張建英，謝文明，曾志平，李 暉

（福建師范大學物理與光電信息科技學院，醫(yī)學光電科學與技術教育部重點實驗室，福建福州350007）

光聲成像技術的最新進展

張建英，謝文明，曾志平，李 暉

（福建師范大學物理與光電信息科技學院，醫(yī)學光電科學與技術教育部重點實驗室，福建福州350007）

光聲成像技術是生物醫(yī)學領域中新興的無損檢測技術，具有對比度高、分辨率好、穿透能力強等優(yōu)點。本文介紹了光聲成像技術近年來的進展狀況，主要涉及成像探測方式的改進、成像速度的加快、成像分辨率的提高以及圖像重構算法的發(fā)展等。以該項技術在現(xiàn)代臨床診斷中的應用為例，描述了其在生物醫(yī)學領域中應用范圍的拓寬。最后，總結了該項技術現(xiàn)存的主要問題，指出多模式組合的成像方式，如光聲與超聲的組合，光聲與OCT方式的組合是該項技術的發(fā)展趨勢；另外，結合造影劑的分子光聲成像技術也同樣很有發(fā)展前景。

生物醫(yī)學光子學；光聲成像技術；圖像重構算法；生物醫(yī)學應用

1 引 言

醫(yī)學成像對各種疾病的診斷和治療具有重要的意義。傳統(tǒng)的醫(yī)學成像方法有X射線層析成像 （X-ray Tomography）、光學相干層析成像（Optical Coherence Tomography，OCT）、核磁共振成像（MRI）、超聲成像等等。X射線成像是根據生物組織的密度進行成像，因此對某些情況如軟組織的病變則無法判斷［1］，且該成像方法會對人體施加電離輻射，頻繁使用有損人體健康；而OCT是純光學成像方法，由于人體許多組織都是強散射或強吸收介質，而光在強散射組織中的成像深度只能達到1 mm左右；MRI技術設備價格昂貴且具有輻射；超聲成像技術的成像深度雖然比光學成像方法深，但其主要依賴于生物組織的聲阻抗不匹配成像，而生物組織體內某些腫瘤的聲阻抗與正常軟組織無明顯差異，從而限制了超聲成像技術的使用范圍。因此，人們期待一種無損的、非電離的、具有高穿透深度和高對比度的成像方式的出現(xiàn)，光聲成像技術就是在這樣的背景下應運而生。

光聲效應是生物醫(yī)學光聲成像技術的理論基礎。所謂光聲效應是指當寬束短脈沖激光照射生物組織時，組織內的吸收體（如腫瘤和血管等）吸收了光能量之后發(fā)生局部的溫升，促使組織發(fā)生熱彈性膨脹，產生超聲波的過程；在組織體表面附近被超聲換能器接收到的信號即為光聲信號。光聲成像技術是根據生物組織對光的吸收分布反演組織結構的一種新興的成像模式，它集合了純光學成像技術的高對比度以及純超聲成像技術的高分辨率、高穿透深度等優(yōu)點，非電離且能夠對組織功能成像，該項技術為臨床醫(yī)學提供了一種新穎的成像診斷方法。本文主要從光聲信號探測方式的發(fā)展、成像速度的提高和成像分辨率的改進等方面描述光聲成像系統(tǒng)在近3年來的發(fā)展情況。

2 光聲成像技術的研究現(xiàn)狀

光聲信號的探測是實現(xiàn)光聲成像的第一步，而光聲成像技術的核心是圖像重建算法在生物醫(yī)學領域的應用。光聲成像技術發(fā)展至今，已有眾多研究者提出多種成像系統(tǒng)及圖像重構算法，其在生物醫(yī)學領域的應用范圍也被日益拓寬。

2.1 光聲成像系統(tǒng)的發(fā)展

光聲成像技術在過去的10多年時間里發(fā)展迅速，2008年之前光聲成像系統(tǒng)主要有基于4f聲透鏡成像、單元旋轉掃描系統(tǒng)、相控聚焦的多元線性陣列成像系統(tǒng)及暗場反射模式的光聲顯微成像系統(tǒng)等。2008年之后，隨著科技的發(fā)展以及對數(shù)學知識的開發(fā)和應用，人們對成像系統(tǒng)也在不斷提出更高的要求。

