蘭慧，鄒然，胡錦欣

（1.江漢大學(xué)人工智能學(xué)院，湖北武漢 430056；2.Advanced Optowave Corporation，New York 11779）

0 引言

光聲成像是利用生物組織內(nèi)的光學(xué)吸收差異，以超聲波為介質(zhì)的一種新型無(wú)損生物光成像方法［1-3］。其基本原理是當(dāng)脈沖激光輻照到生物組織中時(shí)，一部分光能被組織吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，從而在該區(qū)域引起熱彈性膨脹，并產(chǎn)生兆赫茲級(jí)別的寬帶超聲波信號(hào)，即為光聲信號(hào)。由于生物組織樣品中不同物質(zhì)對(duì)光的吸收系數(shù)譜線各不相同，故通過(guò)分析該光聲信號(hào)，可以重建組織內(nèi)光吸收分布的圖像或者研究組織中的某些特征信息。光聲成像技術(shù)作為一種混合成像方式，將光學(xué)成像和超聲成像的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，具有較強(qiáng)的光學(xué)對(duì)比度和較高的分辨率，使其成為乳腺腫瘤成像［4］、血管生成監(jiān)測(cè)［5］、前哨淋巴結(jié)（sentinel lymph node，SLN）圖譜［6］、泌尿系統(tǒng)膀胱成像［7］、血紅蛋白濃度監(jiān)測(cè)［8］等方面的理想工具。

光聲成像方式與其他純光學(xué)成像方式，如斷層掃描、雙光子顯微鏡、共聚焦顯微鏡或拉曼成像不同的是，由于生物樣品對(duì)光的強(qiáng)散射作用，純光學(xué)成像方式很難突破1 mm的成像深度，而聲的散射系數(shù)通常比光要弱兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)，所以，光聲成像可以實(shí)現(xiàn)幾毫米甚至幾厘米的成像深度。光聲信號(hào)的強(qiáng)度反映出生物組織樣品對(duì)光的吸收能力。對(duì)一個(gè)給定的生物樣品，其光聲信號(hào)的幅值主要由入射激光的能量密度、波長(zhǎng)以及該波長(zhǎng)激光下組織對(duì)光的吸收系數(shù)決定。通常來(lái)說(shuō)，使用短波長(zhǎng)脈沖激光可以獲得良好的空間分辨率和對(duì)比度，但激光對(duì)組織的穿透深度有限；而使用長(zhǎng)波長(zhǎng)脈沖激光可以增加對(duì)組織的穿透深度，但產(chǎn)生的光聲信號(hào)對(duì)比度較低，因此，需要根據(jù)不同的光聲成像的深度要求，選擇合適的激光波長(zhǎng)?；诖?，本文選取3種常用的激光波長(zhǎng)532、800和1 064 nm，對(duì)比研究其各自的光聲成像過(guò)程。采用蒙特卡羅模型模擬人體組織對(duì)激光的吸收影響，得到相應(yīng)的激光輻照強(qiáng)度分布；分析了激光對(duì)生物組織初始聲壓的影響，并比較不同激光波長(zhǎng)與光斑直徑對(duì)人體組織中激光強(qiáng)度分布的關(guān)系曲線，給出在本實(shí)驗(yàn)條件下，在深度光聲成像中更合適的激光參數(shù)。

