医学光声成像

医用光声成像是一种基于光声效应建立的混合模式生物/医学成像方法。一般来说，在光声成像中需要用脉冲激光照射成像部位（热声成像则特指用无线电频率的脉冲激光进行照射）。一部分被吸收的光能将会被转化为热能，使附近的组织发生热弹性膨胀，从而形成宽带（兆赫兹级）的超声波发射。这一超声波可以用超声换能器检测，而后者正是一般超声造影中所用的主要探测器。但不同于超声造影的是，光声成像利用了体内不同组分吸收性质的不同。譬如血红蛋白浓度的大小，组织血氧饱和度的高低，均会影响组织的光吸收能力，从而改变超声信号的强度。换言之，检测器探测到的（二维或三维）超声强度空间分布，实际上反映了成像对象内（与光吸收相关的）病理学信息。

简介医用光声成像是一种基于光声效应建立的混合模式生物/医学成像方法。一般来说，在光声成像中需要用脉冲激光照射成像部位（热声成像则特指用无线电频率的脉冲激光进行照射）。一部分被吸收的光能将会被转化为热能，使附近的组织发生热弹性膨胀，从而形成宽带（兆赫兹级）的超声波发射。这一超声波可以用超声换能器检测，而后者正是一般超声造影中所用的主要探测器。但不同于超声造影的是，光声成像利用了体内不同组分吸收性质的不同。譬如血红蛋白浓度的大小，组织血氧饱和度的高低，均会影响组织的光吸收能力，从而改变超声信号的强度。换言之，检测器探测到的（二维或三维）超声强度空间分布，实际上反映了成像对象内（与光吸收相关的）病理学信息。

生物组织的光学吸收既可能产生于内源性分子如黑色素等，也可能产生于外源性引入的各种造影剂。图2展示了一种典型内源性光吸收分子——血红蛋白的两种形态（氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白）在可见和近红外波段的吸收光谱。由于血红蛋白的吸光度一般比周围其他物质高得多，因此其也就成为了血管光声成像一类有力的造影剂。近期的研究已发现，光声成像可用于活体内肿瘤血管新生的检测、血氧饱和度扫描、大脑功能成像以及皮肤黑色素瘤探测等诸多生命和医学领域。1

成像系统根据成像方式的不同，光声成像系统可以分为两种不同类型：光声/热声计算机断层扫描（PAT/TAT）和光声显微镜（PAM）。前者利用的是非聚焦的超声波探测器，获得的超声波信号通过反向求解光声方程（见下），重构出信号源的三维空间分布；后者则使用聚焦型的球形超声波探测器，每次采集一个点的信息，通过二维扫描来获得光声图像，不涉及重构问题。PAT/TAT的优势在于高穿透深度和三维成像；PAM的优势则在于低深度下的高空间分辨率。

光声/热声计算机断层扫描（PAT/TAT）给定一个热函数 （可认为是由于某一时刻 的光照刺激而在三维空间中 位置产生的热效应），则随后产生的光声波压力在声学均匀非粘性介质中的传播可以描述为：

其中 代表介质中的声速， 代表介质的热膨胀系数， 则是介质的恒压热容。需要注意的是，方程（1）中引入了热隔离的假设，即热传导在脉冲激光照射期间可以忽略不计；当脉冲脉宽比介质的热弛豫时间要短得多的时候，这一假设确是成立的。

方程（1）的解为

这里，可以把 看作是光声信号源（如体内血管）的所在位置，而 则是检测器的所在位置。方程（2）描述了 位置产生热效应后，在 位置产生压力信号的过程。 如果再考虑到压力隔离（当脉宽比压力弛豫时间短得多时），方程（2）就可进一步改写为

其中 指初始（未经弛豫）的光声压力。1

光声效应声光效应（Photoacoustic effect）是指物体在周期性变化的光照下产生声信号的现象。光声效应的产生是由于在光的照射下物体能量增加，局部聚集的能量以热的形式释放出来从而引起周围物质的震动。震动的频率取决于光信号的频率，而强度则与材料、几何形状等物体自生性质有关。

应用光声谱：光声信号与物质的光吸收系数成正比，物质对不同光波长的吸收系数不同，产生光声信号不同，可测定物质的吸收光谱。

光声成像：不透明的物质，光透入很浅，只有表面吸收光能转化为热能，表面层热源向内部发射热波；热波衰减高，一般只能传播一个波长距离；传播中产生声波，声源在不同深度的延迟时间不同；频率低时，声波波长是热波的100,000倍，且光声信号的振幅取决于表面光吸收系数。聚焦的激光束在样品表面扫描，接受不同位置的光声信号，反映其性质、结构。2

参见光声效应

医学超声检查

本词条内容贡献者为:

刘军 - 副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所