張建英，謝文明，曾志平，李 暉

（福建師范大學(xué)物理與光電信息科技學(xué)院，醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州350007）

光聲成像技術(shù)的最新進(jìn)展

張建英，謝文明，曾志平，李 暉

（福建師范大學(xué)物理與光電信息科技學(xué)院，醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州350007）

光聲成像技術(shù)是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中新興的無損檢測技術(shù)，具有對比度高、分辨率好、穿透能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了光聲成像技術(shù)近年來的進(jìn)展?fàn)顩r，主要涉及成像探測方式的改進(jìn)、成像速度的加快、成像分辨率的提高以及圖像重構(gòu)算法的發(fā)展等。以該項(xiàng)技術(shù)在現(xiàn)代臨床診斷中的應(yīng)用為例，描述了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用范圍的拓寬。最后，總結(jié)了該項(xiàng)技術(shù)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(xiàng)技術(shù)的發(fā)展趨勢；另外，結(jié)合造影劑的分子光聲成像技術(shù)也同樣很有發(fā)展前景。

生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)；光聲成像技術(shù)；圖像重構(gòu)算法；生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

1 引 言

醫(yī)學(xué)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(xué)成像方法有X射線層析成像 （X-ray Tomography）、光學(xué)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(jù)生物組織的密度進(jìn)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(huì)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(xué)成像方法，由于人體許多組織都是強(qiáng)散射或強(qiáng)吸收介質(zhì)，而光在強(qiáng)散射組織中的成像深度只能達(dá)到1 mm左右；MRI技術(shù)設(shè)備價(jià)格昂貴且具有輻射；超聲成像技術(shù)的成像深度雖然比光學(xué)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(nèi)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(shù)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(shù)就是在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生。

光聲效應(yīng)是生物醫(yī)學(xué)光聲成像技術(shù)的理論基礎(chǔ)。所謂光聲效應(yīng)是指當(dāng)寬束短脈沖激光照射生物組織時(shí)，組織內(nèi)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(chǎn)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(shù)是根據(jù)生物組織對光的吸收分布反演組織結(jié)構(gòu)的一種新興的成像模式，它集合了純光學(xué)成像技術(shù)的高對比度以及純超聲成像技術(shù)的高分辨率、高穿透深度等優(yōu)點(diǎn)，非電離且能夠?qū)M織功能成像，該項(xiàng)技術(shù)為臨床醫(yī)學(xué)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(jìn)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(shù)的研究現(xiàn)狀

