基于光聲成像的生物組織微結(jié)構(gòu)定征研究進(jìn)展?

張濤 陶超 劉曉峻

(南京大學(xué)聲學(xué)研究所 近代聲學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210093)

0 引言

生物活體組織的定征和分類不僅對(duì)于生命科學(xué)基礎(chǔ)研究具有重要科學(xué)價(jià)值，而且對(duì)于藥學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域也有著重要應(yīng)用前景。因此，組織定征和分類得到生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的持續(xù)關(guān)注[1?3]。

利用光學(xué)成像方法是最常用的生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，并被廣泛地應(yīng)用于組織病理切片檢查等領(lǐng)域。基于每種原子和分子均具有獨(dú)特的光譜特性，光學(xué)成像可以特異性地檢測(cè)生物組織生化成分，從而靈敏地反映生物組織的功能信息。因此，光學(xué)成像具有對(duì)比度高、區(qū)分度好、功能信息豐富的優(yōu)點(diǎn)。為此，人們研發(fā)出多種光學(xué)成像系統(tǒng)，包括共聚焦激光掃描顯微鏡[4]、雙光子顯微鏡[5]、光學(xué)相干斷層成像[6]等，這些光學(xué)成像技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)上取得諸多的成功應(yīng)用。但是，由于生物組織是光的強(qiáng)散射媒質(zhì)，光波在組織中傳播的平均自由程僅1 mm[7]。當(dāng)超過(guò)這個(gè)深度后，強(qiáng)烈的隨機(jī)散射會(huì)干擾光束的有效聚焦。所以，在強(qiáng)散射組織中，光學(xué)方法成像深度受限，通常只能獲得深度1 mm以內(nèi)高質(zhì)量組織圖像，當(dāng)成像深度大于1 mm時(shí)，其空間分辨率嚴(yán)重下降，大約僅有成像深度的1/3[8]。

聲學(xué)成像由于其生物安全性高、成像深度深、經(jīng)濟(jì)易用等特點(diǎn)，而成為臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用最廣泛的成像技術(shù)之一。聲學(xué)成像以聲波為信息載體，聲波是機(jī)械波，相較于光波，其波長(zhǎng)更長(zhǎng)。因此生物組織對(duì)聲波的散射強(qiáng)度遠(yuǎn)弱于其對(duì)光波的散射強(qiáng)度，組織中的聲散射比光散射要弱2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。這使得在深層組織中，聲學(xué)成像的空間分辨率可以達(dá)到成像深度的1/200，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于光學(xué)成像[7]。傳統(tǒng)聲學(xué)成像的成像參數(shù)來(lái)自組織的力學(xué)參數(shù)，比如B超利用組織聲阻抗差異用超聲回波進(jìn)行圖像重構(gòu)。但是，軟組織中各種成分的聲阻抗差異并不顯著，所以聲學(xué)成像的對(duì)比度不高，分辨組織的功能特性不如光學(xué)成像那樣敏感。

光聲成像是基于光聲效應(yīng)的一種新型復(fù)合無(wú)創(chuàng)生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)[7]。當(dāng)生物組織被脈沖或者調(diào)制激光照射后，組織中的光吸收體吸收激光能量而產(chǎn)生瞬時(shí)熱膨脹，進(jìn)而向周圍媒質(zhì)輻射超聲波，這就是光聲效應(yīng)[9?10]。光聲效應(yīng)激發(fā)出來(lái)的超聲波信號(hào)又叫光聲信號(hào)。通過(guò)接收組織激發(fā)出來(lái)的光聲信號(hào)，可以反演組織中的光吸收系數(shù)空間分布，并構(gòu)建圖像?？梢赃@樣說(shuō)，光聲成像過(guò)程以超聲波為載體，獲取組織深處的光學(xué)吸收信息。因此，光聲成像兼具了聲學(xué)成像在深層組織中成像深度深、空間分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，又具有光學(xué)成像對(duì)比度高、功能信息豐富的優(yōu)點(diǎn)[7,11]。而且，由于光聲成像是非電離輻射的成像技術(shù)，故相較于X射線成像和CT成像等這種電離輻射成像手段，光聲成像生物組織安全性好。因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，光聲成像得到了極大的發(fā)展并且已經(jīng)融入了各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，比如腫瘤檢測(cè)[12?13]、微血管成像[14]、骨關(guān)節(jié)炎評(píng)估[15]、毒品安檢[16]等。

