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脉动科技10月刊-光声成像应用的好伙伴来啦!
Friday,  October 18, 2019

光声成像应用的好伙伴来啦!

光声成像(photoacoustic imaging)PAI,是一种近年来发展起来的新的医学成像模式和成像方法。支持PAI的基本原理为光声效应,那么何为光声效应?个人认为以下用原子能级跃迁和能量守恒来解释,更加简明扼要----使用短脉冲激光照射吸收体时,吸收体中的分子吸收光子后,当满足一定的条件时,吸收体分子的电子从低能级跃迁到高能级而处于激发态,而处于激发态的电子极不稳定,当电子从高能级向低能级跃迁时,会以光或热量的形式释放能量。而释放的热量导致吸收体局部温度升高,温度升高后导致热膨胀而产生压力波(超声波),这就是需求的光声信号。                                          


                 
 
             图一 光声效应

一、 光声成像原理及应用

与声学成像相比,光声成像利用了光吸收系数,在化学成分的分析方面,有着独特的优势。其中,声波能够获取物体的弹性参量、密度等力学特征,应用在生物体中,可以将生物体的功能信息、生理结构等清晰地反映出来。与光学成像相比而言,光声成像对于组织有着非常高的分辨率,光学成像往往只能够得出组织表层1mm深度左右的高质量图像,如果深度偏高,分辨率就会大受影响,与之相比,声波的散射强度更小,在生物组织中的传播有着低散射、低耗散的优势,空间分辨率的成像深度非常理想。

光声图像的成像效果,与组织的生理功能、光吸收系数有着密切的关系,在应用的过程中,需要根据各个组织的成分来合理选择电磁波波长。如DNA、RNA的紫外线吸收能力较强,利用紫外线作为激发光源,即可获取到高对比度图像。血红蛋白主要吸收可见光频段电磁波,利用光声成像,可以获取到关于血液系统的高对比图像;油脂、水等对于近红外段电磁波与微波段吸收情况良好,利用近红外激光、微波作为光源,可以快速分析出其中的异常聚集问题。

在生物组织中,每一种化学成分的光吸收特性都是不同的,在诊断过程中,可以借助多波长激光照射组织来获取相关信息,通过定性分析与定量分析相结合的方式得出生物组织各项化学组分信息,利用波长与电磁波吸收特性,既可以分析出血红蛋白含量,还可以获取到脱氧血红蛋白与氧合血红蛋白的相对含量,分析出血氧饱和度。血红蛋白是生物体内的重要载体,可以直接反映出生物的新陈代谢过程,这对皮肤疾病、脑血管疾病、肿瘤的早期诊断,有着重要的意义。



图二:多波长下心血管成像
二、 PAI的研究方向

PAI现有如下几个研究方向

1光声层析成像(photoacoustic tomography);PAT采用非聚焦脉冲激光作为照射源超声换能器阵列检测光声信号,由于光散射作用组织内部受到均匀照射,不同深度组织的声信号到达换能器表面的时间存在差异,因此利用时间分辨技术可以获得不同层析面的光声信号,再通过特定的算法重构即可得到成像区域的光声图像。

2光声显微成像(photoacoustic microscopy);光声显微成像通过逐点扫描的方式获得图像不需要采用重构算法求解光声传播的逆问题,根据扫描方式不同PAM可分为两种类型,超声分辨率PAM及光学分辨率PAM。前者通过超声进行定位可在几毫米到几十毫米的成像深度上,获得几十微米量级的侧向分辨率。光学分辨率PAM则采用会聚的激光束进行扫描,主要适用于深度小于1mm的组织表层,最高可提供纳米级的侧向分辨率。

3光声内窥(photoacoustic endoscopy);是一种特殊形式的PAM其特点在于对成像系统进行微型化并采用特殊的扫描方式实现了对内部器官的成像。

4光声造影剂与分子成像;在光声成像中,光强和光声信噪比随着组织深度的增加呈现指数级衰减。光声分子成像技术将靶向分子特异性抗体或配体连接到光声造影剂表面构成探针,再结合到特定组织分子上,改变局部组织的声学和光学特性,提高成像对比度和分辨率在活体层面实现分子水平的病理成像,为针对性治疗和疗效评价提供了帮助。

激光波长在700nm~1400nm的近红外光波内,生物组织对光的吸收和散射都是最小的,所以为了获得较高的探测深度,应尽量选择此组织窗口内的吸收谱峰值波长来作为光声激励源。由于光在软组织中传播存在热限制和压力限制,经过计算得出热限制要求光源脉宽为40.2ms,压力限制要求光源脉宽为97.4ns。如此,光源的脉冲持续时间就会比组织吸收体的热扩散和压力扩散的时间还要小,进而在光声成像中热扩散和压力扩散的影响便可忽略。因此光源脉宽对于API是一个重要的指标。最后系统作用在受体时,激光能量密度能控在ANS中定义的MPE(生物组织最大辐射剂量)为好。

根据上述几条,有研究人员选取Nd:YAG&SHG 或者以GaAs & ZnS为主要工作物质的半导体激光器作为激励源。但是现在主流的研究方向均已OPO作为激发源,例如国内此领域的领导者深圳先进院医工所,均采用OPO方案。

   


三、 德国Innolas EVO OPO的应用

说到OPO,那我就不得不为我们厂家的OPO产品安利一波。Innolas OPO系列激光器沿用紧凑型设计,采用全铝一体化全铸铝激光头,增加整个系统的稳定性,其次OPO cavity与pump不分离,均集成在同一个激光头内,使混频在空间和时间上更加稳定。而最重要的是波长调谐方式的革新。InnoLas 的OPO不是采用传统的丝杆传动调谐方式,而是采用角秒计( Galvosmeter )来调谐,全波长范围调谐时间只需要 10ms! 因此 OPO 的输出波长可以和特定的脉冲序列同步!特别是在多波长成像对比中,这一优势无可替代。

而新一代Innolas EVO OPO 采用全新pump Champber设计,提高耦合效率,也大大减小了系统体积。


     

图三:Innlas EVO OPO



 四、Elforlight公司TETRA应用
 
TETRA – Rapidly Tunable DPSS Laser from Elforlight,此产品为Elforlight 在今年德国慕尼黑激光展中展示产品。核心亮点,4个波长输出,532 nm, 555 nm, 579 nm, 606 nm,总切换速度或者重复频率2000Hz,每一个波长可达500Hz,此快速切换多波长,实属罕见,加之4波长均在可见光范围内,无疑将会在PAT及MPAI等诸多光学生物成像领域出一份助力。


   
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