多参量光声成像在生物医学领域的应用

摘要：多参量光声成像是一种新型复合成像技术，兼具声学成像与光学成像的特点。本文就多参量光声成像技术的特点进行分析，并针对该种技术在生物医学领域中的应用优势、不足展开分析。

关键词：多参量光声成像;生物医学领域;应用

光声成像是近年来诞生的一种新型复合成像技术，是借助光声效应产生而来，光声效应的声信号即光声信号，其强度是由力学、光学、运动学、热学等特征来决定的，光声成像具有声学成像与光学成像的优势，在生物医学领域的应用已经非常成熟，取得了理想的成果。

1光声成像的优势

光声信号产生的基本原理是：当用短脉冲激光照射吸收体时，吸收体中的分子吸收光子后，当满足一定的条件时，吸收体分子的电子从低能级跃迁到高能级而处于激发态，而处于激发态的电子极不稳定，当电子从高能级向低能级跃迁时，会以光或热量的形式释放能量。在光声成像应用中通常会选择合适波长的激光作为激发源，使吸收的光子的能量转化为热能的效率最大，通常从光能转化为热能的效率可达到90%以上。释放的热量导致吸收体局部温度升高，温度升高后导致热膨胀而产生压力波，这就是光声信号。与声学成像相比，光声成像利用了光吸收系数，在化学成分的分析方面，有着独特的优势。其中，声波能够获取物体的弹性参量、密度等力学特征，应用在生物体中，可以将生物体的功能信息、生理结构等清晰地反映出来。与光学成像相比而言，光声成像对于组织有着非常高的分辨率，光学成像往往只能够得出组织表层1mm深度左右的高质量图像，如果深度偏高，分辨率就会大受影响，与之相比，声波的散射强度更小，在生物组织中的传播有着低散射、低耗散的优势，空间分辨率的成像深度非常理想。此外，光声成像在生物医学领域中的应用更加安全，该种成像方式应用的是激光、微波照射法，与X射线、CT相比，更加安全，只需要很少的电磁辐射能量，即可获取到理想的光声信号，避免对生物组织造成热损伤。

2多参量光声图像在生物医学领域中的应用分析

2.1多尺度成像

多参量光声图像可以得出深层组织图像，还能够利用图像参量来实现多尺度成像，揭示出生物体的功能与结构信息。所参量光声图像的成像效果，与组织的生理功能、光吸收系数有着密切的关系，在应用的过程中，需要根据各个组织的成分来合理选择电磁波波长，选择性针对组织中的成分进行分析，得出解剖、代谢、分子、功能、基因方面的信息。如，DNA、RNA的紫外线吸收能力较强，利用紫外线作为激发光源，即可获取到高对比度图像。在临床医学中，如果细胞核形态存在异常，也就说明，癌细胞DNA复制发生障碍，因此，该种诊断方式对于早期癌症的诊断有着重要的意义；血红蛋白主要吸收可见光频段电磁波，利用光声成像，可以获取到关于血液系统的高对比图像；油脂、水等对于近红外段电磁波与微波段吸收情况良好，利用近红外激光、微波作为光源，可以快速分析出其中的异常聚集问题。在生物组织中，每一种化学成分的光吸收特性都是不同的，在诊断过程中，可以借助多波长激光照射组织来获取相关信息，通过定性分析与定量分析相结合的方式得出生物组织各项化学组分信息，利用波长与电磁波吸收特性，既可以分析出血红蛋白含量，还可以获取到脱氧血红蛋白与氧合血红蛋白的相对含量，分析出血氧饱和度。血红蛋白是生物体内的重要载体，可以直接反映出生物的新陈代谢过程，这对皮肤疾病、脑血管疾病、肿瘤的早期诊断，有着重要的意义。

