1. 光声成像的原理

1880年Bell在实验中意外发现光声效应，光声效应的发现为光声成像(Photoacoustic, PA)的发展铺垫了物理基础[1]。此后，很少有相关科学研究或技术发展，直到20世纪60年代激光的发展，它提供了许多光声应用所需的高峰值功率、光谱纯度和方向性。20世纪90年代，光声效应开始被用于医学成像。

当激光照射组织时，由于生物组织对光波的散射作用，虽然光波不能有效聚焦，但是电磁波能量可以有效地进入到大约50 mm 深处的组织内部。生物组织内的光吸收体（血红蛋白、黑色素等）吸收电磁波能量并转换为热能，吸收体的热胀冷缩使其成为声源。由于软组织是声波传播的良好媒质，吸收体处的光声信号可以有效地向周围媒质辐射并在组织中低散射低损耗传播。位于组织周围的超声换能器获取产生的光声波，通过信号处理与光声图像重建，可以形成反映组织内部结构和功能的光声图像。光声成像的具体过程如下图所示：

（公式和字母太难码了，只好出此下策）

上式表示的是激光照射生物组织后，置于生物组织表面的超声换能器在任意时刻t，任意位置r处检测到的光声信号。当用理想的激光脉冲照射声学特性均匀的光吸收体时，吸收体产生的光声信号幅值与理想脉冲激光的幅值成正比，此时光声信号的特性由吸收体的光吸收分布决定。所以，可以根据超声换能器检测到的各个位置的原始光声信号来反推计算生物组织内部吸收体光吸收分布，此即光声图像的重建。

2. 光声成像的特点

2.1 光声成像的优势

光声成像是近十年来出现的一种基于激光超声的生物医学成像新方法。它是一种混合成像方式，结合了光学成像的高对比度和基于光谱的特异性以及超声成像的高穿透深度，克服了传统医学成像手段的不足（如表2-1所示）。

光声成像技术以生物组织吸热膨胀产生的超声波作为载体来获得组织的光学吸收信息，以超声波检测代替传统光学成像中的光子探测，从而避开了因光学散射造成穿透深度不足的问题，突破了传统光学成像软极限(约1mm)，可实现深度达7cm的深层组织光声成像。

实质上，光声图像可视为超声图像，但是其对比度不取决于组织的力学和弹性特性，而取决于其光学特性，特别是光学吸收。因此，它主要适用于声学特性均匀但光学性能不均匀的组织。它提供了比传统超声成像更高的特异性，能够检测血红蛋白、脂质、水和其他吸收光的软骨。它不仅可以显示微血管等解剖结构，还可以提供血氧、血流和温度等功能信息。

光声成像还有以下优点：

(1)提供多尺度、多维度的光声图像信息。多尺度指的是光声成像具有跨越分子、细胞、组织、器官多个尺度的高分辨成像能力，如图2-2所示。多维度指的是光声成像可以提供生物系统的解剖、功能、代谢、分子、基因等多维度的丰富信息，如图2-3所示。


(2)光声成像是一种天然的多模成像技术，可结合OCT、荧光等形成多模态医学成像系统；

(3) 在非电离波段和能量阈值内进行光声成像，不会对组织造成伤害，是一种无损的成像模式。

2.2 光声成像和超声成像的区别

脉冲回波超声和光声成像的一个重要区别是前者可以通过聚焦发射波束和接收波束来实现定位。在光声成像中，对于超过约1 mm的深度，大多数软组织所表现出的光散射阻止了“发射信号”（即用于定位的激发光）的有效聚焦。在光声成像中，对于大于约1mm的深度，只能在接收中实现定位。

光声和超声成像的另一个区别在于所涉及的声压大小。诊断性临床超声扫描仪可产生超过1兆帕的焦点峰值压力，而光声压力振幅低几个数量级，通常小于10千帕。因此，在光声成像中不存在非线性声传播，因此不存在超声组织谐波成像的等效问题。低光声压力振幅也意味着，由于超声的风险可以不考虑，所以安全性主要取决于激光。

另外，超声和光声成像图像对比度的来源却有着根本的不同。超声图像提供了不同组织间声阻抗失配的表示。因此，超声图像对比度取决于组织的力学和弹性特性。然而，光声图像表示对比度取决于光能沉积导致的初始压力分布差异。因此，光声成像可以提供比我们更大的组织分化和特异性，因为不同组织类型之间的光吸收差异可能远远大于声阻抗差异。血红蛋白的光吸收就是一个很好的例子。血红蛋白的光吸收在波长低于1000纳米的情况下是最主要的。如图1所示，在650到900纳米之间，血红蛋白在生理上实际浓度下的氧化态和脱氧态的吸收系数至少比结缔组织中的其他光吸收体（如水、脂质和弹性蛋白）高一个数量级。在延伸到光谱可见部分的较短波长处，血红蛋白吸收率甚至更高，可以超过其他生色团两个数量级以上。正是血红蛋白的强烈光吸收使得血管在光声图像中具有如此高的对比度。这使得光声成像特别适合于微血管的成像，而由于微血管的弱回声性，用脉冲回波超声很难显示微血管。此外，光吸收的光谱依赖性使得通过将激光的激发波长调整到其峰值吸收值，可以选择性地增强特定光吸收体提供的图像对比度。因此，例如，通过选择与1210nm处的脂质吸收峰一致的激发波长，可以揭示动脉粥样硬化斑块中脂质沉积的存在。

然而，尽管组织的光吸收特性的巨大变化为光声成像提供了高对比度，它仍然需要付出代价，即穿透深度。例如，尽管血红蛋白的光吸收在对比度方面是有利的，但它也是大多数组织显示出的强光衰减的一个主要因素。因此，尽管可以达到几厘米的穿透深度，但光声成像不太可能与软组织中10厘米或更大的超声穿透深度极限相比较。

参考文献

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