目前，光聲成像技術的發(fā)展主要遇到的困難是難以實現(xiàn)快速、實時的成像，解決該難題需要在整個成像過程的第一步加以改進，也就對信號探測技術提出了更高要求。隨著光聲成像技術的日益發(fā)展，探測光聲信號的技術路線逐漸增多，如文獻［2］利用聚合物光纖和馬赫-曾德干涉儀實現(xiàn)環(huán)形光學探測，提高了信號探測的效率；文獻［3］提出了用數(shù)字散斑干涉法（Digital Speckle Pattern Interferometry，DSPI）探測光聲信號的設想，加上特殊配置的分色鏡以及標準CCD鏡頭和新型感應探測器，使得成像系統(tǒng)能夠實現(xiàn)全視場的、非接觸的、高精度的后向光聲探測；而文獻［4］則對已有的聲透鏡成像方法加以改進，用可平行采集的聲透鏡實現(xiàn)實時的二維光聲成像，通過模擬實驗證明了在使用時間分辨技術的情況下，可以不需要算法直接對不同物平面的物體同時顯示各吸收體的分布狀況（實驗中實現(xiàn)了4層），不足之處是沒能得到三維圖像；文獻［5］則是以單一脈沖激光作為光源，采取平行探測方式實現(xiàn)三維光聲成像，實驗中已獲得動態(tài)點目標和線性目標的動態(tài)三維圖像。

近幾年，光聲成像在提高成像速度方面取得的重要進步主要歸功于光源、數(shù)據采集以及掃描系統(tǒng)等3個方面的改進。首先，脈沖激光光源的重復頻率已不再是以前的10 Hz，文獻［6］使用的光源重復頻率已高達kHz量級，文獻［7］則使用了更高的6.6 kHz激光重復頻率，光源重復頻率的提高，加快了光聲信號的產生過程，大大縮短了信號采集的等待時間。其次，采集速率的提高可節(jié)省數(shù)據采集時間，大大提高成像速度。而數(shù)據采集速率的提高主要有兩種方法：一是使用多個采集卡同時進行數(shù)據采集，提高硬件設備水平，提供足夠的數(shù)據存儲空間，壓縮信號采集的同步時間來實現(xiàn)快速采集，但引發(fā)的問題是需要解決多個采集卡之間的匹配問題；二是將采集多次平均數(shù)據改為單次采樣，這樣產生的問題是所得測量數(shù)據的信噪比降低，需要從弱信號當中提取目標信號，因此就涉及到數(shù)據處理方法的優(yōu)化選擇，較為常見的數(shù)據處理方法有小波分析法［8］和信號補償法［9］等。再者，掃描系統(tǒng)硬件方面已從常規(guī)的用步進電機控制超聲換能器探頭移動的掃描方式改進為使用二維振鏡使光源發(fā)生偏轉進行成像［10］，加快成像速度的同時也大大減小了因步進電機的運行給系統(tǒng)帶來的強噪聲干擾，一舉兩得。

提高圖像分辨率是很多研究者努力的方向。文獻［11］在無損光聲鑒別前哨淋巴結（Sentinel Lymph Nodes，SLN）實驗中獲得的圖像分辨率約為500 μm；文獻［12］則使用波長更長的近紅外光源來提高系統(tǒng)的分辨率，得到大約為100 μm的光聲系統(tǒng)分辨率，在提高成像分辨率方面取得了重要進步；文獻［13］利用近紅外光源以及馬赫-曾德爾干涉儀進行線性探測，通過光聲層析成像技術對離體鼠心臟的病灶組織進行成像，得到分辨率低于100 μm的3D圖像；Lihong V.Wang小組通過物鏡聚焦光束實現(xiàn)分辨率為2 μm的成像［6］，使得成像分辨率從超聲分辨水平發(fā)展到了光學分辨水平，實現(xiàn)了圖像分辨率的重大突破。

影響圖像分辨率的因素很多，需要指出的是超聲換能器的類型也是影響因素之一。目前，國際上用于接收光聲信號的超聲換能器大部分是非聚焦類型，少部分使用聚焦式［1］；而成像分辨率的提高幾乎都是以犧牲成像深度作為代價，要得到高分辨率圖像就必須減小成像深度。因此，人們發(fā)展了使用造影劑來增強對比度和提高成像深度的方法，但是，現(xiàn)有的外源性造影劑幾乎都具有毒性，暫不能直接應用于人體，需要尋找對人體無毒的造影劑并解決使用劑量等具體問題。

