多參量光聲成像在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

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摘要：多參量光聲成像是一種新型復(fù)合成像技術(shù)，兼具聲學(xué)成像與光學(xué)成像的特點(diǎn)。本文就多參量光聲成像技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行分析，并針對(duì)該種技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)、不足展開(kāi)分析。

關(guān)鍵詞：多參量光聲成像;生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域;應(yīng)用

光聲成像是近年來(lái)誕生的一種新型復(fù)合成像技術(shù)，是借助光聲效應(yīng)產(chǎn)生而來(lái)，光聲效應(yīng)的聲信號(hào)即光聲信號(hào)，其強(qiáng)度是由力學(xué)、光學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、熱學(xué)等特征來(lái)決定的，光聲成像具有聲學(xué)成像與光學(xué)成像的優(yōu)勢(shì)，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，取得了理想的成果。

1光聲成像的優(yōu)勢(shì)

光聲信號(hào)產(chǎn)生的基本原理是：當(dāng)用短脈沖激光照射吸收體時(shí)，吸收體中的分子吸收光子后，當(dāng)滿足一定的條件時(shí)，吸收體分子的電子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)而處于激發(fā)態(tài)，而處于激發(fā)態(tài)的電子極不穩(wěn)定，當(dāng)電子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，會(huì)以光或熱量的形式釋放能量。在光聲成像應(yīng)用中通常會(huì)選擇合適波長(zhǎng)的激光作為激發(fā)源，使吸收的光子的能量轉(zhuǎn)化為熱能的效率最大，通常從光能轉(zhuǎn)化為熱能的效率可達(dá)到90%以上。釋放的熱量導(dǎo)致吸收體局部溫度升高，溫度升高后導(dǎo)致熱膨脹而產(chǎn)生壓力波，這就是光聲信號(hào)。與聲學(xué)成像相比，光聲成像利用了光吸收系數(shù)，在化學(xué)成分的分析方面，有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。其中，聲波能夠獲取物體的彈性參量、密度等力學(xué)特征，應(yīng)用在生物體中，可以將生物體的功能信息、生理結(jié)構(gòu)等清晰地反映出來(lái)。與光學(xué)成像相比而言，光聲成像對(duì)于組織有著非常高的分辨率，光學(xué)成像往往只能夠得出組織表層1mm深度左右的高質(zhì)量圖像，如果深度偏高，分辨率就會(huì)大受影響，與之相比，聲波的散射強(qiáng)度更小，在生物組織中的傳播有著低散射、低耗散的優(yōu)勢(shì)，空間分辨率的成像深度非常理想。此外，光聲成像在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用更加安全，該種成像方式應(yīng)用的是激光、微波照射法，與X射線、CT相比，更加安全，只需要很少的電磁輻射能量，即可獲取到理想的光聲信號(hào)，避免對(duì)生物組織造成熱損傷。

2多參量光聲圖像在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用分析

2.1多尺度成像

多參量光聲圖像可以得出深層組織圖像，還能夠利用圖像參量來(lái)實(shí)現(xiàn)多尺度成像，揭示出生物體的功能與結(jié)構(gòu)信息。所參量光聲圖像的成像效果，與組織的生理功能、光吸收系數(shù)有著密切的關(guān)系，在應(yīng)用的過(guò)程中，需要根據(jù)各個(gè)組織的成分來(lái)合理選擇電磁波波長(zhǎng)，選擇性針對(duì)組織中的成分進(jìn)行分析，得出解剖、代謝、分子、功能、基因方面的信息。如，DNA、RNA的紫外線吸收能力較強(qiáng)，利用紫外線作為激發(fā)光源，即可獲取到高對(duì)比度圖像。在臨床醫(yī)學(xué)中，如果細(xì)胞核形態(tài)存在異常，也就說(shuō)明，癌細(xì)胞DNA復(fù)制發(fā)生障礙，因此，該種診斷方式對(duì)于早期癌癥的診斷有著重要的意義；血紅蛋白主要吸收可見(jiàn)光頻段電磁波，利用光聲成像，可以獲取到關(guān)于血液系統(tǒng)的高對(duì)比圖像；油脂、水等對(duì)于近紅外段電磁波與微波段吸收情況良好，利用近紅外激光、微波作為光源，可以快速分析出其中的異常聚集問(wèn)題。在生物組織中，每一種化學(xué)成分的光吸收特性都是不同的，在診斷過(guò)程中，可以借助多波長(zhǎng)激光照射組織來(lái)獲取相關(guān)信息，通過(guò)定性分析與定量分析相結(jié)合的方式得出生物組織各項(xiàng)化學(xué)組分信息，利用波長(zhǎng)與電磁波吸收特性，既可以分析出血紅蛋白含量，還可以獲取到脫氧血紅蛋白與氧合血紅蛋白的相對(duì)含量，分析出血氧飽和度。血紅蛋白是生物體內(nèi)的重要載體，可以直接反映出生物的新陳代謝過(guò)程，這對(duì)皮膚疾病、腦血管疾病、腫瘤的早期診斷，有著重要的意義。

