龔小競 孟 靜 陳健樺 林日強 白曉淞 鄭加祥 宋 亮*

（中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院生物醫(yī)學(xué)光學(xué)與分子影像研究室 深圳 518055）

1 引 言

1.1 光聲成像原理

光聲成像技術(shù)是一種新興的生物醫(yī)學(xué)成像模式，是近十年發(fā)展最快的成像方式之一，因其具有高光學(xué)對比度和大超聲成像深度等優(yōu)點，已成為目前生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的研究熱點。光聲成像基本原理是：利用脈沖激光照射生物組織，當(dāng)組織吸收光能量后受熱膨脹形成瞬時壓力，產(chǎn)生一個寬帶的超聲信號(通常帶寬在幾十甚至上百 MHz)，即光聲信號。光聲信號經(jīng)由重建算法反演得到組織光吸收圖像，即光聲圖像。

在激發(fā)光參數(shù)不變的情況下，光聲信號的強度、頻譜與生物組織的光吸收特性緊密相關(guān)。而不同的組織有不同的光吸收特性，因此光聲成像可以針對組織中特定成分，選擇特定波長進行高對比的結(jié)構(gòu)成像。進一步地結(jié)合光聲光譜技術(shù)，可以定量地分析各種組織成分的變化，精細地反映極其微小的組織病變及血紅蛋白濃度、血氧濃度、氧代謝率等一系列重要的生理參數(shù)，實現(xiàn)功能成像。

1.2 光聲成像的種類與應(yīng)用

光聲成像具有可靈活結(jié)合大穿透深度和高分辨成像的特點，使其可以采用不同的成像方式，以獲得與應(yīng)用匹配的更優(yōu)質(zhì)圖像。在實際應(yīng)用中，有三種常見的光聲成像方式：光聲顯微成像技術(shù)(PAM)、光聲計算層析成像技術(shù)(PACT)、光聲內(nèi)窺成像技術(shù)(PAE)。其中，光聲顯微成像技術(shù)和光聲內(nèi)窺成像技術(shù)的主要目標是在毫米級的成像深度上實現(xiàn)微米級的分辨率。而光聲計算層析技術(shù)的探測深度和分辨率可在較大范圍內(nèi)變化，既可實現(xiàn)顯微成像，也可實現(xiàn)大深度成像。如圖 1 所示，光聲成像可跨尺度地實現(xiàn)從細胞器、細胞到組織、器官的成像，并且均可獲得相匹配的分辨率[1]。

光聲成像技術(shù)憑借其靈活的成像方式、優(yōu)質(zhì)的成像能力、高度的生物安全性，正越來越受到生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的關(guān)注。近年來，光聲成像已被證明在眾多生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值，如腫瘤血管新生成像[2]、血紅蛋白和血氧濃度成像[3]、乳腺癌診斷[4]、心腦血管易損斑塊成像等[5]。

圖1 跨尺度光聲成像代表性結(jié)果圖

本文將主要介紹本課題組在光聲成像新技術(shù)中的研究成果，以及光聲成像技術(shù)在臨床應(yīng)用中的研究進展。

2 光聲成像中的新技術(shù)

2.1 光聲成像解卷積技術(shù)

光學(xué)分辨率光聲顯微系統(tǒng)(OR-PAM)是光聲顯微的一種主要形式。它采用聚焦的激光光束作為激發(fā)光聲信號，具有微米甚至是亞微米級別的橫向分辨能力，其橫向分辨率幾乎完全由激光聚焦的能力決定。

為了進一步提高橫向分辨率，一個簡單而直接的方法是通過增加聚焦物鏡的數(shù)值孔徑來提高系統(tǒng)的光聚焦能力。然而，此方法存在幾個缺點：第一，高數(shù)值孔徑物鏡對微小的光學(xué)像差十分敏感，在實際應(yīng)用中必須在系統(tǒng)中通過光學(xué)器件進行正確的補償；第二，由于聚焦深度反比于數(shù)值孔徑的平方，這意味著增大數(shù)值孔徑的同時也會急劇地縮短系統(tǒng)的有效成像深度范圍；第三，物鏡的工作距離會隨著數(shù)值孔徑的增大而減小。因此，采用增大數(shù)值孔徑的方法雖然可提高成像分辨率，但會導(dǎo)致成像靈活度的下降。

