微弱信号测量(聆听光的声音：光声成像)

文/蔺祥伟

在物理学上，光与声就像兄弟一样，都是“波”的一种表现形式，因而二者有着种种相似的特征。在生活中，我们常用颜色描述光，如“白光”“红光”“七色光”，但你可曾听过光的声音？

1880年，光声效应由世界上第一台电话机的发明人亚历山大·贝尔（Alexander Bell）首次发现，当时他在写给父亲的一封信中说道：“我听到光线在清晰地交谈，我听到光线的笑声、咳嗽声和歌唱声！”他是在谈论自己的另一个最新发明——光线电话机，这种电话机是通过调节光线而不是电流来传递信号的。当人对着光线电话机发射器中的反射镜讲话时，声音振动引起反射镜振动，光线直接照射到反射镜上，捕获振动并将其投射到光线电话机的接收器上，然后振动会被转换成可听见的声音。遗憾的是，受阴雨天气等光线减弱情况的影响，这种电话机在当时并未得到普及。但是，贝尔有个意外发现，当采用快速且周期性的光束照射光吸收物质时，该物质会产生一个与光束相同频率的声波，贝尔将这种效应称为“光声现象”，即我们现在所熟知的光声效应。受限于当时的技术条件，贝尔的这个发现并没有得到重视，有关光声效应的研究与应用在此之后几乎处于停滞状态。直到20世纪90年代后期，由于新型的激光光源、高灵敏度的声学探测器以及微弱信号检测技术的快速发展，基于光声效应的光声成像才逐渐崭露头角，并被广泛应用于生物医学成像等诸多领域。

光声成像是基于光声效应的一种非入侵式和非电离式的生物医学成像模式，其成像的原理是当生物组织被脉冲激光照射后将吸收入射光一定比例的能量，光能量的沉积会引发局部轻微变热进而产生快速的热弹性膨胀，这种瞬时的组织弹性热膨胀在满足一定的热限制和压力限制条件下会产生压力波。这种压力波作为超声波向外传播（即光声信号），被高灵敏度超声探测器接收之后，进而通过相应的重建算法，可以反演组织中的光吸收分布图像，形成光声图像。这里需要指出的是，不同的组织成分存在光吸收的差异。例如，同等条件下的黑色素的光吸收强度要比脂肪组织大很多。同时，同一组织的光吸收特性在不同激光波长照射下也会呈现吸收差异。光声光谱成像技术可以定量反映各种组织成分信息，如血氧饱和度等功能参数，实现揭示组织内部构成及代谢信息的功能成像。

生物组织产生的光声信号携带了组织的光吸收特征信息，因而光声成像结合了光学成像中高选择特性和超声成像中深穿透特性的优点，可得到高分辨率和高对比度的组织图像，突破了光学成像深度“软极限”(约1毫米)，实现70毫米的深层活体内组织成像。光声成像作为近年来蓬勃发展的一种无损生物医学成像方法，可以实现毫米乃至微米的空间分辨能力，可以提供解剖、功能、代谢、分子、基因等多尺度的生物组织光吸收对比度信息，能够满足细胞器、细胞、组织乃至器官的成像需求，在生物医学领域中显示出良好的应用潜力。

临床上常见的超声成像是通过使用超声探头将声波脉冲打入组织中来形成激励信号，再通过信号的波束合成而生成超声图像，它具有安全性高、穿透性好、深层组织分辨率较理想等特点。目前，常用的超声成像类型有B型和D型，也是我们在医院经常接触到的超声成像方式。B型超声成像也称为普通黑白超声，常用来判断脏器的位置、大小、形态，确定病灶的范围和物理性质，提供一些腺体组织的解剖图，在心血管系统、消化系统、泌尿系统的影像诊查中应用十分广泛。D型超声成像也称为多普勒超声或彩超，尤其适用于心脏、肢体血管和浅表器官以及腹部等动态的影像诊断。近年来，超声成像技术，如三维立体成像、实时成像、超声全息摄影、超声计算断层成像、超分辨成像、超声造影、超声内镜等不断发展。然而，由于超声回波信号在不同组织交界面出现的声阻抗差异较低，超声成像技术依旧存在诸如操作手法依赖度较高、无法实现精确的功能成像、图像对比度较低、图像易出现声学伪影等问题。