本文簡(jiǎn)要地解釋了光聲成像的基本原理，以及光聲顯微鏡成像(Photoacoustic microscopy,PAM)和光聲計(jì)算機(jī)斷層成像(Photoacoustic computed tomography,PACT)這兩種典型的光聲成像實(shí)現(xiàn)方案，最后綜述了從光聲信號(hào)中提取組織微結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的研究，并討論它們?cè)诮M織分類中的潛在應(yīng)用。

1 光聲成像原理與技術(shù)實(shí)現(xiàn)

1.1 光聲成像基本原理

光聲成像系統(tǒng)利用脈沖激光或調(diào)制激光照射生物組織，組織中的光吸收體吸收激光能量導(dǎo)致溫度升高，如果脈沖激光寬度小于熱激發(fā)弛豫時(shí)間，光吸收體在極短的時(shí)間內(nèi)吸收大量激光能量而產(chǎn)生局部壓力，然后激光照射消失，熱脹冷縮使得這種局部壓力釋放，并向周圍媒質(zhì)輻射超聲波，這就是所謂的光聲效應(yīng)，光聲效應(yīng)產(chǎn)生的超聲波又被稱為光聲波或光聲信號(hào)。對(duì)于任一時(shí)刻t、空間任一位置r處，光聲波的壓強(qiáng)p(r,t)的時(shí)空分布由公式(1)描述[17]：

其中，聲源分布p0(r0)=Γ(r0)A(r0)，c是組織中的聲速，τ(t)是激光脈沖的脈寬，Γ(r)和A(r)是成像區(qū)域的Grüneisen系數(shù)和光吸收系數(shù)的空間分布函數(shù)。組織內(nèi)部激發(fā)出來(lái)的光聲信號(hào)經(jīng)傳播后，會(huì)被布置在組織周圍的超聲換能器或者超聲換能器陣列接收到，根據(jù)接收到的光聲信號(hào)p(r,t)，求解光聲傳播的逆問(wèn)題，從而反演光聲聲源的空間分布p0(r0)[18?21]，并且據(jù)此獲得光聲圖像。因?yàn)槁曉捶植紁0(r0)與成像區(qū)域的光吸收系數(shù)空間分布A(r0)成正比，所以光聲圖像的對(duì)比度與組織中的光吸收系數(shù)分布相關(guān)。正因?yàn)槿绱?，光聲成像與光學(xué)成像一樣，具有豐富的光學(xué)對(duì)比度，能夠無(wú)標(biāo)記地獲取組織的生化和功能信息。另一方面，光聲成像過(guò)程中，光吸收信息是以超聲波為載體傳播并被檢測(cè)到的，由于超聲波在生物組織中低散射、低衰減、高穿透的特性，光聲成像又像超聲成像一樣能夠獲得組織深處高分辨率的圖像。

根據(jù)光聲信號(hào)的激發(fā)、接收方式的不同，光聲成像技術(shù)可以大致分成光聲顯微鏡成像和光聲計(jì)算機(jī)斷層成像兩類實(shí)現(xiàn)方案。根據(jù)需求的不同，它們可用于達(dá)到不同的空間分辨率和成像深度。

1.2 光聲顯微鏡

光聲顯微鏡通常將脈沖激光聚焦在成像樣品上激發(fā)光聲信號(hào)，并利用點(diǎn)聚焦超聲換能器接收光聲信號(hào)，為了獲得最優(yōu)的探測(cè)靈敏度和成像分辨率，通常需要使得聲焦點(diǎn)與光焦點(diǎn)共聚焦[22?24]，見(jiàn)圖1(a)。根據(jù)每一點(diǎn)接收到的光聲信號(hào)強(qiáng)弱可以反演該點(diǎn)光吸收系數(shù)大??；根據(jù)接收到的光聲信號(hào)延時(shí)，可以計(jì)算光吸收體在超聲換能器聲軸上的位置，從而獲得該點(diǎn)的一維圖像。進(jìn)一步通過(guò)逐點(diǎn)掃描樣本，不需要復(fù)雜的成像算法，就可以得到樣品二維或三維的光聲圖像。

圖1 光聲顯微鏡成像系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of photoacoustic imaging systems