光聲成像技術興起和快速發(fā)展的10多年時間里，研究人員紛紛提出自己的光聲成像系統(tǒng)，從簡單的單元旋轉掃描探測到線性陣列探測器的二維探測再到360°的旋轉掃描探測，從手動到機械式的信號探測等，人們不斷分析各種系統(tǒng)的利與弊，總結經驗教訓，不斷地加以改進和完善，期待在不久的將來能夠實現(xiàn)便攜的、操作簡單的、快速的光聲成像系統(tǒng)。

2.2 圖像重構算法的進展

然后采用中國綜合社會調查(CGSS)當中對社會信任水平測評的問題對參與者的近鄰信任水平進行測量。問題為“在不直接涉及金錢利益的一般社會交往/接觸中，您覺得您的近鄰當中可以信任的人多不多呢”，答案為“絕大多數(shù)不可信”“多數(shù)不可信”“可信者與不可信者各半”“多數(shù)可信”“絕大多數(shù)可信”，分別賦值為1～5 。另外，也同時考察了參與者對陌生人、親戚、朋友的信任水平。

從原始數(shù)據到光聲圖像，圖像重建算法是該過程的核心。

在國內，早期使用的圖像重建算法是濾波反投影算法［14］。隨后迭代重建算法被應用于有限角度的光聲成像中［15］，所得圖像分辨率和對比度均得到優(yōu)化，但該算法中每次迭代只校正一條射線，使得成像速度不夠快，對所成圖像的質量仍存在影響。文獻［9］進行了算法改進，每次僅迭代每個像素的校正值，然后通過對該像素的所有投影數(shù)據的誤差值進行累加，使得原始數(shù)據的噪聲得到有效抑制，并通過線性搜索確定更新步長來提高迭代收斂速度。文獻［16］將濾波反投影算法與傳統(tǒng)的迭代算法相結合，得到與傳統(tǒng)迭代算法相當?shù)膱D像質量，計算機成像時間僅為原來的1/5。隨后的結合速度勢的濾波反投影算法［17］，給出了光吸收分布與速度勢之間的相關性，解決了圖像中間部分低對比度問題，提高了圖像對比度，并改善了圖像質量。文獻［18］將有限視場的濾波反投影算法（LFBP）與同步迭代算法（SIRT）相結合，利用有限視場的濾波反投影算法重構初始光聲圖像，再通過同步迭代算法對所得圖像進行優(yōu)化，數(shù)值模擬及實驗結果均表明該方法可以有效減少偽影，使圖像更加清晰。至此，濾波反投影算法已得到較好的發(fā)展。

由于生物組織的結構和性質十分復雜，而很多算法都是假設生物組織或模擬樣品是各向同性媒質，是聲學性質均勻的介質，與實際應用存在較大差距，因此，人們不斷提出新的、更復雜的圖像重構算法。最近出現(xiàn)了兩種新穎的重構算法就很有代表性，即文獻［19］采用驗前結構信息研究有限角度的光聲圖像重構，基于貝葉斯理論和計算機模擬，將靶邊界的相關信息加以利用，有效減小了光聲層析成像重構圖像的偽影、降低了噪音水平、保存了有限角度光聲層析成像重構圖像邊界信息，所得圖像對比度得到了提高，反演的吸收體形狀更加清晰和接近實際；而文獻［20］則是考慮超聲在生物組織中的傳播速度是變化的，即生物組織并非聲均勻介質，提出了適合超聲在散射和吸收介質中傳播的模型，將主要的超聲源嵌在二維層狀介質中，在已知層狀介質中超聲傳播速度及介質密度的情況下，利用角度光譜的方法處理數(shù)據，這是光聲成像技術的又一理論模型，將促進光聲成像技術的進一步發(fā)展。

算法的進步，除了依賴計算機科學的發(fā)展外，對數(shù)學的開發(fā)也是至關重要的。文獻［21］對光聲成像技術中的衰減效應進行建模，利用標準奇異值分解倒置得到積分方程并重新獲得光學吸收方程，解決衰減效應對光聲重構圖像造成的偽影和模糊。該小組同時對光聲成像中超聲速率變化的傳統(tǒng)標準化隨機變換模式進行了改進，推導出了高階幾何聲學近似表達式［22］，同時考慮了測量信號振幅的一階影響和傳播時間的高階擾動，發(fā)展了結合高階幾何聲學近似的迭代重構算法，評估了該方法的準確性及其在圖像質量方面的效果。Lihong V.Wang小組則提出了一種自動算法（Automatic Algorithm）［23］，可分析皮膚表面產生的光聲信號的振幅與亞表面血管之間的關系，借助自動擬合掃描改善圖像質量，已獲得在體實驗結果。文獻［24，25］提出了K-Wave算法，該算法適用于模擬光聲成像中的時間反轉圖像重構，文獻［25］描述了MATLAB程序的架構及使用方法，同時列舉了多個新穎例子的應用。還有蒙特卡羅算法在光聲成像中的應用［26，27］等等。這些都是對數(shù)學工具的研究與開發(fā)，并將其有效地應用到科學領域的成功實例，因此有效利用數(shù)學工具可以在算法等方面促進光聲成像技術的發(fā)展。