2.2生物组织黏弹特征

此外，借助多参量光声成像，还可以检测出生物组织黏弹特征，在检测时，需要使用连续激光照射样本，得出组织黏弹参数，利用光声信号相位与强度，获取到最终的检测信息，与光吸收特性相比而言，该种方式从力学角度反映出组织硬度、血液粘稠度，可以直接计算出组织生物力学系数与光学参量，为诊断提供可靠的信息指导，在心血管疾病、肿瘤的早期诊断上，有着突出的作用。

2.3温度分布情况

多参量光声成像还能够反映出温度的分布情况，光声信号强度与光吸收系数是密切相关的，与媒介系数为正比关系，在媒介温度升高之后，媒介系数也会相应升高，因此，利用该种系数可以反映出具体的光声图像。数据显示，在每升高1℃，光声升压会增高5%。借助光声成像，可以直接得出温度系数，灵敏度高达0.16℃，能够检测出绝对温度值，准确度非常高。光声成像还可以借助光声多普勒效应与光声信号之间的关系来得出血流速度的相关信息，检测出信号多普勒频移，借助这一原理，可以满足血流速度精细成像的要求，根据相关数据，得出低速流体信息。

2.4红细胞形态特征

借助多参量光声信号的功率频谱参数，还可以得出亚波长微结构信息、细胞形态、声学功率谱特性测出红细胞形态特征，鉴别早期血栓与癌细胞的形成。根据研究实验显示，针对窄带低频光声呈现系统的信号进行分析，可以鉴定出亚波长尺寸微结构信息，以频谱斜率作为参数，计算出亚波长尺寸结构。在生物组织之中，存在大量的微米量级微结构，如红细胞、微钙化斑点、黑素瘤等等，借助多参量光声成像，能够为相关疾病的诊断提供有价值的信息。此外，借助于物化谱参量呈现技术，可以将声学功率谱与光学吸收谱分析相结合，得出组织的化学特征与物理特征，该种分析方式为物化谱分析法（Physio-chemicalspectrum），在分析时，需要先利用不同波长激光脉冲进行照射，得出带有组织化学成分信息的声学功率谱，计算出一维功率谱，将亮相参数结合起来，即可获取到组织的二维物理化学谱。物理化学谱可以清晰地反映出组织的微结构特征与物理化学成分，得出组织特异化标签。

3多参量光声成像的应用分析

多参量光声成像不仅具有深分辨率高的优势，也具备信息敏感、成像对比度高的优势，可以从血液流速、组织力学、温度分布、生化组分、微结构特性来分析生物的功能、解剖、基因、分子、代谢信息，选择适宜的工作频率和成像模式，可以达到纳米级的分辨率，深度也能够达到50mm。多参量光声成像技术的应用满足了生物医学领域的发展需求，有着非常大的应用潜力。但是，毕竟多参量光声成像属于新型技术，在应用的过程中，还有一些难题需要突破。首先，该种技术的理论是建立在生物组织声学特征均匀的基础上，如果组织的声学特征不均匀、分布复杂，必然会影响应用效果。在人体组织中，空穴、骨骼的声阻抗是存在差异的，容易致使声传播出现反射和散射的问题。其次，虽然多参量光声成像的深度已经达到了50mm，但是对于更深组织成像，还具有局限性，这也是下一阶段需要重点解决的问题。

参考文献

[1]陈炳章,易航,杨金戈,等.光声内窥镜系统在人体直肠癌离体组织中的实验研究[J].物理学报，2014(8)：76-77.

[2]曾志平,谢文明,张建英,等.基于聚焦光声层析技术的甲状腺离体组织成像[J].物理学报，2012(9)：23-25.

[3]EricM.Strohm,ElizabethS.L.Berndl,MichaelC.Kolios.ProbingRedBloodCellMorphologyUsingHigh-FrequencyPhotoacoustics[J].BiophysicalJournal，2013(1)：116-117.

[4]曾礼漳,杨思华,邢达.光声成像技术及其医学应用进展[J].华南师范大学学报：自然科学版，2016(1)：135-136.

作者:王治昕 单位:湖南环境生物职业技术学院