當(dāng)成像深度小于生物組織的光學(xué)平均自由程時(shí)(約1 mm)，由于激光能夠在此深度范圍內(nèi)有效聚焦，光焦點(diǎn)大小可以達(dá)到光學(xué)衍射極限，光學(xué)聚焦性能優(yōu)于聲學(xué)聚焦性能，光學(xué)焦點(diǎn)小于聲學(xué)焦點(diǎn)，此時(shí)光聲顯微鏡系統(tǒng)的側(cè)向分辨率(也就是垂直于聲軸和光軸的面)主要取決于光學(xué)焦點(diǎn)的大小，可以達(dá)到0.51λopt/NA，NA是光學(xué)透鏡的數(shù)值孔徑，λopt是激光的波長(zhǎng)。因?yàn)榉直媛适羌す饨裹c(diǎn)決定的，這種光聲顯微鏡系統(tǒng)又被稱為光學(xué)分辨率光聲顯微鏡(Optic-resolution PAM,OR-PAM)。而圍繞光學(xué)焦點(diǎn)與聲學(xué)焦點(diǎn)共聚焦的問(wèn)題，很多新穎的解決方案被提了出來(lái)，例如換能器與光源相對(duì)放置在樣品兩側(cè)的檢測(cè)方式[25?27]；亦或使用允許激光從中間通過(guò)的環(huán)形換能器進(jìn)行檢測(cè)[28]；采用夾膠透明棱鏡折射聲路的探測(cè)方案[23,29]；此外，通過(guò)增加聲反射板的反射式光學(xué)分辨率光聲顯微鏡系統(tǒng)，見(jiàn)圖1(b)，可以在不要求定制改動(dòng)光學(xué)、聲學(xué)硬件的情況下，大幅提高聲學(xué)探測(cè)靈敏度，進(jìn)而提高成像質(zhì)量[30]。雖然光學(xué)分辨率光聲顯微鏡的成像深度僅有1 mm左右，但是它最高可以提供納米級(jí)的側(cè)向分辨率[31]。

當(dāng)成像深度大于1 mm、光焦點(diǎn)深度超過(guò)生物組織的光學(xué)平均自由程時(shí)，由于組織對(duì)激光強(qiáng)烈散射作用，光學(xué)聚焦質(zhì)量變差，聲學(xué)聚焦開(kāi)始優(yōu)于光學(xué)聚焦，聲焦點(diǎn)大小小于光焦點(diǎn)大小。這種情況下，光聲顯微鏡的側(cè)向分辨率取決于聲焦點(diǎn)尺寸0.71·vs/(f0·NA)，其中vs、f0、NA分別為組織中聲速、光聲信號(hào)中心頻率、聲學(xué)數(shù)值孔徑[7]。由于這種類型的光聲顯微鏡其側(cè)向分辨率取決于聲焦點(diǎn)大小，因此它又被稱為聲學(xué)分辨率光聲顯微鏡(Acoustic-resolution PAM,AR-PAM)[24]。聲學(xué)分辨率光聲顯微鏡的成像深度可達(dá)幾毫米至幾十毫米，成像分辨率可達(dá)幾十微米到一兩百微米。此外，通過(guò)綜合運(yùn)用超聲-光聲多模成像技術(shù)、合成孔徑成像與虛擬點(diǎn)探測(cè)器等一系列新技術(shù)[32?33]，可以進(jìn)一步提高聲學(xué)分辨率光聲顯微鏡的成像質(zhì)量。如圖1(c)所示，采用自校準(zhǔn)聲速虛擬點(diǎn)探測(cè)器的方法，可以顯著提高聲學(xué)分辨率光聲顯微鏡非聚焦區(qū)域的圖像質(zhì)量。

光聲顯微鏡需要通過(guò)逐點(diǎn)掃描樣品，獲得光聲圖像，這一過(guò)程限制了光聲顯微鏡在較大成像區(qū)域的成像時(shí)間，而光聲計(jì)算機(jī)斷層成像則可以提供更深的成像深度、更大的成像區(qū)域、更快的成像速度。

1.3 光聲計(jì)算機(jī)斷層成像

光聲計(jì)算機(jī)斷層成像采用非聚焦光源照射整個(gè)成像區(qū)域，然后利用包圍成像區(qū)域放置的非聚焦或線聚焦超聲換能器陣列接收來(lái)自樣品的光聲信號(hào)(見(jiàn)圖2)，并通過(guò)求解光聲傳播的逆問(wèn)題重構(gòu)光聲圖像。光聲計(jì)算機(jī)斷層成像的圖像構(gòu)建依賴計(jì)算機(jī)計(jì)算和圖像重構(gòu)算法，常見(jiàn)的重構(gòu)算法有反相投影算法[21,34]、延時(shí)求和法[35]，目前廣泛采用的通用反相投影重構(gòu)公式由Xu等[21]提出：

其中，p0(r)為位置r處的初始聲壓，Ω0是測(cè)量面S0關(guān)于重構(gòu)點(diǎn)的立體角，ns0是測(cè)量面關(guān)于源點(diǎn)的單位法向量。

