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[摘 要]多参量光声成像是集结了声学成像和光学成像两者优点的一种新型复合成像技术，在生物医学领域有着广阔的发展前景。近年来随着生物医学的快速发展，光学成像技术的应用范围不断扩大，技术也越来越成熟。本文从光声成像技术的基本原理出发，对比分析了其优势所在，阐述了该技术在生物医学领域中的应用，并对其不足进行了讨论。
[关键词]多参量光声成像；生物医学；应用
中图分类号：J51-4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）48-0182-01
引言
多参量光声成像是在光声效应的基础上形成的，同时具备纯光学成像的高选择性和纯超声成像的深穿透性，在组织中也不再受光散射的影响，可得到活体深层组织的高分辨、高对比度的组织图像，且图像传递的信息量丰富，能够清晰的展示出深层组织的形体及功能信息。光声成像以光声效应为桥梁，将光学成像和声学成像巧妙的融为一体，在生物医学领域深受青睐，其应用也取得了理想的成果。
一、光学成像技术的基本原理及优势
当用短脉冲激光照射生物组织时，组织内的吸收体可吸收光子中能量，在一定的条件下吸收体局部会出现短暂的温度升高，导致热膨胀而出现压力波，产生了超声波，也就是光声信号。此刻组织体外部的超声探测器可感应并接收这些超声波，并根据光声信号构建出组织内光能量吸收分布的图像。在此过程中，合适波长的激光源可实现光能转换热能的效率最大化，通常转化率可达到百分之九十以上。
相对于声学成像，光声成像利用了光吸收系数，这样在化学成分的分析中占据独特优势，同时具备的声波又可获取施加在组织的外力、组织体密度等参数。在生物体内部，利用光学成像还可清晰反映出生物体的功能信息、生理结构等。与光学成像相比，光声成像的分辨率更高，光学成像一般只能够重组出组织表层约一毫米深度的图像，若深度稍深，分辨率就会大打折扣。光声成像则克服了这一弱点，其在生物组织中的散射强度小，在传播时其低散射、低耗散的优势能够得以充分发挥。除此之外，光声成像与X射线、CT相比，用的是激光、微波照射法，安全系数更高，电磁辐射小，可避免组织的热损伤。
二、多参量光声成像及其在生物医学领域的应用
（1）多尺度成像
利用多参量光声成像不仅可以得出深层组织的图像，还可映射出生物体的功能和结构信息，实现多尺度成像。组织的生理功能和光吸收系数都直接影响着成像的效果，在成像的过程中，需根据组织成分的不同来选择相适应的电磁波波长，依据相应的需求分析组织成分，以得出代谢、分子、基因、分解等信息。如对紫外线敏感的核糖核酸和脱氧核糖，用紫外线作为激发光源就可得到更清晰、更高对比度的图像。在医学诊断中，根据细胞核图像观察其形态异常与否，就可判断出癌细胞基因复制是否发生障碍，这种方法可用于早期癌症的诊断，在医学的诊断史上是一项重大突破。血红蛋白在光频段的电磁波作用下成像明显，可获取与血液系统有关的高对比图像。另外如油脂、水等可用吸收效果好的近红外激光、微波作为光源，能够在短时间内分析出其是否存在异常聚焦。
生物组织的每一种化学成分都有其独特的光吸收特性，医学诊断可借助这一特性，通过不同波长的激光来照射相关活体组织，以获取相应信息，结合定量和定性分析进而得出生物组织的各项化学指标。血红蛋白是生物体内运输氧气和二氧化碳的重要載体，与生物体的新陈代谢息息相关，通过光声成像的波长和电磁波吸收特性，可分析出其在相应组织的含量，得出脱氧血红蛋白与氧合血红蛋白的相对含量，进而获取血氧饱和度，这在脑血管疾病、皮肤疾病及肿瘤的早期诊断中具有重大的意义。
（2）生物组织的光声粘弹成像
生物组织的粘弹性特征是在组织分子结构的分析基础上得来的，光声粘弹成像是在光声激发和光声信号产生的过程中，通过检测光相位偏转的延后度来取得响应组织的粘弹性信息以成像，这种新的成像方法是从力学的角度考虑组织的硬度、血液粘稠度，通过物理计算可直接得出组织的力学系数及光学参量，生物组织的粘弹性特征在医学界引起了广泛的关注和深入研究，其提供的信息以数据形式呈现，比传统的光学成像方式更加可靠，为心血管疾病和肿瘤的早期诊断提供了有力的数据支撑，在临床医学中具有广阔的前景。
（3）检测红细胞形态特征