光声成像是近年来出现的一种基于激光和超声的生物医学成像新模式。作为一种混合成像方式，光声成像结合了光学成像的高对比度和基于光谱的特异性以及超声成像的高穿透深度，有望克服传统医学成像手段的不足。实际上，光声图像可视为超声图像，但其对比度不取决于组织的声学和弹性特性，而取决于其光学特征，尤其是光学吸收特性。光声成像主要适用于声学特性相对均匀但光吸收性能不均匀的组织，具备比传统超声成像更高的特异性。在指定光谱波长下，光声成像不仅能够检测血红蛋白、脂质、水和其他吸收光的内源性组织成分，如显示微血管等解剖结构，提供血氧、血流和温度等功能信息，还可以探测外源性分子影像探针，如精准探测肿瘤边界、识别癌症靶点等分子影像信息。光声成像以生物组织吸热膨胀冷缩产生的超声波作为载体来获得组织的光学吸收信息，以超声波检测代替传统光学成像中的光子探测，从而避开了因光学散射造成穿透深度不足的问题。同时，光声成像具有跨越分子、细胞、组织、器官的多尺度成像能力。在低强度近红外(NIR)激光辐射强度下，光声信号能够提供高信噪比的光声信号，相比X射线、计算机断层扫描（CT）等电离辐射，光声信号对生物组织更安全。

超声成像和光声成像的一个重要区别是前者可以通过发射聚焦或平面波束和接收波束来实现定位，反馈的是声波传播路径上声阻抗的变化，最终得到体内的解剖结构信息。但是，当超声图像上出现暗区时，若没有医学先验知识，很难判断该暗区是脂肪、血液还是积液，严重限制了超声成像用于精准诊断。在光声成像中，声波来源于光吸收体对相应波长的吸收，不同组织的光吸收体对光的吸收差异很大，从而使光声成像能够表征组织的化学成分特性。同时，光波激发而生成的声波不易散射，即使比较深的位置也能通过组织表面的超声换能器检测到。因此，光声成像兼具光学成像和超声成像两者的优点。光声成像和超声成像的另一个区别在于所涉及的声压大小。诊断性临床超声可产生超过1 MPa的焦点峰值压力，而光声压力振幅低几个数量级，通常小于10 kPa。因此，在光声成像中非线性声传播干扰较低。低光声压力振幅也意味其成像的安全性主要取决于激光的辐照剂量。此外，超声成像和光声成像的图像对比度存在根本差异，超声图像提供了不同组织间声阻抗差异信息，而光声图像的对比度取决于光吸收差异。由于不同组织类型之间的光吸收差异可能远远大于声阻抗差异，因而光声成像能够提供比超声成像更丰富的组织成分信息。

乳腺癌成像是目前光声成像临床应用最广泛的领域。乳腺癌作为女性最常见的恶性肿瘤，全球发病率在21世纪呈现高发趋势，位居中国女性所有癌症发病率之首，乳腺癌已经成为当前威胁人类健康的重大公共卫生问题。乳腺癌是发生在乳腺上皮组织的恶性肿瘤，其生成和转移具有一定周期，乳腺癌细胞病变初期会引发细胞在分子水平变异，不断分泌血管生成因子，刺激产生过多的走行紊乱、缺乏完整基膜并具侵袭性的新生血管组织。同时，在始发位置该类型癌细胞丧失了正常细胞的特性，导致细胞之间链接松散，易脱落而形成游离癌变细胞，然后随血液循环或淋巴系统扩散转移，危及生命。不过，这些病理也为光声成像的诊断提供了生理基础。乳腺癌早期原位癌及转移癌初始阶段，病变区域狭小且不易观测，目前大部分医疗影像仪器的检测精度和灵敏度尚不能在乳腺癌早期发现癌症患者所携带的癌变细胞。光声成像由于具有跨尺度、多模态、分子影像等优势，能够在分子水平进行病变成像检测并准确识别乳腺癌的边缘尺寸和转移路径，对乳腺肿瘤的原位和转移的早发现、早诊断意义重大。