此外，為了克服組織非均勻聲學(xué)特性對(duì)成像效果的不良影響，人們還提出了利用虛擬聲源實(shí)現(xiàn)格林函數(shù)重構(gòu)[18]，將隨機(jī)矩陣?yán)碚摰臑V波算法與時(shí)間反轉(zhuǎn)法相結(jié)合[19]，以及全矩陣相干濾波器[20]等多種成像算法，提升光聲計(jì)算機(jī)斷層成像的成像效果。

光聲計(jì)算機(jī)斷層成像的成像深度可達(dá)6～7 cm，其成像軸向分辨率取決于超聲換能器的帶寬?f，為0.88·vs/?f[7]，vs是組織中的聲速。因此，光聲計(jì)算機(jī)斷層成像的空間分辨率和穿透深度可以通過(guò)選擇具有合適頻率和帶寬的超聲換能器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

總而言之，光學(xué)分辨率的光聲顯微鏡、聲學(xué)分辨率的光聲顯微鏡、光聲計(jì)算機(jī)斷層成像在成像深度和成像分辨率上提供了多尺度的生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。

圖2 光聲計(jì)算機(jī)斷層成像系統(tǒng)示意圖[36]Fig.2 Schematic diagram of photoacoustic computed tomography[36]

2 光聲信號(hào)中的組織微結(jié)構(gòu)信息

基于分子特定的選擇性光吸收特性，光聲成像能夠靈敏地揭示組織的分子構(gòu)成的差異。利用不同波長(zhǎng)或者復(fù)合波長(zhǎng)的脈沖激光激發(fā)光聲信號(hào)，光聲成像成功無(wú)標(biāo)記地獲取了細(xì)胞核、脂肪和蛋白質(zhì)、血氧飽和度、血紅蛋白濃度、血管的高對(duì)比度圖像[13,28,30?32,37?39](見(jiàn)圖3)。

圖3 生物組織中的光聲成像Fig.3 Photoacoustic imaging in vivo

然而，除了生化組分和分子信息外，生物組織的微結(jié)構(gòu)特性，例如微結(jié)構(gòu)尺寸、微結(jié)構(gòu)數(shù)量密度、微結(jié)構(gòu)彈性等，也是區(qū)分不同組織類型的有效標(biāo)識(shí)。并且，組織的生理功能與其微結(jié)構(gòu)特性密切相關(guān)，因此對(duì)組織微結(jié)構(gòu)信息的評(píng)估有著極高的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用價(jià)值。光學(xué)分辨率的光聲顯微鏡雖然具有足夠高分辨率揭示組織的微觀形態(tài)，但是它的成像深度僅有1 mm，并不適合對(duì)深層組織微結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行原位檢查。聲學(xué)分辨率的光聲顯微鏡和光聲計(jì)算機(jī)斷層成像能夠獲得深層組織的圖像，并且具有聲學(xué)分辨率精度。它們的分辨率主要取決于接收到的光聲信號(hào)的頻率及帶寬，因此，必須采集高頻、寬帶的光聲信號(hào)，以獲得足夠的分辨率來(lái)呈現(xiàn)組織的精細(xì)結(jié)構(gòu)。但由于超聲波在生物組織中傳播衰減隨著頻率的升高而增加，高頻超聲波在組織中的強(qiáng)衰減會(huì)嚴(yán)重制約這兩種成像技術(shù)的成像深度。例如，為了獲得45μm的成像分辨率，接收的光聲信號(hào)中心頻率需要高達(dá)50 MHz，在如此高的頻率下，聲波僅能在組織中傳播約3 mm[40]?？偠灾?，評(píng)估深層組織的微觀結(jié)構(gòu)信息依然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的課題。

近期，一系列研究揭示光聲的原始射頻信號(hào)含有與生物組織微觀特性相關(guān)的豐富復(fù)合信息，通過(guò)對(duì)光聲射頻信號(hào)的分析，從而提取與生物組織的微結(jié)構(gòu)相關(guān)的特性參量，為組織分類提供的新的視野和技術(shù)可能性。

2.1 微結(jié)構(gòu)尺寸

組織的微觀結(jié)構(gòu)的特征尺寸是組織的一項(xiàng)基本屬性，它指的是構(gòu)成組織微小單元的大小，例如細(xì)胞團(tuán)或色素團(tuán)的大小、微血管的直徑等[41?42]。因?yàn)閷?shí)際組織的微結(jié)構(gòu)的空間分布具有隨機(jī)性，其光聲信號(hào)總是呈現(xiàn)出類似噪聲信號(hào)的隨機(jī)性。所以，對(duì)信號(hào)隨機(jī)波形的分析難以揭示組織的微觀結(jié)構(gòu)特征尺度。然而，通過(guò)對(duì)光聲信號(hào)功率譜的研究，可以有效地提取與組織微觀結(jié)構(gòu)尺度相關(guān)的特征參量。光聲信號(hào)功率譜分析是提取組織微結(jié)構(gòu)特性的一個(gè)有效的工具[43?44]。人們利用蒙特卡洛模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)光聲信號(hào)的功率譜性質(zhì)和紅細(xì)胞聚集水平相關(guān)[42]，還和單個(gè)紅細(xì)胞的形態(tài)學(xué)相關(guān)[45]。另外，在離體實(shí)驗(yàn)中，人們也發(fā)現(xiàn)癌變組織與正常組織的光聲功率譜有著顯著的差異[46]。