信號處理的方法為提高系統(tǒng)分辨率提供了另一種有效途徑。為了提高成像的對比度與分辨率，解卷積(Deconvolution)算法被廣泛應(yīng)用于多種光學(xué)成像當(dāng)中。本課題組所采用的是常用的 Lucy-Richardson 解卷積算法，將其應(yīng)用于迭代模式下的盲解卷積過程時，有效地提高了 OR-PAM 圖像的橫向分辨率和對比度。與此同時，由于在系統(tǒng)硬件上沒有進行改動，仍然保持了較大的成像深度，有利于對活體血管精細結(jié)構(gòu)進行光聲成像。

本課題組對遠小于系統(tǒng)成像分辨率的石墨烯納米顆粒(直徑約 200 nm)進行光聲成像，并對成像結(jié)果進行了解卷積處理。解卷積前后，圖像中的微粒直徑分別為 5.78 μm、3.04 μm，證明該算法有效地實現(xiàn)了近2 倍的分辨率改善[6]。

接下來，該算法被用于活體小鼠耳部毛細血管網(wǎng)絡(luò)的成像改善，對比結(jié)果如圖 2(a)、(b)所示，從圖中可看出圖像細節(jié)有了明顯的呈現(xiàn)。在圖 2(c)中，對比了圖(a)、(b)中 B 處放大后的代表性區(qū)域解卷積前后的情況。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)毛細血管經(jīng)過解卷積處理之后，原先的模糊狀態(tài)得到了有效的消除。而在圖 2(d)和(e)中，可以看出一對相鄰血管之間的間隔，在解卷積后得到了更為明顯的區(qū)分[6]。

圖2 用 OR-PAM 對小鼠耳部活體成像結(jié)果

以上結(jié)果表明，結(jié)合盲解卷積算法，能夠在保留成像深度的情況下，進一步提高 OR-PAM 的分辨能力。這使其作為一種可對精細結(jié)構(gòu)成像并可獲得三維深度信息的成像技術(shù)，可獲得更精準的生物體細節(jié)信息，具備更為廣泛的生物醫(yī)學(xué)研究和臨床應(yīng)用前景。

2.2 光聲成像壓縮感知技術(shù)

光聲計算層析成像易于實現(xiàn)較大區(qū)域和深層組織成像，具有廣闊的臨床應(yīng)用前景。PACT 成像一般采用超聲陣列獲取光聲信號，然而為了獲得高質(zhì)量圖像，需要多陣元密集排布，且陣元數(shù)量較大。這種大數(shù)據(jù)量的多路數(shù)據(jù)采集，對采集系統(tǒng)提出了非?？量痰囊?。目前在多路復(fù)用技術(shù)下，數(shù)據(jù)采集和成像速度較慢，限制了該成像方式的應(yīng)用。

如果能夠降低數(shù)據(jù)空間采樣率，可有效提高光聲數(shù)據(jù)采集和成像速度。此外，高頻超聲陣列價格昂貴，因此若降低數(shù)據(jù)空間采樣率，可以降低對超聲陣列的要求，從而減少系統(tǒng)成本。然而，這種基于稀疏陣元的采集方式不能滿足內(nèi)奎斯特采樣定理，傳統(tǒng)方法無法重建出滿足實際需要的高質(zhì)量光聲圖像。

壓縮感知理論(Compressed Sensing，CS)由美國斯坦福大學(xué)的 Candés 和 Donoho 教授于 2006 年正式提出，其核心思想是在遠低于內(nèi)奎斯特采樣定理的數(shù)據(jù)采樣率下，高質(zhì)量恢復(fù)信號。近幾年，CS 技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于信號處理、醫(yī)學(xué)影像和模式識別等領(lǐng)域。其中，CS 技術(shù)在磁共振快速成像領(lǐng)域的成功應(yīng)用，體現(xiàn)出其巨大的價值和潛力。針對光聲計算層析成像的數(shù)據(jù)采集和成像速度問題，自 2009 年開始，許多科研工作者進行了壓縮感知光聲成像的探索性研究，并取得了一些有意義的研究成果。

本課題組首先進行了基于部分已知支撐(Partially Known Support，PKS)新型壓縮感知理論的在體人手和小動物成像[7]。在時、頻域重建結(jié)果基礎(chǔ)上，將部分已知支撐信息融入重建過程，實驗對三倍稀疏采樣下的反投影(Back-Projection，BP)重建結(jié)果、傳統(tǒng) CS結(jié)果和 CS-PKS 重建結(jié)果做了詳細的比較和分析。分析結(jié)果表明在三倍稀疏采樣下，傳統(tǒng) CS 方法可以獲得更高質(zhì)量的重建圖像，但不能很好地抑制欠采樣噪聲，而 CS-PKS 重建方法獲得了幾乎與原始圖像相同的圖像質(zhì)量和重建精度。