光聲信號的探測是實(shí)現(xiàn)光聲成像的第一步，而光聲成像技術(shù)的核心是圖像重建算法在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。光聲成像技術(shù)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(gòu)算法，其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)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(shù)在過去的10多年時(shí)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(zhuǎn)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(xué)知識(shí)的開發(fā)和應(yīng)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(shù)的發(fā)展主要遇到的困難是難以實(shí)現(xiàn)快速、實(shí)時(shí)的成像，解決該難題需要在整個(gè)成像過程的第一步加以改進(jìn)，也就對信號探測技術(shù)提出了更高要求。隨著光聲成像技術(shù)的日益發(fā)展，探測光聲信號的技術(shù)路線逐漸增多，如文獻(xiàn)［2］利用聚合物光纖和馬赫-曾德干涉儀實(shí)現(xiàn)環(huán)形光學(xué)探測，提高了信號探測的效率；文獻(xiàn)［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(shè)想，加上特殊配置的分色鏡以及標(biāo)準(zhǔn)CCD鏡頭和新型感應(yīng)探測器，使得成像系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全視場的、非接觸的、高精度的后向光聲探測；而文獻(xiàn)［4］則對已有的聲透鏡成像方法加以改進(jìn)，用可平行采集的聲透鏡實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的二維光聲成像，通過模擬實(shí)驗(yàn)證明了在使用時(shí)間分辨技術(shù)的情況下，可以不需要算法直接對不同物平面的物體同時(shí)顯示各吸收體的分布狀況（實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了4層），不足之處是沒能得到三維圖像；文獻(xiàn)［5］則是以單一脈沖激光作為光源，采取平行探測方式實(shí)現(xiàn)三維光聲成像，實(shí)驗(yàn)中已獲得動(dòng)態(tài)點(diǎn)目標(biāo)和線性目標(biāo)的動(dòng)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(jìn)步主要?dú)w功于光源、數(shù)據(jù)采集以及掃描系統(tǒng)等3個(gè)方面的改進(jìn)。首先，脈沖激光光源的重復(fù)頻率已不再是以前的10 Hz，文獻(xiàn)［6］使用的光源重復(fù)頻率已高達(dá)kHz量級，文獻(xiàn)［7］則使用了更高的6.6 kHz激光重復(fù)頻率，光源重復(fù)頻率的提高，加快了光聲信號的產(chǎn)生過程，大大縮短了信號采集的等待時(shí)間。其次，采集速率的提高可節(jié)省數(shù)據(jù)采集時(shí)間，大大提高成像速度。而數(shù)據(jù)采集速率的提高主要有兩種方法：一是使用多個(gè)采集卡同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，提高硬件設(shè)備水平，提供足夠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，壓縮信號采集的同步時(shí)間來實(shí)現(xiàn)快速采集，但引發(fā)的問題是需要解決多個(gè)采集卡之間的匹配問題；二是將采集多次平均數(shù)據(jù)改為單次采樣，這樣產(chǎn)生的問題是所得測量數(shù)據(jù)的信噪比降低，需要從弱信號當(dāng)中提取目標(biāo)信號，因此就涉及到數(shù)據(jù)處理方法的優(yōu)化選擇，較為常見的數(shù)據(jù)處理方法有小波分析法［8］和信號補(bǔ)償法［9］等。再者，掃描系統(tǒng)硬件方面已從常規(guī)的用步進(jìn)電機(jī)控制超聲換能器探頭移動(dòng)的掃描方式改進(jìn)為使用二維振鏡使光源發(fā)生偏轉(zhuǎn)進(jìn)行成像［10］，加快成像速度的同時(shí)也大大減小了因步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行給系統(tǒng)帶來的強(qiáng)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(xiàn)［11］在無損光聲鑒別前哨淋巴結(jié)（Sentinel Lymph Nodes，SLN）實(shí)驗(yàn)中獲得的圖像分辨率約為500 μm；文獻(xiàn)［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(jìn)步；文獻(xiàn)［13］利用近紅外光源以及馬赫-曾德爾干涉儀進(jìn)行線性探測，通過光聲層析成像技術(shù)對離體鼠心臟的病灶組織進(jìn)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(shí)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(xué)分辨水平，實(shí)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(jià)，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(qiáng)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(yīng)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(shù)興起和快速發(fā)展的10多年時(shí)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(zhuǎn)掃描探測到線性陣列探測器的二維探測再到360°的旋轉(zhuǎn)掃描探測，從手動(dòng)到機(jī)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(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，不斷地加以改進(jìn)和完善，期待在不久的將來能夠?qū)崿F(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(gòu)算法的進(jìn)展

然后采用中國綜合社會(huì)調(diào)查(CGSS)當(dāng)中對社會(huì)信任水平測評的問題對參與者的近鄰信任水平進(jìn)行測量。問題為“在不直接涉及金錢利益的一般社會(huì)交往/接觸中，您覺得您的近鄰當(dāng)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(shí)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(jù)到光聲圖像，圖像重建算法是該過程的核心。