Yang等[47]理論解析了微結(jié)構(gòu)尺寸和歸一化光聲功率譜之間的關(guān)系：

公式(3)成功預(yù)測(cè)了隨機(jī)微觀結(jié)構(gòu)光聲信號(hào)功率譜的幾個(gè)基本性質(zhì)：(1)隨機(jī)組織的光聲信號(hào)有確定性的功率譜特性，微結(jié)構(gòu)特征尺寸越大，其產(chǎn)生的光聲信號(hào)功率譜帶寬更窄，反之則功率譜帶寬更寬。(2)歸一化光聲信號(hào)功率譜的斜率與系統(tǒng)增益、光源強(qiáng)度等測(cè)量設(shè)備參數(shù)無(wú)關(guān)，而僅與組織微結(jié)構(gòu)特性有關(guān)，因此，光聲頻譜參數(shù)可以提供排除系統(tǒng)響應(yīng)影響的定量結(jié)果[41]。(3)光聲功率譜的差異可以通過(guò)對(duì)功率譜進(jìn)行最佳線性擬合得到頻譜斜率參數(shù)進(jìn)行量化。微結(jié)構(gòu)尺寸越大，功率譜斜率越小。所以光聲功率譜斜率可以量化組織微結(jié)構(gòu)的特征尺寸。一個(gè)更有趣的發(fā)現(xiàn)是，上述性質(zhì)在光聲信號(hào)的低頻段依然是成立的，因此，光聲功率譜斜率作為成像參數(shù)，可以區(qū)分聲學(xué)亞波長(zhǎng)尺寸的微結(jié)構(gòu)，從而有望利用低頻窄帶光聲信號(hào)對(duì)深層組織的隨機(jī)微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析。理論分析的結(jié)論很快就被含有微球仿體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了[47?50]。基于此，采用光聲功率譜斜率便能有效地根據(jù)不同的微結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)深層組織進(jìn)行分類[51]。如圖4(c)所示，對(duì)健康牙齒牙冠以光聲信號(hào)的頻譜斜率為對(duì)比度參數(shù)成像時(shí)，可以看到牙齒有清晰的兩層結(jié)構(gòu)，其中牙本質(zhì)對(duì)應(yīng)頻譜低斜率區(qū)域，牙釉質(zhì)對(duì)應(yīng)頻譜高斜率區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了對(duì)牙本質(zhì)與牙釉質(zhì)的有效區(qū)分。接著，這個(gè)理論還被成功地拓展到由非均勻尺寸的微結(jié)構(gòu)中或者微血管網(wǎng)絡(luò)中[42,52]。聲學(xué)分辨率光聲顯微鏡同樣能對(duì)深層組織進(jìn)行分類，其成像對(duì)比度源自組織的光吸收特性，而其側(cè)向分辨率則取決于聲焦點(diǎn)的大小。當(dāng)微結(jié)構(gòu)尺寸小于聲焦點(diǎn)時(shí)，就需要提高成像系統(tǒng)的中心頻率，而高頻聲波在組織中的強(qiáng)散射特性，又反過(guò)來(lái)制約了成像深度。也就是說(shuō)，對(duì)于聲學(xué)亞波長(zhǎng)光吸收體，聲學(xué)分辨率光聲顯微鏡無(wú)法對(duì)微結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行區(qū)分。而基于頻譜參數(shù)，可以定量地表征微結(jié)構(gòu)的尺寸，并以微結(jié)構(gòu)尺寸為對(duì)比度參數(shù)進(jìn)行成像，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)深層組織中聲學(xué)亞波長(zhǎng)尺寸微結(jié)構(gòu)的區(qū)分[42]。如圖5所示，對(duì)于中心頻率為4.39 MHz的傳統(tǒng)光聲顯微鏡，無(wú)法區(qū)分厘米量級(jí)深度下60μm以及150μm尺度的微血管網(wǎng)絡(luò)，而以功率譜斜率為成像參數(shù)的成像結(jié)果則可以進(jìn)行區(qū)分。