2.2生物組織黏彈特征

此外，借助多參量光聲成像，還可以檢測(cè)出生物組織黏彈特征，在檢測(cè)時(shí)，需要使用連續(xù)激光照射樣本，得出組織黏彈參數(shù)，利用光聲信號(hào)相位與強(qiáng)度，獲取到最終的檢測(cè)信息，與光吸收特性相比而言，該種方式從力學(xué)角度反映出組織硬度、血液粘稠度，可以直接計(jì)算出組織生物力學(xué)系數(shù)與光學(xué)參量，為診斷提供可靠的信息指導(dǎo)，在心血管疾病、腫瘤的早期診斷上，有著突出的作用。

2.3溫度分布情況

多參量光聲成像還能夠反映出溫度的分布情況，光聲信號(hào)強(qiáng)度與光吸收系數(shù)是密切相關(guān)的，與媒介系數(shù)為正比關(guān)系，在媒介溫度升高之后，媒介系數(shù)也會(huì)相應(yīng)升高，因此，利用該種系數(shù)可以反映出具體的光聲圖像。數(shù)據(jù)顯示，在每升高1℃，光聲升壓會(huì)增高5%。借助光聲成像，可以直接得出溫度系數(shù)，靈敏度高達(dá)0.16℃，能夠檢測(cè)出絕對(duì)溫度值，準(zhǔn)確度非常高。光聲成像還可以借助光聲多普勒效應(yīng)與光聲信號(hào)之間的關(guān)系來(lái)得出血流速度的相關(guān)信息，檢測(cè)出信號(hào)多普勒頻移，借助這一原理，可以滿足血流速度精細(xì)成像的要求，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，得出低速流體信息。

2.4紅細(xì)胞形態(tài)特征

借助多參量光聲信號(hào)的功率頻譜參數(shù)，還可以得出亞波長(zhǎng)微結(jié)構(gòu)信息、細(xì)胞形態(tài)、聲學(xué)功率譜特性測(cè)出紅細(xì)胞形態(tài)特征，鑒別早期血栓與癌細(xì)胞的形成。根據(jù)研究實(shí)驗(yàn)顯示，針對(duì)窄帶低頻光聲呈現(xiàn)系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行分析，可以鑒定出亞波長(zhǎng)尺寸微結(jié)構(gòu)信息，以頻譜斜率作為參數(shù)，計(jì)算出亞波長(zhǎng)尺寸結(jié)構(gòu)。在生物組織之中，存在大量的微米量級(jí)微結(jié)構(gòu)，如紅細(xì)胞、微鈣化斑點(diǎn)、黑素瘤等等，借助多參量光聲成像，能夠?yàn)橄嚓P(guān)疾病的診斷提供有價(jià)值的信息。此外，借助于物化譜參量呈現(xiàn)技術(shù)，可以將聲學(xué)功率譜與光學(xué)吸收譜分析相結(jié)合，得出組織的化學(xué)特征與物理特征，該種分析方式為物化譜分析法（Physio-chemicalspectrum），在分析時(shí)，需要先利用不同波長(zhǎng)激光脈沖進(jìn)行照射，得出帶有組織化學(xué)成分信息的聲學(xué)功率譜，計(jì)算出一維功率譜，將亮相參數(shù)結(jié)合起來(lái)，即可獲取到組織的二維物理化學(xué)譜。物理化學(xué)譜可以清晰地反映出組織的微結(jié)構(gòu)特征與物理化學(xué)成分，得出組織特異化標(biāo)簽。

3多參量光聲成像的應(yīng)用分析

多參量光聲成像不僅具有深分辨率高的優(yōu)勢(shì)，也具備信息敏感、成像對(duì)比度高的優(yōu)勢(shì)，可以從血液流速、組織力學(xué)、溫度分布、生化組分、微結(jié)構(gòu)特性來(lái)分析生物的功能、解剖、基因、分子、代謝信息，選擇適宜的工作頻率和成像模式，可以達(dá)到納米級(jí)的分辨率，深度也能夠達(dá)到50mm。多參量光聲成像技術(shù)的應(yīng)用滿足了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展需求，有著非常大的應(yīng)用潛力。但是，畢竟多參量光聲成像屬于新型技術(shù)，在應(yīng)用的過(guò)程中，還有一些難題需要突破。首先，該種技術(shù)的理論是建立在生物組織聲學(xué)特征均勻的基礎(chǔ)上，如果組織的聲學(xué)特征不均勻、分布復(fù)雜，必然會(huì)影響應(yīng)用效果。在人體組織中，空穴、骨骼的聲阻抗是存在差異的，容易致使聲傳播出現(xiàn)反射和散射的問(wèn)題。其次，雖然多參量光聲成像的深度已經(jīng)達(dá)到了50mm，但是對(duì)于更深組織成像，還具有局限性，這也是下一階段需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

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作者:王治昕 單位:湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院