使用多参量光声信号的功率参数，借助亚波微结构信息、细胞的形态及声学功率谱的特质，可检测出红细胞的形态特征，用于早期血栓及癌细胞形成的鉴定。相关研究实验表明，通过分析窄带低频光声显示系统的信号，可以识别出亚波微结构的尺寸信息，根据光谱斜率进而可计算亚波的尺寸结构。生物组织中有很多诸如红细胞、黑素瘤等微米级的微结构，通过多参量光声成像技术，可为相关疾病提供更加多样、准确、可靠的诊断方法。
三、多参量光声成像应用的局限
多参量光声成像的高分辨率和高对比度的优势使其满足了现阶段生物医学领域的发展需求，其存在的开发潜力和价值也是很大的。但作为一种新型技术，多参量光声成像还存在很大的提升空间，在实际应用中，仍有一些局限需要突破。多参量光声成像的优势是建立在光学特性不均匀，但对声学特性均匀度要求较高的基础上的，但在实际的生物组织中，其声学特性是极为复杂且多数为非均匀分布，若在不均匀的组织如骨骼中会有不同程度的声抗阻，仍旧会出现声传播的反射和散射问题，呈现的图像效果并不十分理想。除此之外，相对于传统的成像技术，多参量光声成像的深度可达五十毫米深，但这仅能满足部分医学成像的需求，对于更深组织的成像，仍旧是难以实现的。在后期的研究中，这些将会是需要重点解决的问题。
四、结束语
光声成像兼具光学成像和声学成像两者的优点，是近十年来发展最为迅速的生物医学成像技术，且效果显著。虽有不足存在，但随着光声成像理论基础及成像系统的不断创新、完善，光声成像仍旧可以凭借其无法替代的优势在生物医学乃至生命科学领域脱颖而出。我们希望光声成像在未来的临床实践中，为疾病的早诊断、早治疗及治疗效果等提供有价值、可靠的影像参考，为人类的生命健康及生活质量的提升带来福音。
参考文献：
[1]陈炳章，易航，杨金戈，等.光声内窥镜系统在人体直肠癌离体组织中的实验研究[J].物理学报，2014（8）：76-77.
[2]曾礼漳，杨思华，邢达.光声成像技术及其医学应用进展[J].华南师范大学学报：自然科学版，2016（1）：135-136.
[3]唐嘉铭，黄正.光声成像在光动力疗法研究中的应用[J].激光生物学报，2016，25（03）：204-208.
[4]孙正，苑园，王健健.血管内光声成像的研究进展[J].中国生物医学工程学报，2015，34（02）：221-228.
[5]殷杰，陶超，刘晓峻.多参量光声成像及其在生物医学领域的应用[J].物理学报，2015，64（09）：167-176.
[6]曹艳芳，简小华，焦阳，韩志乐，吕铁军，顾天明，崔崤峣.多波长光声信号的时域与频域比较[J].激光技术，2016，40（06）：921-925.
[关键词]多参量光声成像；生物医学；应用
中图分类号：J51-4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）48-0182-01
引言
多参量光声成像是在光声效应的基础上形成的，同时具备纯光学成像的高选择性和纯超声成像的深穿透性，在组织中也不再受光散射的影响，可得到活体深层组织的高分辨、高对比度的组织图像，且图像传递的信息量丰富，能够清晰的展示出深层组织的形体及功能信息。光声成像以光声效应为桥梁，将光学成像和声学成像巧妙的融为一体，在生物医学领域深受青睐，其应用也取得了理想的成果。
一、光学成像技术的基本原理及优势
当用短脉冲激光照射生物组织时，组织内的吸收体可吸收光子中能量，在一定的条件下吸收体局部会出现短暂的温度升高，导致热膨胀而出现压力波，产生了超声波，也就是光声信号。此刻组织体外部的超声探测器可感应并接收这些超声波，并根据光声信号构建出组织内光能量吸收分布的图像。在此过程中，合适波长的激光源可实现光能转换热能的效率最大化，通常转化率可达到百分之九十以上。
相对于声学成像，光声成像利用了光吸收系数，这样在化学成分的分析中占据独特优势，同时具备的声波又可获取施加在组织的外力、组织体密度等参数。在生物体内部，利用光学成像还可清晰反映出生物体的功能信息、生理结构等。与光学成像相比，光声成像的分辨率更高，光学成像一般只能够重组出组织表层约一毫米深度的图像，若深度稍深，分辨率就会大打折扣。光声成像则克服了这一弱点，其在生物组织中的散射强度小，在传播时其低散射、低耗散的优势能够得以充分发挥。除此之外，光声成像与X射线、CT相比，用的是激光、微波照射法，安全系数更高，电磁辐射小，可避免组织的热损伤。
二、多参量光声成像及其在生物医学领域的应用
（1）多尺度成像