圖4 對(duì)一顆健康牙齒牙冠的光聲成像結(jié)果[51]Fig.4 Photoacoustic imaging of the crown of a healthy tooth[51]

圖5 對(duì)聲學(xué)亞波長(zhǎng)尺寸微血管仿體成像結(jié)果[42]Fig.5 Photoacoustic imaging of acoustic sub-wavelength sized microvascular phantom[42]

光聲信號(hào)的功率譜性質(zhì)為解決一系列常規(guī)成像手段面臨的實(shí)際難題提供了新的解決方案，這些問(wèn)題有設(shè)備依賴性、微結(jié)構(gòu)尺寸的量化和隨機(jī)微結(jié)構(gòu)的可重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，以及聲學(xué)亞波長(zhǎng)尺寸結(jié)構(gòu)的定量評(píng)估與分類。這些優(yōu)點(diǎn)說(shuō)明了，功率譜參數(shù)可以克服成像分辨率和成像深度之間的沖突，并且為探測(cè)深層組織的隨機(jī)微結(jié)構(gòu)尺寸提供了有價(jià)值的工具。所以，光聲信號(hào)的功率譜分析被發(fā)現(xiàn)有一系列的潛在應(yīng)用，包括血管網(wǎng)絡(luò)增生、早期牙體病變檢測(cè)、肝臟組織分化、腫瘤檢測(cè)、骨骼檢查等[42,46,51,53?55]。

2.2 微結(jié)構(gòu)數(shù)量密度

組織微結(jié)構(gòu)數(shù)量密度是組織的另一個(gè)重要屬性。微結(jié)構(gòu)數(shù)量密度是指單位體積內(nèi)特定的微小單元的數(shù)量，例如微血栓、細(xì)胞團(tuán)、血管數(shù)量密度等[26,56]。研究表明統(tǒng)計(jì)學(xué)方法也是評(píng)估組織微結(jié)構(gòu)特性的一種有效手段。超聲檢測(cè)技術(shù)的研究表明超聲回波信號(hào)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)可以反映肝臟纖維化程度[57]、骨質(zhì)疏松程度[58]、區(qū)分良性或惡性腫瘤[59]、評(píng)估乳房腫塊等[60]。光聲檢測(cè)的研究也表明，光聲信號(hào)的包絡(luò)統(tǒng)計(jì)性質(zhì)在檢測(cè)組織微結(jié)構(gòu)方面也極具價(jià)值。隨機(jī)分布的紅細(xì)胞光聲信號(hào)包絡(luò)統(tǒng)計(jì)直方圖可以很好地用瑞利分布擬合[41]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)參數(shù)或者包絡(luò)統(tǒng)計(jì)直方圖的變化可以區(qū)分不同組織[61]或者檢測(cè)出混合有黑色素瘤細(xì)胞的紅細(xì)胞[62]。最近，Nakagami統(tǒng)計(jì)被用來(lái)分析光聲信號(hào)包絡(luò)R(t)的統(tǒng)計(jì)特性，并對(duì)隨機(jī)微結(jié)構(gòu)的數(shù)量密度進(jìn)行定量化研究[63]。Nakagami分布的概率密度函數(shù)為[64]

其中，信號(hào)包絡(luò)R可以用希爾伯特變換計(jì)算，Γ和U是Gamma函數(shù)和單位階躍函數(shù)。參數(shù)m、Ω分別代表Nakagami形狀參數(shù)和尺度因子，決定了概率密度函數(shù)f(R)的形狀和范圍。尺度因子Ω不僅與微結(jié)構(gòu)的內(nèi)在特征有關(guān)，還與測(cè)量系統(tǒng)特性有關(guān)，例如激光強(qiáng)度和系統(tǒng)增益等。然而，形狀參數(shù)m僅與微結(jié)構(gòu)的分布形狀有關(guān)。參數(shù)m和Ω可以用最小二乘法擬合來(lái)確定，或者可以用m=[E(R2)]2/E[R2?E(R2)]2和Ω=E(R2)來(lái)確定，E代表數(shù)學(xué)期望值。理論計(jì)算仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明，Nakagami形狀參數(shù)m是一個(gè)與測(cè)量系統(tǒng)無(wú)關(guān)的統(tǒng)計(jì)參量，它會(huì)隨著微結(jié)構(gòu)數(shù)量密度的增加而單調(diào)地增加，因此可定量地衡量微結(jié)構(gòu)的數(shù)量密度[63]。結(jié)合了Nakagami形狀參數(shù)和功率譜斜率參數(shù)的光聲計(jì)算機(jī)斷層成像系統(tǒng)，成功地區(qū)分了具有不同微結(jié)構(gòu)特性的實(shí)驗(yàn)仿體[63]。如圖6(a)所示，依據(jù)仿體微結(jié)構(gòu)尺寸和數(shù)量密度的差異，樣品分為S1、S2、S3三個(gè)等大小的子區(qū)域。圖6(d)顯示以光聲信號(hào)功率譜斜率為參數(shù)成像成功地區(qū)分了不同尺寸的微結(jié)構(gòu)，而圖6(e)顯示以Nakagami形狀參數(shù)m為參數(shù)成像成功地區(qū)分了不同濃度的微結(jié)構(gòu)。

