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光声断层成像技术及其应用

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摘要

光声成像是21世纪初发展起来的新兴的生物医学成像技术，它同时具备光学成像和声学

成像两者的优点，因而备受关注。本文介绍了光声成像的原理、主要技术、应用领域及近期

发展情况。

关键词：光声成像，断层成像

Abstract

st

Photoacousticimaging(PAI)isabiomedicalimagingtechniquedevelopedinthe21century.

PAIhasreceivedmanyattentionssinceitcombinestheadvantagesofboththeultrasonicandthe

opticalimaging.Inthispaper,weintroducetheprinciple,thetechnologiesused,theapplication

andrecentdevelopmentofPAI.

Keywords:Photoacousticimaging,tomography

〇、引言

在生物医学领域中，成像技术对疾病的诊断、监控和研究具有十分重要的意义。人体组织

在可见光波段一般是强散射介质，因此可将传统光学成像方法分为两类：弹道光学成像（几

乎无散射）和扩散光学成像（充分散射）。这些传统光学成像方法可以提供良好的空间分辨

率，但成像深度很小，只有约1mm，也即光学成像的软极限。当入射光子到达组织深处约

1mm后，大多数光子都会遭受十几次散射，导致光子的运行路径具有随机性，给光学聚焦

带来困难。与弹道光学成像相比，扩散光学成像可以探测到组织深处的约1cm，但空间分辨

率会变得很差。散射光子的随机运行路径给图像的重建带来很大困难，因此，传统光学成像

很难在光学成像的软极限之外达到较好的空间分辨率。

光声成像技术可以解决这一矛盾。1880年Bell发现光声效应，在组织中的光子可以转换

为几乎不散射的超声波。生物组织吸收光子，并且激发出压力波，通过检测这些压力波，就

可以用来重建生物组织的图像。与传统光学成像技术相比，光声成像技术最主要的优点是突

破了光学成像的软极限，可以对组织更深处成像。

一、光声成像原理

光声成像技术主要是利用光声效应。光声效应是指物质受到周期性的光照射而产生声信号

的现象。光致超声现象可能存在多种物理机制，光声成像技术主要运用的是热弹性机制。光

吸收介质受短脉冲光照射后吸收光能量，快速升温膨胀从而产生超声波。整个过程分为以下

三个步骤：（1）脉冲光辐照生物组织，组织内的吸收体吸收光能量；（2）基于热弹性机制

的光致超声过程；（3）光声信号的传播与探测。

当物质受到光照射时,物质因吸收光能而受激发，然后通过非辐射消除激发的过程使吸收

的光能（全部或部分）转变为热。如果照射的光束经过周期性的强度调制，则在物质内产生

周期性的温度变化，使这部分物质及其邻近媒质热胀冷缩而产生应力（或压力）的周期性变

化，因而产生声信号，此种信号称光声信号。光声信号的频率与光调制频率相同，其强度和

相位则决定于物质的光学、热学、弹性和几何的特性。

对光声信号的检测有两种方法，一种是运用压电材料的换能器，如压电陶瓷和聚偏氯乙烯，

将光声信号转换为电信号；另一种方法是光学检测，基于光声—压力—表面位移或折射率改

变的原理，对光声信号进行检测。

二、光声成像技术

常用的光声信号探测方法有扫描层析术、计算机层析术、原位探测技术。

1.扫描层析术

扫描层析术是指利用聚焦换能器探测外传的光声信号。由于聚焦换能器只能接收到处于超

声聚焦区轴向上的信号，所以从换能器上得到的一维时间分辨信号可以反推出组织