在國內(nèi)，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(yīng)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(zhì)量仍存在影響。文獻(xiàn)［9］進(jìn)行了算法改進(jìn)，每次僅迭代每個(gè)像素的校正值，然后通過對該像素的所有投影數(shù)據(jù)的誤差值進(jìn)行累加，使得原始數(shù)據(jù)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(xiàn)［16］將濾波反投影算法與傳統(tǒng)的迭代算法相結(jié)合，得到與傳統(tǒng)迭代算法相當(dāng)?shù)膱D像質(zhì)量，計(jì)算機(jī)成像時(shí)間僅為原來的1/5。隨后的結(jié)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(guān)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(zhì)量。文獻(xiàn)［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(jié)合，利用有限視場的濾波反投影算法重構(gòu)初始光聲圖像，再通過同步迭代算法對所得圖像進(jìn)行優(yōu)化，數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)構(gòu)和性質(zhì)十分復(fù)雜，而很多算法都是假設(shè)生物組織或模擬樣品是各向同性媒質(zhì)，是聲學(xué)性質(zhì)均勻的介質(zhì)，與實(shí)際應(yīng)用存在較大差距，因此，人們不斷提出新的、更復(fù)雜的圖像重構(gòu)算法。最近出現(xiàn)了兩種新穎的重構(gòu)算法就很有代表性，即文獻(xiàn)［19］采用驗(yàn)前結(jié)構(gòu)信息研究有限角度的光聲圖像重構(gòu)，基于貝葉斯理論和計(jì)算機(jī)模擬，將靶邊界的相關(guān)信息加以利用，有效減小了光聲層析成像重構(gòu)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(gòu)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(shí)際；而文獻(xiàn)［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(zhì)，提出了適合超聲在散射和吸收介質(zhì)中傳播的模型，將主要的超聲源嵌在二維層狀介質(zhì)中，在已知層狀介質(zhì)中超聲傳播速度及介質(zhì)密度的情況下，利用角度光譜的方法處理數(shù)據(jù)，這是光聲成像技術(shù)的又一理論模型，將促進(jìn)光聲成像技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

算法的進(jìn)步，除了依賴計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展外，對數(shù)學(xué)的開發(fā)也是至關(guān)重要的。文獻(xiàn)［21］對光聲成像技術(shù)中的衰減效應(yīng)進(jìn)行建模，利用標(biāo)準(zhǔn)奇異值分解倒置得到積分方程并重新獲得光學(xué)吸收方程，解決衰減效應(yīng)對光聲重構(gòu)圖像造成的偽影和模糊。該小組同時(shí)對光聲成像中超聲速率變化的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化隨機(jī)變換模式進(jìn)行了改進(jìn)，推導(dǎo)出了高階幾何聲學(xué)近似表達(dá)式［22］，同時(shí)考慮了測量信號振幅的一階影響和傳播時(shí)間的高階擾動(dòng)，發(fā)展了結(jié)合高階幾何聲學(xué)近似的迭代重構(gòu)算法，評估了該方法的準(zhǔn)確性及其在圖像質(zhì)量方面的效果。Lihong V.Wang小組則提出了一種自動(dòng)算法（Automatic Algorithm）［23］，可分析皮膚表面產(chǎn)生的光聲信號的振幅與亞表面血管之間的關(guān)系，借助自動(dòng)擬合掃描改善圖像質(zhì)量，已獲得在體實(shí)驗(yàn)結(jié)果。文獻(xiàn)［24，25］提出了K-Wave算法，該算法適用于模擬光聲成像中的時(shí)間反轉(zhuǎn)圖像重構(gòu)，文獻(xiàn)［25］描述了MATLAB程序的架構(gòu)及使用方法，同時(shí)列舉了多個(gè)新穎例子的應(yīng)用。還有蒙特卡羅算法在光聲成像中的應(yīng)用［26，27］等等。這些都是對數(shù)學(xué)工具的研究與開發(fā)，并將其有效地應(yīng)用到科學(xué)領(lǐng)域的成功實(shí)例，因此有效利用數(shù)學(xué)工具可以在算法等方面促進(jìn)光聲成像技術(shù)的發(fā)展。

2.3 光聲成像技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的主要應(yīng)用

現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)上的成像手段繁多，雖然這些方法有的已經(jīng)進(jìn)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(shù)利用光能量的吸收分布來反演組織體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，與組織特性參數(shù)無關(guān)，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(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)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(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用則豐富了許多，例如：文獻(xiàn)［12］利用近紅外波長的激光進(jìn)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(xiàn)［30，31］開展了在體指關(guān)節(jié)的定量光聲層析成像研究，表明該方法具有應(yīng)用于關(guān)節(jié)性疾?。ㄈ绻顷P(guān)節(jié)炎和風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎）早期診斷的潛力。對手臂骨關(guān)節(jié)炎患者與正常人的指間末端分別成像，結(jié)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(shù)具有成為骨關(guān)節(jié)炎診斷有效工具的潛力；文獻(xiàn)［11］在老鼠體內(nèi)注射亞甲基藍(lán)，用光聲成像技術(shù)進(jìn)行SLN的鑒別，得到SLN的高光學(xué)對比度和約500 μm的分辨率，2D圖像的成像深度達(dá)20 mm，3D圖像的成像深度達(dá)到31 mm。這些研究表明，光聲成像技術(shù)具有臨床應(yīng)用的潛在可能性，同時(shí)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(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用研究涉及多種疾病，發(fā)展迅猛。如用光聲成像技術(shù)對離體老鼠心臟病灶組織進(jìn)行成像［13］，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)合［32］，對活老鼠尾部的靜脈和動(dòng)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(xué)相結(jié)合，開發(fā)和測試分子探針在體探測NPR-1（Neutropilin-1 receptor）的表達(dá)［33］，因?yàn)?NPR-1探針與乳腺腫瘤的某種分子會(huì)發(fā)生特殊的結(jié)合，可通過該方法對乳腺腫瘤進(jìn)行光聲光譜分子成像。