圖6 混合仿體的多成像參數(shù)光聲計(jì)算機(jī)斷層成像結(jié)果[63]Fig.6 Photoacoustic computed tomography imaging of the mixture phantom with different imaging parameters[63]

2.3 微結(jié)構(gòu)彈性

組織中微結(jié)構(gòu)的彈性是一個(gè)組織特性的重要標(biāo)記參數(shù)，它可以用來(lái)區(qū)分不同組織，識(shí)別多種涉及組織病變的疾病，例如肝硬化[65]、動(dòng)脈粥樣硬化[66]和前列腺癌[67]等。已有很多技術(shù)方法用來(lái)評(píng)估材料的彈性特性[68?71]，然而它們各有其優(yōu)缺點(diǎn)。超聲彈性成像是一種無(wú)侵入式的并且被廣泛用于臨床檢測(cè)組織彈性的手段，但是受限于超聲的波長(zhǎng)，這種手段僅適用于較大尺度組織。超聲共振法是另一個(gè)常用的彈性檢測(cè)的技術(shù)，但它往往要利用接觸式換能器激發(fā)待測(cè)物的機(jī)械共振，并利用接觸式換能器或光學(xué)技術(shù)檢測(cè)物體的振動(dòng)信息，其中的光學(xué)技術(shù)雖然是非接觸式的，比如激光多普勒干涉儀，但如果待測(cè)目標(biāo)浸在渾濁的媒介中(生物組織普遍符合這一情況)，光的強(qiáng)散射就會(huì)限制它的應(yīng)用。此外，這種辦法需要把樣品切割成特定的形狀，所以超聲共振法并不適合用于非均勻的生物活體組織。原子力顯微鏡可以提供高精度的局部彈性檢測(cè)，但是，它僅局限于表面或者亞表面的檢測(cè)。

最近，通過(guò)測(cè)量彈性光吸收物體產(chǎn)生的光聲信號(hào)，人們發(fā)現(xiàn)了光聲本征振動(dòng)現(xiàn)象[72]。當(dāng)彈性光吸收體被脈沖激光照射時(shí)，彈性體會(huì)吸收光能并由于熱彈效應(yīng)釋放出超聲波。當(dāng)激光照射撤去后，彈性體由于慣性和彈性會(huì)持續(xù)振動(dòng)一段時(shí)間并持續(xù)向周圍組織發(fā)出超聲波，如圖7(a)所示。由于彈性體在此階段處于自由振動(dòng)狀態(tài)，其振動(dòng)模式和彈性體的本征振動(dòng)模式相關(guān)，而輻射的超聲波的頻譜則和彈性體的本征振動(dòng)頻率有關(guān)，也就是說(shuō)光聲信號(hào)里包含了彈性體的本征振動(dòng)信息。由于本征振動(dòng)模式和本征頻率取決于彈性參數(shù)，所以通過(guò)分析光聲信號(hào)的頻譜特性，還可以反演微結(jié)構(gòu)的彈性特性。通過(guò)利用這個(gè)辦法對(duì)各種材料的彈性參數(shù)的成功測(cè)量，證明了光聲本征譜理論的正確性和應(yīng)用潛力[72?74]。

圖7 對(duì)鈣鈦礦晶體MAPbBr3的光聲本征譜分析[74]Fig.7 Photoacoustic spectrum analysis of perovskite MAPbBr3[74]

相比于其他彈性檢測(cè)方法，光聲本征譜法有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。首先，它可以一次測(cè)得樣品的所有彈性參數(shù)，無(wú)需對(duì)樣品進(jìn)行特定方向的切割；第二，這個(gè)方法完全是非接觸式的，無(wú)論是振動(dòng)的激發(fā)還是信號(hào)的檢測(cè)，都無(wú)需接觸被測(cè)樣品；第三，不同于激光超聲法[75]，這種方法檢測(cè)的是從振動(dòng)樣品向外輻射的超聲信號(hào)，而不是直接檢測(cè)振動(dòng)樣品表面的位移。這些特點(diǎn)使得這種方法適用于稀有的、易碎的和小型的樣品，尤其是當(dāng)樣品浸在渾濁的以及不透明的液體媒質(zhì)中的情形，這給檢測(cè)生物組織不同區(qū)域的彈性差異提供了新的可能。

