文章目录

• 1. 光声断层成像
• 2. 光声显微成像
• 2.1 光声显微成像系统的分类
• 2.2 光声显微成像和光声断层成像的对比
• 3. 光声内窥镜
• 4. 三种成像系统的对比

光声成像技术有多种实现方式，其中三种最重要的实现方式是光声断层成像(Photoacoustic Computed Tomography, PACT）、光声显微成像（Photoacoustic microscop,PAM）和光声内窥镜（Photoacoustic endoscope, PAE）这些成像系统都是基于光声效应实现的，但是信号重建方式、用途等有所不同。其中，PACT是发展最早的。PAM是单点扫描的，不需要用重建算法进行图像重建，只需要取每次扫描的最大幅度即可。PAE与PAM类似，同样不需要进行图像重建，但是因为PAE是360度扫描，所以需要进行角度的匹配。

1. 光声断层成像

PACT是发展最早的光声成像系统。如图下图所示，在PACT中，采用非聚焦大直径脉冲激光束实现组织表面的全场照明。光吸收体对入射光能的吸收导致被照射组织膨胀，随后快速产生宽带超声波。它们传播到组织表面，由机械扫描的非聚焦超声波接收器或接收器阵列检测到，经过放大处理后通过光声图像重建算法对光声信号的传播问题逆向求解。即通过超声换能器检测得到的原始光声信号，反推生物组织成像区域的光吸收分布，从而得到其光声图像。光声层析成像运用了生物组织结构固有的光学对比度，几乎适用于任何具有光吸收特性的生物组织成像。

2. 光声显微成像

光声显微成像技术一般不需要对信号进行解析重建，在每个原始信号中取最大值投影到成像区域的像素点即可。PAM利用其独特的光学吸收对比机制,在过去十余年间已经发展成为一种重要的显微成像工具。PAM已被证明是一种可以利用内源或外源性造影剂进行结构、功能和分子成像的重要的生物医学工具]。利用血红蛋白作为内源性吸收体,PAM可以被应用于多种生物医学成像领域,包括血流灌注、氧合成像、肿瘤成像和脑成像等。

2.1 光声显微成像系统的分类

根据成像系统中光束焦斑与声束焦斑的相对大小,可将光声显微成像分为光学分辨率光声显微成像技术(OR-PAM)和声学分辨率光声显微成像技术(AR-PAM)，目前，OR-PAM的应用场景比AR-PAM多很多。AR-PAM通常使用单个机械平移或旋转的聚焦的传感器接受光声信号，二者聚焦方式如图1所示，其中，OR‐PAM的光学聚焦比声学聚焦更加紧密，光学焦点比声探测焦点小，如下图(a)所示，其横向分辨率取决于光学焦点的大小，可以达到从百纳米到数微米的亚细胞或细胞尺度，但是由于生物组织对激光有强散射作用，活体成像深度为1～2 mm。

在超过光学扩散极限的几毫米甚至几十毫米深的组织处，AR‐PAM则可以利用超声的低散射特性，采用更加紧密的声学聚焦方式，实现从几十微米到几百微米的横向分辨率，此时，横向分辨率取决于超声焦点的大小，如下图(b)所示。

2.2 光声显微成像和光声断层成像的对比

PAM和PACT的成像深度和分辨率具有较大的差异，因此应用场景也有所不同，如下图(a)所示。对于在准弹道状态下的成像，OR-PAM是首选，因为它可以分辨单个细胞或细胞器，如下图?所示。OR-PAM有助于研究直径小于10微米的新毛细血管的肿瘤血管生成，也有助于单细胞流量测定。AR-PAM成像深度约5mm，可以达到组织水平（~ 50微米横向和~15微米轴向）的空间分辨率,如下图(d)所示。为达到检测小动物全身及人体器官的深度，应该选择具有数百微米空间分辨率的PACT，如下图(e-f)所示。

单细胞、全身小动物和人的多尺度PA图像。(a) 多吃多光声成像，适用于从细胞器到小动物全身和人类的器官。SR-PAM，超分辨率PAM。注：此处显示的穿透极限和空间分辨率是数量级近似值。(b) 单个线粒体的SR-PAM图像。? 单个红细胞的OR-PAM图像。(d) 人体手掌皮下血管的AR-PAM图像。(e) 活体小鼠全身PACT图像，显示富含血液的内部组织。(f) 人体手的活体PACT图像，显示其全面的血管系统。
Wang L V, Yao J. A practical guide to photoacoustic tomography in the life sciences[J]. Nature Methods, 2016, 13(8):627-638.

对于OR-PAM，较短的激发波长和较紧的光学聚焦产生很高的横向分辨率，但轴向分辨率大约低一个数量级（通常约为10 mm），因为它取决于声传播和检测，更宽的超声检测带宽提供更高的轴向分辨率（声波探测器接收到的频率含量越高，轴向分辨率越高）。目前的研究中，具有超宽检测带宽（千兆赫兹）的OR-PAM的最新发展提供了近似各向同性的分辨率。然而，超高超声频率下的强声衰减限制了其在单细胞研究中的应用。AR-PAM穿透深度相对于OR-PAM较深，但横向分辨率较低。提高超声检测频率和更紧密的声聚焦可以提高横向分辨率。提高超声换能器阵列的中心频率和带宽可以提高PACT的空间分辨率。然而，在所有情况下，空间分辨率都是以牺牲穿透力为代价的。

另外，在PAM中 ,为了获得2D或3D图像，传感器和激励光束需要进行机械扫描，在扫描的每一步产生并检测光声信号。而PACT一般使用多阵元超声换能器，不需移动换能器即可获得2D图像，与之相对应的缺点是后续需要图像重建算法进行图像的重建。

3. 光声内窥镜

光声内窥镜是近年来得到迅速发展的用于检查人体内部器官的一种特殊形式光声成像技术，利用内窥镜可以看到X射线或其他影像下不能显示的病变, 指示医生做出疾病诊断或取病灶活检进行病理诊断。对应医学应用研究领域, 光声内窥镜系统按探头大小可分为血管内光声内窥镜和消化道内窥镜。

如下图所示，一体化血管内PAE的工作模式是, 侧向出光光纤发射脉冲激光照射血管壁, 激发产生光声信号, 光声信号在血液中耦合后被超声探测器接收并转化为电信号传输出来。整个一体化的血管内光声断层成像探头集成在一根导管内, 导管在外部带动下进行360°扫描, 最终实现对一个血管平面的成像, 继而在后撤的过程中实现三维成像血管。

光声血管内窥成像系统 （Tunable pulsed laser source，可调谐脉冲激光器；RMPBP，旋转回撤平台；Catheter，导管；Probe，内窥探头；SFOF，侧出光纤；UT，超声换能器； PBP，旋转回撤平台；Catheter，导管；Probe，内窥探头；SFOF，侧出光纤；UT，超声换能器；Computer，计算机；PA image，光声图像；Lipid-imagin process，脂质成像过程；Decoding，解析；Lipid map，脂质图；3D lipid map，三维脂质图)

4. 三种成像系统的对比

PACT、PAM、PAE的对比如下表所示，PACT成像范围较大，主要用于小动物全身成像、人体器官成像，PAM和PAE的主要目标是在毫米级的成像深度上实现微米级的分辨率。