1 光在人體組織中的傳播特性

當(dāng)激光在生物組織中傳輸時(shí)，光與生物組織的相互作用主要表現(xiàn)為3個(gè)物理過(guò)程，即吸收、散射和反射［9］。哪一種損失在吸收、散射和反射中占主導(dǎo)地位，取決于生物組織的類型和入射光的波長(zhǎng)。波長(zhǎng)是一個(gè)非常重要的參數(shù)，對(duì)于給定的組織來(lái)說(shuō)，它決定了組織吸收、散射和反射系數(shù)。本實(shí)驗(yàn)建立人體組織模型，通過(guò)蒙特卡羅方法模擬了多層組織在不同深度處的光通量和在不同深度處的吸光程度。蒙特卡羅方法利用光子吸收和散射的原理，追蹤光子通過(guò)介質(zhì)的過(guò)程，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)光子的模擬結(jié)果，得到激光能量在組織中的分布情況［10］。為了更好地反映人體組織的真實(shí)特性，本實(shí)驗(yàn)采用多層組織模型來(lái)模擬光傳輸?shù)那闆r。圖1為人體組織模型的剖面圖，一束平頂激光光束垂直入射，先經(jīng)過(guò)一定的水，到達(dá)人體皮膚組織，假定皮膚表皮組織厚度約為0.2 cm，皮下組織厚度約為0.8 cm，血管剖面厚度約為0.1 cm。激光波長(zhǎng)分別設(shè)定為532、800和1 064 nm，入射激光光斑半徑分別為1、2和5 mm。光的傳播取決于介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)，如吸收系數(shù)（μa）、散射系數(shù)（μs）、散射各向異性（g）和折射率（n）［11］。表1為不同激光波長(zhǎng)下，不同組織的光學(xué)特性參數(shù)，通過(guò)此參數(shù)建立模型，系統(tǒng)地比較和分析不同波長(zhǎng)的激光在組織中的穿透深度。

2 仿真結(jié)果

2.1 不同激光波長(zhǎng)及光斑大小對(duì)光強(qiáng)分布的影響

生物組織表面的激光能量密度受ANSI［11］安全極限控制，該安全限度取決于入射激光的波長(zhǎng)和樣品暴露的時(shí)間。為了分析組織光學(xué)特性的變化（依賴于激光波長(zhǎng)）和光的最大容許輻照量變化對(duì)成像深度的影響，實(shí)驗(yàn)使用所有波長(zhǎng)的恒定激光注量來(lái)比較成像深度。設(shè)定激光波長(zhǎng)為532 nm時(shí)，激光能量密度為20 mJ/cm2；波長(zhǎng)為800 nm時(shí)，激光能量密度為32 mJ/cm2；波長(zhǎng)為1 064 nm時(shí)，激光能量密度為100 mJ/cm2。當(dāng)激光波長(zhǎng)分別為532、800、1 064 nm，激光光斑半徑分別為1、2和5 mm時(shí)，血管接受到的激光光強(qiáng)分布如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 激光波長(zhǎng)為532 nm時(shí)的光強(qiáng)分布Fig.2 Light intensity distribution at the laser wavelength of 532 nm

圖3 激光波長(zhǎng)為800 nm時(shí)的光強(qiáng)分布Fig.3 Light intensity distribution at the laser wavelength of 800 nm

圖4 激光波長(zhǎng)為1 064 nm時(shí)的光強(qiáng)分布Fig.4 Light intensity distribution at the laser wavelength of 1 064 nm

生物組織對(duì)光的吸收是各種分子成分相互作用的結(jié)果。不同波長(zhǎng)的激光在生物組織中的吸收系數(shù)不同。當(dāng)光子的能量與分子的能級(jí)區(qū)間相匹配時(shí)，表現(xiàn)為選擇性吸收（特定波長(zhǎng)的吸收強(qiáng)于其他波長(zhǎng)的吸收）；如果該物質(zhì)在光譜范圍內(nèi)所有波長(zhǎng)的強(qiáng)度衰減相近，該物質(zhì)表現(xiàn)為一般性吸收。由圖2～圖4可知，當(dāng)同一種波長(zhǎng)激光入射時(shí)，激光光斑直徑越大，激光能量在組織里分布越廣，能量也越強(qiáng)。當(dāng)激光垂直穿過(guò)人體組織表面時(shí)，可以明顯看到越靠近中央光束的能量越大，距離越遠(yuǎn)，能量越小。