2.3 光聲成像技術在生物醫(yī)學中的主要應用

現(xiàn)代臨床醫(yī)學上的成像手段繁多，雖然這些方法有的已經進入臨床階段，但大部分都存在著自身難以克服的不足。光聲成像技術利用光能量的吸收分布來反演組織體內部結構，與組織特性參數(shù)無關，是一種新穎的無損、非電離的有效檢測手段。

2008年，光聲成像技術在生物醫(yī)學領域的應用研究最常見的是對生物組織的血管光聲成像，如對腫瘤血管再生的光聲成像［28］和無毛鼠脈管的光聲成像［29］等等。2009年，光聲成像技術在生物醫(yī)學領域的應用則豐富了許多，例如：文獻［12］利用近紅外波長的激光進行光聲血管造影成像，得到比用可見光波長所獲得的圖像更深的穿透深度和更好的信噪比；文獻［30，31］開展了在體指關節(jié)的定量光聲層析成像研究，表明該方法具有應用于關節(jié)性疾?。ㄈ绻顷P節(jié)炎和風濕性關節(jié)炎）早期診斷的潛力。對手臂骨關節(jié)炎患者與正常人的指間末端分別成像，結果發(fā)現(xiàn)二者指間連接的凹處存在明顯差異，與臨床觀察相吻合，證明了光聲成像技術具有成為骨關節(jié)炎診斷有效工具的潛力；文獻［11］在老鼠體內注射亞甲基藍，用光聲成像技術進行SLN的鑒別，得到SLN的高光學對比度和約500 μm的分辨率，2D圖像的成像深度達20 mm，3D圖像的成像深度達到31 mm。這些研究表明，光聲成像技術具有臨床應用的潛在可能性，同時也顯示了造影劑用于光聲成像的可行性。

2010年光聲成像技術在生物醫(yī)學領域應用研究涉及多種疾病，發(fā)展迅猛。如用光聲成像技術對離體老鼠心臟病灶組織進行成像［13］，實驗結果清晰地顯示光聲成像用于探測病態(tài)組織的可能性，并得到分辨率低于100 μm的3D圖像。再如利用光聲光譜與CT掃描儀相結合［32］，對活老鼠尾部的靜脈和動脈在體成像，監(jiān)測血紅蛋白濃度和血氧飽和度狀況；以及利用熒光成像和光聲光譜學相結合，開發(fā)和測試分子探針在體探測NPR-1（Neutropilin-1 receptor）的表達［33］，因為 NPR-1探針與乳腺腫瘤的某種分子會發(fā)生特殊的結合，可通過該方法對乳腺腫瘤進行光聲光譜分子成像。

光聲成像技術在生物醫(yī)學領域還可用于前列腺檢測。文獻［34］描述了適用于前列腺的激光光聲成像系統(tǒng)（Laser optoacoustic imaging system for prostate，LOIS-P）的發(fā)展及特性，使用犬的前列腺完成實驗研究，與目前前列腺活檢的金標準—超聲成像進行比對，發(fā)現(xiàn)只有光聲圖像可以顯示血流情況，而血流可以顯示血液供應腫瘤生長情況，因此具有一定的優(yōu)勢。文獻［35］采用光聲層析成像與超聲成像的雙模式成像技術對犬前列腺癌實施在體掃描成像，得到的結果清楚地顯示了前列腺的形態(tài)特征，證明光聲成像技術不僅可以以無損的方式觀察前列腺病變位置，且可以刻畫病變處的功能參數(shù)（例如總血氧濃度），表明該方法有利于癌癥的定位、疾病階段的確定以及對疾病復發(fā)的診斷等，是治療前列腺癌的潛在有效工具。