圖3 在體 OR-PACT 小鼠耳血管分布圖

進一步地，首次將 CS-PKS 用于光學(xué)分辨率光聲計算層析系統(tǒng)(OR-PACT)[8]。實驗過程中，成像系統(tǒng)采用 48 單元線性超聲陣列(配合 8 通道數(shù)據(jù)采集卡)采集光聲信號。此 OR-PACT 系統(tǒng)與傳統(tǒng) PACT 系統(tǒng)的主要區(qū)別在于光照明是聚焦的，系統(tǒng)用微透鏡陣列實現(xiàn)對成像組織的聚焦光線照射(共 20 條聚焦光線，兩條相鄰光線間隔 250 μm，單條光線的聚焦光斑大小為 10 μm)，超聲陣列在組織的另一側(cè)實現(xiàn)透射式信號采集。

該系統(tǒng)對一個長 5 mm 的斷面區(qū)域成像需要 25次光照掃描和 25 次數(shù)據(jù)采集，因此數(shù)據(jù)采集量非常大。而本課題組基于 CS-PKS 方法實現(xiàn)了三倍稀疏欠采樣下的高質(zhì)量在體小動物成像(圖 3)，將 ORPACT 的數(shù)據(jù)采集多路復(fù)用比由 6:1 降為 2:1，成像速度與傳統(tǒng)光學(xué)分辨率光聲顯微成像系統(tǒng)相比，大約提高了 10 倍[8]。

壓縮感知理論已經(jīng)成功應(yīng)用于光聲計算層析成像系統(tǒng)，實現(xiàn)了時域和頻域的在體光聲圖像重建。小動物和人的在體成像結(jié)果表明：壓縮感知技術(shù)在降低系統(tǒng)成本、提高數(shù)據(jù)采集速度方面有巨大的應(yīng)用潛力。壓縮感知光聲成像的研究將進一步促進光聲成像技術(shù)在各種生物醫(yī)學(xué)臨床疾病診斷、檢測和治療中的廣泛應(yīng)用。

圖4 Nano- rGO 尾靜脈注射后，在腫瘤區(qū)域聚焦的光聲成像圖

2.3 光聲分子影像技術(shù)

光聲分子影像是近期發(fā)展起來的新型無創(chuàng)在體影像技術(shù)。該技術(shù)結(jié)合了光聲層析成像和分子影像的特點，具有成像深度深、分辨率高和特異性強等優(yōu)點，擁有廣闊的應(yīng)用前景。

兼具診斷和治療功能的光聲分子影像對比劑在個性化醫(yī)療領(lǐng)域展現(xiàn)出了極大的應(yīng)用潛力。本課題組設(shè)計并制備了具有高穩(wěn)定性和低毒性的納米還原氧化石墨烯顆粒(nano-rGO)。利用自主研制的光聲/超聲波雙模成像和光熱治療的平臺，研究該顆粒光聲成像和光熱治療性質(zhì)[9]。

圖5 在不同條件下，小鼠紅外熱成像分布和不同實驗條件下的腫瘤組織切片染色圖，本圖片的使用得到原作者[9]的授權(quán)

在實驗過程中，通過對小鼠尾靜脈注射 nanorGO，然后比較注射前后的光聲圖像(圖 4(c-f))，結(jié)果發(fā)現(xiàn)注射 nano-rGO 后的信號顯著增強。由此可證明，該納米顆?？捎行岣吖饴曅盘枏姸萚9]。

在此基礎(chǔ)之上，進一步進行了光熱治療實驗，結(jié)果見圖 5。從圖 5 可看出，注射 nano-rGO 后，激光照射 5 分鐘后，注射區(qū)域溫度高達 60 攝氏度，可以有效殺死腫瘤細胞。圖 5 中 (A)圖比較了三種情況下小鼠腫瘤區(qū)域的溫度情況。與 (A)圖對應(yīng)的(B)圖中的腫瘤組織切片表明，只有注射 nano-rGO 的腫瘤細胞死亡。以上實驗表明，靜脈注射 nano-rGO 的腫瘤小鼠在腫瘤區(qū)域表現(xiàn)出快速和顯著的光聲信號增強。同時，光熱治療結(jié)果顯示，由于材料的光熱效應(yīng)，小鼠體內(nèi)的癌細胞都被有效地?zé)g。因此，nano-rGO能很好的結(jié)合腫瘤成像和治療，是非常有前景的光聲成像和光熱治療對比劑[9]。