光聲成像技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域還可用于前列腺檢測。文獻(xiàn)［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(shí)驗(yàn)研究，與目前前列腺活檢的金標(biāo)準(zhǔn)—超聲成像進(jìn)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(yīng)腫瘤生長情況，因此具有一定的優(yōu)勢。文獻(xiàn)［35］采用光聲層析成像與超聲成像的雙模式成像技術(shù)對犬前列腺癌實(shí)施在體掃描成像，得到的結(jié)果清楚地顯示了前列腺的形態(tài)特征，證明光聲成像技術(shù)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(fù)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(shù)是一種新興的、無損的光學(xué)技術(shù)與超聲技術(shù)相結(jié)合的檢測技術(shù)，不論是在理論研究還是在臨床應(yīng)用方面都將擁有廣闊的前景。光聲成像技術(shù)十幾年的發(fā)展顯示了它能對生物組織內(nèi)一定深度病灶組織的結(jié)構(gòu)和生物化學(xué)信息高分辨率、高對比度成像，而其他技術(shù)則暫不具有這樣的功能。

目前，光聲成像技術(shù)已是生物組織無損檢測領(lǐng)域里備受關(guān)注的研究方向之一，國際上眾多研究學(xué)者將重心轉(zhuǎn)移至此，共同推進(jìn)了光聲成像技術(shù)的不斷向前發(fā)展。目前光聲成像技術(shù)的很多應(yīng)用如光聲內(nèi)窺、光聲光譜以及光聲多普勒測血流等，還處于實(shí)驗(yàn)室階段，只有個(gè)別研究小組已經(jīng)投入臨床前的實(shí)驗(yàn)研究。雖然已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)大面積對動(dòng)物模型能像，成像深度可以達(dá)到幾十個(gè)毫米，所得圖像分辨率也能達(dá)到100 μm等等，但這些優(yōu)點(diǎn)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(jù)預(yù)期要達(dá)到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇合適的波長；其次，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)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(jù)采集仍比較耗時(shí)，因此除了對系統(tǒng)改進(jìn)以外，還需要有快速的數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)等，即對系統(tǒng)硬件要求嚴(yán)格；再者，大比例的光聲圖像重構(gòu)算法對計(jì)算機(jī)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(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的不斷發(fā)展可以了解到，光聲成像技術(shù)將可能向多模式結(jié)合方式發(fā)展，譬如光聲與超聲結(jié)合的雙模式結(jié)構(gòu)，以及最新的光聲與OCT相結(jié)合的模式等等。實(shí)驗(yàn)還表明，光聲成像技術(shù)還將向分子成像方面拓展，在實(shí)驗(yàn)中使用外源性或內(nèi)源性造影劑來有效增強(qiáng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)或腫瘤的結(jié)構(gòu)情況等。這些趨勢為光聲成像技術(shù)對生物組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)、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(shù)將發(fā)展成為新一代生物醫(yī)學(xué)影像技術(shù)。現(xiàn)代科技發(fā)展日新月異，人類的思維不斷擴(kuò)展，相信光聲成像技術(shù)在不久的將來能夠?qū)崿F(xiàn)操作簡單、無損、實(shí)時(shí)和便攜式的操作系統(tǒng)，更好地為臨床服務(wù)。

［1］錢盛友，邢達(dá).光聲結(jié)合用于生物組織成像的研究進(jìn)展［J］.激光生物學(xué)報(bào)，2000，9（3）：228-231.QIAN SH Y，XING D.Research progress in image of biological tissue combining light and sound［J］.Acta Laser Biology Sin.，2000，9（3）：228-231.（in Chinese）

［2］BERER T，GRUN H，HOFER C，et al..Photoacoustic microscopy with large integrating optical annular detectors［J］.SPIE，2009，7371：73710X.