3 展 望

光聲成像技術是一種新興的、無損的光學技術與超聲技術相結合的檢測技術，不論是在理論研究還是在臨床應用方面都將擁有廣闊的前景。光聲成像技術十幾年的發(fā)展顯示了它能對生物組織內一定深度病灶組織的結構和生物化學信息高分辨率、高對比度成像，而其他技術則暫不具有這樣的功能。

目前，光聲成像技術已是生物組織無損檢測領域里備受關注的研究方向之一，國際上眾多研究學者將重心轉移至此，共同推進了光聲成像技術的不斷向前發(fā)展。目前光聲成像技術的很多應用如光聲內窺、光聲光譜以及光聲多普勒測血流等，還處于實驗室階段，只有個別研究小組已經投入臨床前的實驗研究。雖然已經能夠實現(xiàn)大面積對動物模型能像，成像深度可以達到幾十個毫米，所得圖像分辨率也能達到100 μm等等，但這些優(yōu)點不是都集中在同一套系統(tǒng)中的，因此仍然存在著亟待解決的問題。首先，圖像對比度與深層組織成像之間存在矛盾，需要根據預期要達到的實驗結果選擇合適的波長；其次，能夠實現(xiàn)實時成像的光聲成像系統(tǒng)很少，大多數(shù)成像系統(tǒng)的數(shù)據采集仍比較耗時，因此除了對系統(tǒng)改進以外，還需要有快速的數(shù)據采集卡及計算機等，即對系統(tǒng)硬件要求嚴格；再者，大比例的光聲圖像重構算法對計算機要求較高，算法的優(yōu)化也是面臨的主要問題之一。

從光聲成像技術在生物醫(yī)學領域應用的不斷發(fā)展可以了解到，光聲成像技術將可能向多模式結合方式發(fā)展，譬如光聲與超聲結合的雙模式結構，以及最新的光聲與OCT相結合的模式等等。實驗還表明，光聲成像技術還將向分子成像方面拓展，在實驗中使用外源性或內源性造影劑來有效增強圖像對比度，提高成像分辨率，使得所獲取的光聲圖像能夠更清晰地顯示生物組織的內部結構或腫瘤的結構情況等。這些趨勢為光聲成像技術對生物組織的形態(tài)結構、生理和病理特征、以及代謝功能等的研究提供了有效的手段。

不難看出，光聲成像技術將發(fā)展成為新一代生物醫(yī)學影像技術?，F(xiàn)代科技發(fā)展日新月異，人類的思維不斷擴展，相信光聲成像技術在不久的將來能夠實現(xiàn)操作簡單、無損、實時和便攜式的操作系統(tǒng)，更好地為臨床服務。

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Recent progress in photoacoustic imaging technology

ZHANG Jian-ying，XIE Wen-ming，ZENG Zhi-ping，LI Hui

（Key Laboratory of Optoelectronic Science and Technology for Medicine，Ministry of Education，School of Physics and Optoelectronics Technology，F(xiàn)ujian Normal Uniυersity，F(xiàn)uzhou 350007，China）

Photoacoustic Imaging Technology（PAT）with high contrast，excellent resolution and deep penetration is an emerging noninvasive detecting technology in biomedical applications.This paper introduces the latest progress in PAT，which contains the improvement of image detecting modes，increase of imaging speed，enhancement of imaging resolution and the modification of image reconstruction algorithm.By taking application of PAT to the clinical diagnosis as examples，it describes that the PAT applications have been expanded in biomedical fields.Finally，it overviews the shortcomings of the PAT，and points out that multi-mode combination will a developing trend of the PAT，such as combination of the photoacoustic imaging and the ultrasonic imaging or the photoacoustic imaging and the OCT.Moreover，the molecular PAT based on the contrast agent will also has a good prospect.

biomedicine photonics；Photoacoustic Imaging Technology（PAT）；image reconstructed algorithm；biomedical applications

2010-11-01；

2011-02-13

Q-334

A

1674-2915（2011）02-0111-07

張建英（1984—），女，福建長泰人，碩士研究生，主要從事生物醫(yī)學光子技術方面的研究。

E-mail：wendy06820313@163.com

謝文明（1977—），男，福建古田人，博士研究生，主要從事生物醫(yī)學光子技術及其應用方面的研究。

E-mail：xie7713@gmail.com

曾志平（1986—），男，福建漳州人，碩士研究生。E-mail：zhipingzeng@163.com

李 暉（1963—），男，廣東人，教授，博士生導師，主要從事生物醫(yī)學光子技術方面的研究。

E-mail：hli@fjnu.edu.cn