光聲成像技術研究

邢計元　馬英翔　焦運良

摘 要

光聲成像技術是綜合光學成像和超聲成像兩方面成像理論的無損成像技術，當下在生物醫學成像領域具有廣泛應用前景。實驗搭建了一個后向模式的聚焦光聲成像系統，通過蒙特卡洛模擬仿真了在生物組織中準直激光的傳播現象，反映了激光照射生物組織后光子在組織中的具體分布情況，有利于我們更好的認識光聲成像，對相關的光聲實驗有很大的指導意義。

關鍵詞

光聲成像;生物醫學成像;蒙特卡洛模擬;成像系統

中圖分類號： R445 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.17

0 引言

光聲效應是在1880年貝爾首次發現并報道[1]，光聲技術發展的初始時期初步把光聲技術應用在氣體分析中。到20世紀光聲效應被嘗試用于醫學成像，傳統的醫學成像有X射線斷層掃描技術、正電子發射層析技術、核磁共振成像、超聲成像、光學相干層析成像等等[2]，在這些傳統醫學成像技術中，一直存在著各種缺陷，比如X射線在人體上很可能增加癌變幾率，正電子發射層析技術空間分辨率太低，圖像重建時間比較長等問題，這樣一來人們開始探索一種新的從有創檢測走向以信息為依據的無損檢測醫學成像技術，也就誕生了我們所研究的光聲成像技術[3]。

1 光聲成像技術基本原理

這里簡短給出光聲成像的基本方程。當激光照射到待測生物組織上時，式（1）是光聲成像中熱方程的表達式。

在上述公式中r為三維空間中的位置矢量，ρ表征待測組織的密度，t代表時間，λ表征生物組織的熱傳導率，函數T表征生物組織吸收熱量后溫度的升高，C表征生物組織的比熱，函數H表征著待測生物組織所吸收的熱量[4]。

在生物組織吸收熱量后，體積膨脹發生變化，將會產生一個聲場，當聲場因時間的變化而產生相應改變時，將會形成相應的聲波，由此我們能夠得到光聲信號中的聲場運動方程，將其與擴散方程和熱方程的表達式聯立可得：

而式（2）右側的熱函數H也可以用三維空間的電磁吸收分布函數A與以時間為自變量的照射脈沖能量函數I的積來表示[4]，由此可得式（3）：

我們把式（3）作為光聲成像的基本方程。在這里假設照射脈沖I是δ函數，并且定義脈沖發射時間為時間零點，再假設c是常數就可以得到上述光聲基本方程的解[8]：

式（4）就是理想情況下的光聲信號的解析式。

2 光聲成像系統搭建

本文搭建了基于后向模型的聚焦圓周掃描探測成像系統[6]，系統需要的硬件有：CW激光器、函數發生器、示波器、位移平臺、聚焦超聲換能器、光纖準直器、數據采集卡、放大器以及計算機。整個光聲成像實驗系統的工作原理如下：本實驗所用函數發生器的兩個通道分別產生一個調制波形和一個脈沖信號波形，前者用于調制激光幅值后送入數據采集卡，后者用于給自身和數據采集卡一個觸發信號，來確保系統同步進行;被調制后的激光在準直后被送至生物組織表面，激光在生物組織內部吸收后，受熱發生體積變化，從而產生超聲波，之后超聲波經過傳感器，由聲信號變為電信號[7];由于傳感器出來的電信號很小，因此系統中需要用放大器將其信號進行放大，放大后的信號再用數據采集卡進行采集，采集的數字信號經過相應的重建算法就可以重建出生物組織斷層圖像[8]。

3 計算機仿真與結果

本文使用了蒙特卡洛模擬[5]，仿真了半徑為0.01cm的表皮下血管以及光子垂直入射組織中光子的分布情況，圖1是用808nm紅光垂直照射該復雜組織后得到界面的光能流率，我們能夠看到在圖1中，當大量光子以90°穿過組織樣本表面時，光子經過反射、散射和折射后的分布規律。可以明顯看到當光子在組織深度越大的地方，光子的分布就越稀疏;而在中央束軸附近則分布著大量光子，是能量所集中的地方，同樣也是以中央軸為參考，距離越遠，光子分布越稀疏。

經過上述的蒙特卡洛模擬我們可以知道，使用準直光束照射生物組織，當大量光子進入生物組織后，隨著組織的厚度的增加，光子數會減小，并且光能量主要集中在中央軸附近，距離中央軸附近越遠光子數就會逐漸減少，這對于今后相關的光聲實驗提供了明確的指導。

4 總結

本文主要做了兩部分工作，一是搭建了基于后向探測模式的聚焦光聲成像系統，并且總結分析了光聲成像優于超聲成像、核磁共振等其他醫學成像的優勢。二是采用蒙特卡洛模擬仿真了準直激光照射生物組織后光子在組織中的具體分布情況。有利于我們更好的認識光聲成像，并對后期的相關光聲實驗有很大的指導意義。

參考文獻

[1]Bell AG. On the production and reproduction of sound by light[J].Am J Sci， 1880，20：305-306.

[2]DAMADIAN R. Tumor detection by nuclear magnetic resonance[J].Science，1971，171（3976）：1151-1153.

[3]張建英，李暉，謝文明.光聲成像技術的最新進展[J].中國光學， 2011，04（2）：111-117.

[4]線弛，光聲成像的圖像重建算法研究[D].上海：復旦大學，2009.

[5]TELENKOV S， MANDELI A， LAHKARI B， et al. ?Frequency-domain photothermoacoustics： Alternative imaging modality of biological tissues[J]. Journal of Applied Physics， 2009， 105（10）：102029.

[6]XU M， WANG L V. Universal back-projetion algonthm for photoacoustic computed tomography[J].Physical Review E，2005，71（1）： 016706.

[7]楊虹.頻率域光聲成像[D].西安：西安電子科技大，2014.

[8]吳丹.生物組織光聲成像[D].南京：南京大學，2012.