乳腺癌早期的病变会导致新生血管生成，而血液中的血红蛋白在生物组织光学吸收窗口的光吸收特性使恶性肿瘤产生明显的光声信号，可以作为光声成像的一种无标记的内源性对比剂。外源性光声分子探针通过生物化学手段进行载体修饰，可以在细胞分子水平标记癌变异物，提供明显增强的血管密集肿瘤区域与正常血管环境间的光声信号强度对比，进而重建光声图像。重建后的光声图像以低强度的良性组织区域为参照，显示出高强度的肿瘤组织，进而对乳腺癌的早期始发病灶和转移路径进行光声诊断研究。此外，借助内源性血红蛋白和高灵敏度的特异性靶向探针，光声成像的灵敏度、分辨率和特异性有着极大的提升。

根据乳腺癌的生成、转移的生理病理机制，国内外研究人员开展了一系列光声成像临床试验。荷兰特文特大学首次报道了乳腺癌的临床病例筛查结果，在31名乳腺癌患者含有的33个恶性结节中，32个结节具有高光声成像对比度，与传统影像方式显示的病灶位置、大小吻合度良好。美国研究小组采用多波长激光和线性超声阵列，纳入了2 105名乳腺癌患者，与单独应用超声相比，光声成像可以提高乳腺肿块评估的特异度。德国研究小组构建了新型的光谱光声层析成像系统，对10名乳腺癌患者和3名健康志愿者进行检查，分别计算了组织氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、总血容量、脂质和水分的含量，结果显示前三者在癌组织和对照组织之间存在显著差异。美国工程院院士汪立宏的团队研发了单次屏气光声计算层析成像系统，通过环形超声阵列，发射单个激光脉冲即可获得二维乳腺图像。通过纳入1名志愿者和7名乳腺癌患者，光声成像能够无标记地显示肿瘤详细的血管结构。与常规B超和彩超相比，光声成像显示了丰富的血管结构及血氧饱和度等功能信息，为乳腺癌病例的分级治疗提供了更多的诊断信息。

光声成像作为一种新兴的生物医学成像技术，以光声效应为成像基础，将光学和超声相结合，兼备光学高对比度、光谱多功能成像、超声高穿透度、易于超声图像相融合、无创多尺度多模态成像等优点，具有广阔的临床应用前景。光声成像能够有效地对生物组织结构和功能进行成像，为研究生物组织的形态结构、生理特征、病理特征、代谢功能等提供了新的有力手段，特别适合于癌症的精准检测和治疗监控。目前，光声成像研究重点在于基础科研，即成像系统和重建算法的探索与优化，在兼顾安全性的前提下进一步提高成像深度及分辨率。未来，光声成像重点在于真正临床落地，如今光声成像正由微观实验室阶段逐步走向宏观临床实践阶段。

然而，光声成像还有很多地方需要突破。在系统层面上，光声成像亟须突破光学散射深度有限、观测角度不足、稀疏采样、高重复频率激光光源以及在线重建和后处理算法优化等问题。在应用层面上，光声成像应重点关注与血红蛋白有关的无标记肿瘤研究(测量和跟踪各种癌症模型中肿瘤的生长和转移以及伴随血管生成过程中的血红蛋白浓度和血氧饱和度变化、血管生成抑制效果等)、血管研究(如心脑外周血管生成/生长、心肌炎、血栓、心梗、止血材料等)以及与光声分子影像相关的研究，检测分子水平的病变而实现疾病早期诊断、监测分子探针或药物在体内的动态分布和代谢规律，从而判断其是否能够准确到达靶区，评估分子探针分布和靶向药物治疗效果。此外，光声成像在基因表达、干细胞免疫、脑科学等方面也开始应用。更有意思的是，在温度检测和神经成像领域，光声成像也逐渐迸发生机。随着科技水平的提高，光声成像有望在生物医学成像领域中取得更大的突破，为相关临床疾病的诊断、治疗和疗效评估提供更多丰富而有价值的信息。

蔺祥伟，博士，深圳大学生物医学工程学院副研究员，美国匹兹堡大学访问学者，深圳市高层次人才，主要从事超声/光声/磁声多模态影像基础研究和临床转化，以第一作者(含共同第一作者)在国内外知名期刊发表学术论文十余篇，主持中国博士后科学基金面上项目(一等资助)和国家自然科学基金青年项目各1项。