［3］LIN ZH H，LU X ZH，LIN CH，et al..Study of photoacoustic imaging based on DSPI［J］.SPIE，2009，7283：728301.

［4］CHEN X，TANG ZH L，HE Y H，et al..Simultaneous photoacoustic imaging technique using an acoustic imaging lens［J］.J.Biomed.Opt.，2009，14（3）：030511.

［5］GUO Z J，LI CH H，SONG L，et al..Compressed sensing in photoacoustic tomography in vivo［J］.J.Biomed.Opt.，2010，15：021311.

［6］KU G，MASLOV K，LI L，et al..Photoacoustic microscopy with 2-μm transverse resolution［J］.J.Biomed.Opt.，2010，15（2）：021302.

［7］BILLEH Y N，LIU M Y，BUMA T.Spectroscopic photoacoustic microscopy using a photonic crystal fiber supercontinuum source［J］.Opt.Express，2010，18（18）：18519-18524.

［8］譚毅，趙長水，姚景財(cái).基于小波變換的光聲成像算法［J］.陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，25（4）：41-46.TAN Y，ZHAO CH SH，YAO J C.Photoacoustic imaging algorithm based on wavelet transform［J］.J.Shangxi Uniυersity of Technology（Natural Science Edition），2009，25（4）：41-46（in Chinese）.

［9］向良忠，邢達(dá)，古懷民，等.改進(jìn)的同步迭代算法在光聲血管成像中的應(yīng)用［J］.物理學(xué)報(bào)，2007，56（7）：3911-3916.XIANG L ZH，XING D，GU H M，et al..Photoacoustic imaging of blood vessels based on modified simultaneous iterative reconstruction technique［J］.Acta Physica Sinica，2007，56（7）：3911-3916.（in Chinese）

［10］ZHANG H F，WANG J，WEI Q，et al..Collecting back-reflected photons in photoacoustic microscopy［J］.Opt.Express，2010，18（2）：1278-1282.

［11］SONG K H，STEIN E W，MARGENTHALER J A，et al..Noninvasive photoacoustic identification of sentinel lymph nodes containing methylene blue in vivo in a rat model［J］.J.Biomedical Optics，2008，13（5）：1-6.

［12］楊思華，陰廣志.利用近紅外光激發(fā)的光聲血管造影成像［J］.物理學(xué)報(bào)，2009，58（7）：4760-4765.YANG S H，YIN G ZH.Photoacoustic angiography for mouse brain cortex using near-infrared light［J］.Acta Physica Sinica，2009，58（7）：4760-4765.（in Chinese）

［13］HOLOTTA M，GROSSAUER H，KREMSER C，et al..Photoacoustic tomography of pathological tissue in ex-vivo mouse hearts［J］.SPIE，2010，7564：75642X.

［14］WANG Y，XING D，ZENG Y G，et al..Photoacoustic imaging with deconvolution algorithm［J］.Phys.Med.Biol.，2004，49：3117-3124.

［15］楊迪武，邢達(dá)，王毅，等.基于代數(shù)重建算法的有限角度掃描的光聲成像［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25（6）：772-776.YANG D W，XING D，WANG Y，et al..Limited-view scanning photoacoustic imaging based on algebraic reconstruction techniques［J］.Acta Optica Sinica，2005，25（6）：772-776.（in Chinese）

［16］MA S B，GUO H.A novel limited-view photoacoustic reconstruction algorithm combined iteration with back-projection calculation［J］.SPIE，2008，7280：72801G.

［17］YUAN Y，XING D，XIANG L ZH.High-contrast photoacoustic imaging based on filtered back-projection algorithm with velocity potential integration［J］.SPIE，2009，7519：75190L.