利用多参量光声成像不仅可以得出深层组织的图像，还可映射出生物体的功能和结构信息，实现多尺度成像。组织的生理功能和光吸收系数都直接影响着成像的效果，在成像的过程中，需根据组织成分的不同来选择相适应的电磁波波长，依据相应的需求分析组织成分，以得出代谢、分子、基因、分解等信息。如对紫外线敏感的核糖核酸和脱氧核糖，用紫外线作为激发光源就可得到更清晰、更高对比度的图像。在医学诊断中，根据细胞核图像观察其形态异常与否，就可判断出癌细胞基因复制是否发生障碍，这种方法可用于早期癌症的诊断，在医学的诊断史上是一项重大突破。血红蛋白在光频段的电磁波作用下成像明显，可获取与血液系统有关的高对比图像。另外如油脂、水等可用吸收效果好的近红外激光、微波作为光源，能够在短时间内分析出其是否存在异常聚焦。
生物组织的每一种化学成分都有其独特的光吸收特性，医学诊断可借助这一特性，通过不同波长的激光来照射相关活体组织，以获取相应信息，结合定量和定性分析进而得出生物组织的各项化学指标。血红蛋白是生物体内运输氧气和二氧化碳的重要載体，与生物体的新陈代谢息息相关，通过光声成像的波长和电磁波吸收特性，可分析出其在相应组织的含量，得出脱氧血红蛋白与氧合血红蛋白的相对含量，进而获取血氧饱和度，这在脑血管疾病、皮肤疾病及肿瘤的早期诊断中具有重大的意义。
（2）生物组织的光声粘弹成像
生物组织的粘弹性特征是在组织分子结构的分析基础上得来的，光声粘弹成像是在光声激发和光声信号产生的过程中，通过检测光相位偏转的延后度来取得响应组织的粘弹性信息以成像，这种新的成像方法是从力学的角度考虑组织的硬度、血液粘稠度，通过物理计算可直接得出组织的力学系数及光学参量，生物组织的粘弹性特征在医学界引起了广泛的关注和深入研究，其提供的信息以数据形式呈现，比传统的光学成像方式更加可靠，为心血管疾病和肿瘤的早期诊断提供了有力的数据支撑，在临床医学中具有广阔的前景。
（3）检测红细胞形态特征
使用多参量光声信号的功率参数，借助亚波微结构信息、细胞的形态及声学功率谱的特质，可检测出红细胞的形态特征，用于早期血栓及癌细胞形成的鉴定。相关研究实验表明，通过分析窄带低频光声显示系统的信号，可以识别出亚波微结构的尺寸信息，根据光谱斜率进而可计算亚波的尺寸结构。生物组织中有很多诸如红细胞、黑素瘤等微米级的微结构，通过多参量光声成像技术，可为相关疾病提供更加多样、准确、可靠的诊断方法。
三、多参量光声成像应用的局限
多参量光声成像的高分辨率和高对比度的优势使其满足了现阶段生物医学领域的发展需求，其存在的开发潜力和价值也是很大的。但作为一种新型技术，多参量光声成像还存在很大的提升空间，在实际应用中，仍有一些局限需要突破。多参量光声成像的优势是建立在光学特性不均匀，但对声学特性均匀度要求较高的基础上的，但在实际的生物组织中，其声学特性是极为复杂且多数为非均匀分布，若在不均匀的组织如骨骼中会有不同程度的声抗阻，仍旧会出现声传播的反射和散射问题，呈现的图像效果并不十分理想。除此之外，相对于传统的成像技术，多参量光声成像的深度可达五十毫米深，但这仅能满足部分医学成像的需求，对于更深组织的成像，仍旧是难以实现的。在后期的研究中，这些将会是需要重点解决的问题。
四、结束语
光声成像兼具光学成像和声学成像两者的优点，是近十年来发展最为迅速的生物医学成像技术，且效果显著。虽有不足存在，但随着光声成像理论基础及成像系统的不断创新、完善，光声成像仍旧可以凭借其无法替代的优势在生物医学乃至生命科学领域脱颖而出。我们希望光声成像在未来的临床实践中，为疾病的早诊断、早治疗及治疗效果等提供有价值、可靠的影像参考，为人类的生命健康及生活质量的提升带来福音。
参考文献：
[1]陈炳章，易航，杨金戈，等.光声内窥镜系统在人体直肠癌离体组织中的实验研究[J].物理学报，2014（8）：76-77.
[2]曾礼漳，杨思华，邢达.光声成像技术及其医学应用进展[J].华南师范大学学报：自然科学版，2016（1）：135-136.
[3]唐嘉铭，黄正.光声成像在光动力疗法研究中的应用[J].激光生物学报，2016，25（03）：204-208.
[4]孙正，苑园，王健健.血管内光声成像的研究进展[J].中国生物医学工程学报，2015，34（02）：221-228.
[5]殷杰，陶超，刘晓峻.多参量光声成像及其在生物医学领域的应用[J].物理学报，2015，64（09）：167-176.
[6]曹艳芳，简小华，焦阳，韩志乐，吕铁军，顾天明，崔崤峣.多波长光声信号的时域与频域比较[J].激光技术，2016，40（06）：921-925.