由于采用了光學(xué)對比、超聲探測的技術(shù)，光聲分子影像技術(shù)可以在保持高空間分辨率的同時對深層的活體組織進行成像，可以對分子影像對比劑在各臟器的動力學(xué)代謝和三維分布等進行分析。這對于純光學(xué)手段來說是不可比擬的優(yōu)勢。

3 光聲成像技術(shù)的臨床研究

3.1 乳腺癌光聲成像技術(shù)

圖6 浸潤性導(dǎo)管癌成像結(jié)果圖

在中國，對乳腺癌的臨床檢測通常用超聲作為初篩，再輔以 X 射線鉬靶成像，但是其靈敏度和特異性無法滿足臨床早期檢測的需求。光聲成像技術(shù)以腫瘤的血管新生作為內(nèi)源性對比劑，實現(xiàn)癌癥疾病的早期檢測，同時光聲光譜方法可以實現(xiàn)腫瘤的氧飽和度功能成像。因此，該成像方式與傳統(tǒng)乳腺檢查手段相比，具有靈敏度高、價格低、非電離輻射和不受乳腺組織致密性影響等優(yōu)點，在乳腺癌篩查方面具有很好的應(yīng)用前景。

學(xué)術(shù)界和工業(yè)界均在光聲成像用于乳腺癌的檢測方面做了很多研究。荷蘭 Twente 大學(xué)生物醫(yī)學(xué)光學(xué)研究室 2012 年發(fā)表了該研究組在光聲乳腺成像系統(tǒng)方面的最新臨床研究進展[10]。該小組在臨床實驗中發(fā)現(xiàn)，基于光聲成像技術(shù)的乳腺檢查方式與超聲成像相比具有更好的成像對比度；與 CT 相比不受組織致密性影響；與 MRI 相比，系統(tǒng)成本低，成像速度快；且光聲成像方式可以區(qū)分乳腺癌和囊腫性疾病，成像結(jié)果見圖 6。該研究成果充分展示了光聲成像技術(shù)在乳腺癌檢測方面的可行性和應(yīng)用潛力。該研究小組目前正在開展一項包括 100 位病人的光聲乳腺癌成像臨床研究。

圖7 用光聲對覆蓋在雞肉下方的老鼠前哨淋巴結(jié)進行成像

工業(yè)界也在積極推動將光聲成像技術(shù)應(yīng)用于乳腺癌的檢測。目前包括 OptoSonics、Seno Medical Instruments、TomoWave Labs 在內(nèi)的數(shù)家初創(chuàng)公司正在開展光聲乳腺癌成像技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。他們的臨床試驗表明，光聲系統(tǒng)具備乳腺組織血管新生的成像能力，在乳腺癌診斷方面具有很強的應(yīng)用潛力[11]。

3.2 前哨淋巴結(jié)光聲成像技術(shù)

前哨淋巴結(jié)作為原發(fā)腫瘤發(fā)生淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的第一批淋巴結(jié)，其臨床意義已受到人們的重視。然而，當(dāng)前臨床上對前哨淋巴結(jié)的活檢，仍會給患者帶來一定創(chuàng)傷，并有可能會造成淋巴水腫甚至致殘，且70%～90% 病人結(jié)果均為陰性。

光聲成像技術(shù)通過對美國食品藥品管理局(FDA)批準的臨床外源性對比劑(吲哚菁綠或亞甲基藍)的成像，可以無損地在體外精確定位前哨淋巴結(jié)的位置，并通過活檢針，把手術(shù)轉(zhuǎn)化為活檢取樣的微創(chuàng)過程，這樣不僅極大地減少了病人的創(chuàng)傷和痛苦，也給醫(yī)生帶來極大的便利，并有望顯著地減少醫(yī)療費用、降低手術(shù)創(chuàng)傷。國際醫(yī)學(xué)界和國際醫(yī)療影像公司對此也抱有極大的研究熱情。