［18］YANG D W，XING D，ZHAO X H，et al..A combined reconstruction algorithm for limited-view multi-element photoacoustic imaging［J］.Chin.Phys.Lett.，2010，27（5）：054301.

［19］HUANG CH，ORAEVSKY A A，ANASTASIO M A.Investigation of limited-view image reconstruction in photoacoustic tomography employing a priori structural information［J］.SPIE，2010，7800：780004.

［20］SCHOONOVER R W，ANASTASIO M A.A layered media approach to photoacoustic tomography［J］.SPIE，2010，7800：780003.

［21］MODGIL D，ANASTASIO M A，LA RIVIERE P J.Photoacoustic image reconstruction in an attenuating medium using singular value decomposition［J］.SPIE，2009，7177：71771B.

［22］MODGIL D，LA RIVIERE P J，ANASTASIO M A，et al..Image reconstruction in photoacoustic tomography with variable speed of sound using a higher-order geometrical acoustics approximation［J］.J.Biomed.Opt.，2010，15：021308.

［23］ZHANG H F，MASLOV K，WANG L V.Automatic algorithm for skin profile detection in photoacoustic microscopy［J］.J.Biomed.Opt.，2009，14：024050.

［24］TREEBY B E，COX B T.k-Wave：MATLAB toolbox for the simulation and reconstruction of photoacoustic wave fields［J］.J.Biomed.Opt.，2010，15：021314.

［25］COX B T，TREEBY B E.Effect of sensor directionality on photoacoustic imaging：a study using the k-wave toolbox［J］. SPIE，2010，7564：75640I.

［26］CHEONG Y J，STANTZ K M.Photon propagation correction in 3D photoacoustic image reconstruction using Monte Carlo simulation［J］.SPIE，2010，7564：75640G.

［27］RANASINGHESAGARA J C，ZEMP R J.Monte Carlo modeling for photoacoustic-based transport-regime optical property estimation［J］.SPIE，2010，7564：75640F.

［28］KOLKMAN R G M，THUMMA K K，TEN BRINKE G A，et al..Photoacoustic imaging of tumor angiogenesis［J］.SPIE，2008，6856：685602.

［29］JANKOVIC L，SHAHZAD K，WANG Y，et al..In vivo photoacoustic imaging of nude mice vasculature using a photoacoustic imaging system based on a commercial ultrasound scanner［J］.SPIE，2008，6856：68560N.

［30］SUN Y，SOBEL E，JIANG H B.Quantitative three-dimensional photoacoustic tomography of the finger joints：an in vivo study［J］.J.Biomed.Opt.，2009：14：064002.

［31］SUN Y，JIANG H B，SOBEL E.In vivo detection of osteoarthritis in the hand with three-dimensional photoacoustic tomography［J］.SPIE，2010，7548：75484H.

［32］LIU B，KRUGER R，REINECKE D，et al..Monitor hemoglobin concentration and oxygen saturation in living mouse tail using photoacoustic CT scanner［J］.SPIE，2010，7564：756439.

［33］STANTZ K M，CAO M S，LIU B，et al..Molecular imaging of neutropilin-1 receptor using photoacoustic spectroscopy in breast tumors［J］.SPIE，2010，7564：75641O.

［34］YASEEN M A，ERMILOV S A，BRECHT H P，et al..Optoacoustic imaging of the prostate：development toward imageguided biopsy［J］.J.Biomed.Opt.，2010，15：021310.

［35］WANG X D，ROBERTS W W，CARSON P L，et al..Photoacoustic tomography：a potential new tool for prostate cancer［J］.Biomedical Opt.Express，2010，1（4）：1117-1126.

［36］SILVERMAN R H，KONG F，CHEN Y C，et al..High-resolution photoacoustic imaging of ocular tissues［J］.Ultrasound in Med.＆amp;Biol.，2010，36（5）：733-742.

［37］JIAO SHL，JIANG M SH，HU J M，et al..Photoacoustic ophthalmoscopy for in vivo retinal imaging［J］.Opt.Express，2010，18（4）：3967-3972.

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(xué)光子技術(shù)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(xué)光子技術(shù)及其應(yīng)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(dǎo)師，主要從事生物醫(yī)學(xué)光子技術(shù)方面的研究。

E-mail：hli@fjnu.edu.cn