結(jié)合上述模型的仿真結(jié)果，得到不同激光波長(zhǎng)及光斑大小下，光能量密度與輻照深度的關(guān)系曲線如圖5所示。模擬結(jié)果表明，隨著組織深度的增加，不同波長(zhǎng)的激光能量密度都有所降低，其中波長(zhǎng)為532 nm的光通量降低最嚴(yán)重，1 064 nm的光通量隨深度增加下降幅度更大。在組織深度1 cm處，波長(zhǎng)為1 064 nm的到達(dá)血管處的光通量較高，之后3種波長(zhǎng)的激光到達(dá)組織的光通量接近相等。

圖5 光能量密度與輻照深度的關(guān)系圖Fig.5 The plot of optical energy density vs irradiation depth

2.2 激光對(duì)生物組織初始聲壓的影響

當(dāng)激光作用于生物組織時(shí)，激光本身的輻射壓力、生物組織吸收激光造成的熱膨脹及引起的壓強(qiáng)，都會(huì)對(duì)生物組織產(chǎn)生一定的影響，有時(shí)甚至?xí)暗竭h(yuǎn)離受照區(qū)的部位，從而對(duì)外輻射光聲信號(hào)。該光聲信號(hào)的初始聲壓，即信號(hào)幅度與組織的吸收系數(shù)、散射系數(shù)、熱擴(kuò)散率和膨脹系數(shù)等相關(guān)。根據(jù)公式［12］P0=Γμa F，其中，Γ=βc2/Cp，為Gruneisen系數(shù)，由組織的一系列固有參數(shù)組合而成；β為等壓體積膨脹系數(shù)；c為聲速；Cp為比熱；μa為吸收系數(shù)；F為吸收層面的光通量，可以得到不同波長(zhǎng)的激光及激光光斑半徑與歸一化初始聲壓的關(guān)系（見圖6）。

圖6 不同激光輻照下的歸一化聲壓關(guān)系圖Fig.6 The plot of normalized acoustic pressure vs different laser irradiations

由圖6可知，隨著入射激光光斑的增大，組織中的光聲信號(hào)也有不同程度地增加，并且激光波長(zhǎng)越長(zhǎng)，初始聲壓越大。由于不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的吸收率不同，當(dāng)波長(zhǎng)為1 064 nm的激光輻照生物組織時(shí)，在不同光斑大小入射條件下，對(duì)生物組織產(chǎn)生的光聲信號(hào)的幅度均為最大。雖然μs隨著波長(zhǎng)的增加而降低，但生物組織中的μa在激光波長(zhǎng)為1 064 nm處比800 nm處高（見表1）μa的增加導(dǎo)致到達(dá)較高深度的光通量減少，因此，生物組織中的血管成像在選用波長(zhǎng)為1 064 nm的激光效果較好。

3 結(jié)語(yǔ)

光聲成像技術(shù)為研究生物組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理特征、病理特征等提供了有效的分析手段。本文基于蒙特卡羅模型，研究了不同波長(zhǎng)的激光在生物組織里傳播強(qiáng)度及穿透深度的影響，分析了不同波長(zhǎng)激光作用組織的初始聲壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著組織深度的增加，光通量隨之減小。當(dāng)激光達(dá)到組織同一深度時(shí)，激光波長(zhǎng)為1 064 nm且光斑直徑為5 mm時(shí)，光通量最大；而激光波長(zhǎng)為532 nm時(shí)，不論光斑直徑有多大，光通量均較低。此外，結(jié)合不同波長(zhǎng)的激光在組織中的能量強(qiáng)度，得到了不同波長(zhǎng)的激光在組織中的有效穿透深度。激光波長(zhǎng)為1 064 nm的組織穿透深度最深。由此可見，對(duì)于深層組織成像，波長(zhǎng)為1 064 nm可以是一個(gè)很好的選擇，因?yàn)樗哂休^高的最大允許曝光量。因此，對(duì)于生物組織中小于6 mm的成像深度，選用波長(zhǎng)為1 064 nm的激光進(jìn)行光聲成像時(shí)，既可以滿足成像深度的需要，又可以得到對(duì)比度較好的重建圖像，比532、800 nm波長(zhǎng)的激光更有應(yīng)用前景。