傳統(tǒng)的光聲成像技術(shù)的對(duì)比度來(lái)源于組織的光吸收特性，但光聲信號(hào)的激發(fā)、傳播過(guò)程涉及光學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等多種物理效應(yīng)，因此光聲成像具有檢測(cè)組織多種參數(shù)的優(yōu)勢(shì)。本文詳細(xì)討論了通過(guò)檢測(cè)組織微結(jié)構(gòu)的尺寸、數(shù)量密度、彈性，利用多種光聲成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)組織微結(jié)構(gòu)特征的非侵入性檢測(cè)。其中，微結(jié)構(gòu)的數(shù)量密度參數(shù)，是從光聲信號(hào)時(shí)域上的包絡(luò)統(tǒng)計(jì)分析獲得的；而微結(jié)構(gòu)的尺寸與彈性則是通過(guò)對(duì)光聲信號(hào)功率譜的分析得到，其差異在于彈性參數(shù)與樣品的本征振動(dòng)信息相關(guān)，故在功率譜分析時(shí)只對(duì)尾波進(jìn)行處理。同時(shí)，彈性是微結(jié)構(gòu)的宏觀屬性，與微結(jié)構(gòu)的尺寸、數(shù)量密度息息相關(guān)，例如，乳腺腫瘤區(qū)域的血管數(shù)量密度異常增大，其彈性較大[13]?？梢缘玫絾l(fā)，通過(guò)對(duì)組織進(jìn)行多維度參數(shù)的表征，可以大大豐富組織分類信息，進(jìn)而提高組織分類的準(zhǔn)確度。

3 展望

近二十年來(lái)，由于光聲成像技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)和其巨大的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用潛力，關(guān)于光聲技術(shù)的研究一直得到各國(guó)研究團(tuán)隊(duì)的高度重視。本文介紹了光聲成像的物理基礎(chǔ)，以及光聲顯微鏡和光聲計(jì)算機(jī)斷層成像這兩種主要的光聲成像實(shí)現(xiàn)方案，并且討論了它們?cè)诔上裆疃群统上穹直媛噬闲阅艿牟町悺Ｗ詈蠼榻B了根據(jù)光聲信號(hào)對(duì)組織微結(jié)構(gòu)特征評(píng)估的研究。

光聲信號(hào)的光聲功率譜斜率反映了組織的微結(jié)構(gòu)特征尺寸；光聲信號(hào)包絡(luò)的統(tǒng)計(jì)特性包含有微結(jié)構(gòu)的數(shù)量密度信息；分析光聲信號(hào)的光聲本征譜可以獲得微結(jié)構(gòu)的彈性特性。這些新方法突破了傳統(tǒng)的光聲成像系統(tǒng)頻率和帶寬的限制，為研究深層組織的各項(xiàng)微結(jié)構(gòu)性質(zhì)提供了可能的手段。然而，在實(shí)際生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用之前，仍有許多工作需要完成，從而進(jìn)一步改善這些方法。例如，更多的活體和離體實(shí)驗(yàn)來(lái)檢查真實(shí)組織的光聲功率譜參數(shù)和統(tǒng)計(jì)參數(shù)，尤其是混合各種微結(jié)構(gòu)的復(fù)合組織。這些參數(shù)和各種生理狀況的關(guān)系應(yīng)該還需被進(jìn)一步探索。另外，光聲本征頻譜的應(yīng)用也有一些制約，比如，彈性的量化評(píng)估依賴于一些微彈性體的先驗(yàn)知識(shí)，包括形狀、密度等，而且對(duì)于提取高黏度組織的光聲本征譜也是一個(gè)重要的技術(shù)挑戰(zhàn)。

近年來(lái)對(duì)光聲成像技術(shù)的積極研究已經(jīng)闡明了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有很多的潛在應(yīng)用價(jià)值，可以期待，從光聲信號(hào)中還可以提取更多的關(guān)于組織特性的有價(jià)值的信息。受益于光聲信號(hào)中蘊(yùn)含著的豐富的生物結(jié)構(gòu)和功能信息，光聲成像技術(shù)作為一個(gè)非電離的、非侵入式的技術(shù)，將會(huì)提供多模態(tài)組織信息，從而有望被廣泛地應(yīng)用于基礎(chǔ)研究和臨床診斷。