美國圣路易斯華盛頓大學(xué)小組以亞甲基藍(Methylene blue)作為光聲對比劑，對大鼠體內(nèi) 2.5 厘米深處(用覆蓋雞肉的方法增加了厚度)的前哨淋巴結(jié)進行了成像。從圖 7 可以看出，成像效果非常地明顯(見圖 7 中上圖白色箭頭標注的區(qū)域)。光聲成像得到的前哨淋巴結(jié)位置與成像結(jié)束后將大鼠解剖后看到前哨淋巴結(jié)(圖 7 中下圖)位置一致[12]。目前圣路易斯華盛頓大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系和醫(yī)學(xué)院正在開展光聲前哨淋巴結(jié)的臨床研究，最初的二十余例病人成像均獲得較好的結(jié)果。

3.3 光聲血管內(nèi)窺成像技術(shù)

臨床上使用的血管內(nèi)超聲(IVUS)和血管內(nèi)光學(xué)相干層析技術(shù)(IVOCT)相較體外成像，大幅提高了對斑塊成像的精確性和敏銳度。但是 IVUS 的分辨率不足以分辨薄纖維帽，而 IVOCT 穿透深度太淺，且IVUS和 IVOCT 都只能獲得形態(tài)學(xué)信息，無法獲得斑塊成分、炎性反應(yīng)等重要的生理信息，因此還存在明顯的不足。

而光聲成像既可利用組織自身的光吸收對比和光聲光譜的方法檢測斑塊的化學(xué)成分(如易損斑塊的脂質(zhì)核心和纖維帽)，亦可借助生物分子探針對活動性炎癥(如巨噬細胞浸潤)等細胞和分子層面的生物活動進行探測。因此，光聲成像可為研究斑塊破損的機理和炎癥等重要生物過程提供新的方法和手段。而把光聲成像發(fā)展為血管內(nèi)窺成像技術(shù)將更加有利于對易損斑塊的早期發(fā)現(xiàn)。

荷蘭伊拉茲馬斯醫(yī)療中心的 Krista Jansen 等開發(fā)了血管內(nèi)光聲成像系統(tǒng)，組裝了外徑 1.25 mm 的光聲/超聲成像導(dǎo)管[13]。利用該系統(tǒng)獲得了冠狀動脈的離體光聲、超聲圖像，如圖 8 所示。圖 8(a)為富含脂質(zhì)核并有鈣化的斑塊染色病理切片照片；圖(b)為 IVUS 圖像；圖(c)和圖(d)均為血管內(nèi)光聲圖像，分別于 1210 nm 波長和1230 nm 波長照射獲得。由于脂肪在 1210 nm 激光處有一個較強的吸收峰，而在 1230 nm 處的吸收變?nèi)酰钥梢酝ㄟ^對不同波長的光聲圖像進行差異對比，準確探測動脈粥樣硬化樣品的脂質(zhì)區(qū)域。

圖8 冠狀動脈(男性，56 歲)樣品圖

此外還有德州大學(xué)奧斯汀分校、普度大學(xué)、南加州大學(xué)、圣路易華盛頓大學(xué)等多個光聲醫(yī)學(xué)成像小組在開展光聲血管內(nèi)成像的研究工作，通過光聲光譜成像、光聲光譜定量分析等多種方法，研究光聲技術(shù)在體血管內(nèi)檢測斑塊的可行性。

4 總 結(jié)

光聲成像技術(shù)作為一種兼具光學(xué)對比度與超聲大成像深度的新型生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，具有獨特的優(yōu)勢。其可利用不同組織的波長選擇性高對比顯示特定組織，又可利用組織的光吸收譜對組織進行光譜分析，實現(xiàn)功能成像，這些已被證明在眾多生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。同時，光聲成像可進行跨尺度的成像，并可實現(xiàn)與之相匹配的分辨率，這使得光聲成像可根據(jù)成像對象靈活的選擇成像方式，為光聲成像的應(yīng)用提供了極大的便利。

為進一步拓展光聲成像技術(shù)的應(yīng)用范圍，本課題組在提高分辨率、加快成像速度以及提高信噪比等方面也作了相應(yīng)的研究，包括發(fā)展光聲成像解卷積技術(shù)、光聲成像壓縮感知技術(shù)以及光聲分子成像技術(shù)等。研究取得了良好的結(jié)果，為推動該技術(shù)的臨床應(yīng)用提供了新的機遇。

同時，為了推動光聲成像技術(shù)的發(fā)展，研究人員針對癌癥、心腦血管病等重大疾病開展了多項臨床研究。研究結(jié)果進一步展示了光聲成像技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的重要應(yīng)用價值和廣闊前景。

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