞癌腫瘤區(qū)域，可以看到腫瘤區(qū)域血管相對正常部位密集且成樹枝狀分布，這是基底細胞癌診斷的重要標志[26]。圖6(b)和6(c)分別對應圖6(a)中正常和腫瘤處的OCT B掃圖像。圖6(b)顯示的為小鼠耳朵正常部位結(jié)構(gòu)，可以清晰地看到上皮、真皮和軟骨組織。圖6(c)中綠色箭頭所指的區(qū)域為基底細胞癌腫瘤實體，這是因為腫瘤實體周圍有一層膠原基質(zhì)層，而膠原基質(zhì)的折射率高于其它組織，因而基底細胞癌實體的OCT圖像表現(xiàn)為邊界亮而中間區(qū)域暗的特點。此外，從圖中也可以看到成分立狀的基底細胞癌實體，這與基底細胞癌的特性是一致的[26]。

2.4 討論

上述實驗結(jié)果表明,該雙模成像系統(tǒng)可以高分辨率成像模擬樣品及生物組織，并成功地應用到了基底細胞癌的檢測中，這將有助于促進光聲/OCT雙模成像系統(tǒng)在生物醫(yī)學上的應用。一般來說,吸收和散射系數(shù)是組織的重要參數(shù),由于生物體的病變都會導致吸收和散射系數(shù)的變化，我們可以通過提取組織的吸收和散射的信息來判斷其病理變化情況。此外,由于我們使用的是非接觸式光聲檢測方法，因而我們的光聲/OCT雙模成像系統(tǒng)可以方便地用于眼科、皮膚科等疾病診斷。

3 結(jié)論

本文中，我們開發(fā)了一套基于單個邁克爾遜探測器的全光學非接觸式光聲/OCT雙模成像系統(tǒng)，模擬和活體動物實驗證明該雙模成像系統(tǒng)具有高分辨率和高對比度成像微血管及其他組織結(jié)構(gòu)信息的能力，并將該系統(tǒng)成功地應用到了基底細胞癌的檢測中。此外,光聲/OCT雙模成像系統(tǒng)運用了小型脈沖微片激光器作為光聲的激發(fā)源，并使用全光纖邁克爾遜干涉儀作為光聲信號探測以及OCT的成像設備，由于他們的體積都非常小，因而雙模式系統(tǒng)可以很容易地集成與攜帶。所有這些實驗結(jié)果表明,這套基于全光學檢測的光聲/OCT雙模態(tài)成像系統(tǒng)具有一定的臨床應用潛力。