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贡献者：不爱吃窝瓜 浏览：6257次 创建时间：2015-07-09
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光声成像
光声成像（Photoacoustic Imaging, PAI）是近年来发展起来的一种非入侵式和非电离式的新型生物医学成像方法。当脉冲激光照射到（热声成像则特指用无线电频率的脉冲激光进行照射）生物组织中时，组织的光吸收域将产生超声信号，我们称这种由光激发产生的超声信号为光声信号。生物组织产生的光声信号携带了组织的光吸收特征信息，通过探测光声信号能重建出组织中的光吸收分布图像。光声成像结合了纯光学组织成像中高选择特性和纯超声组织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，从原理上避开了光散射的影响，突破了高分辨率光学成像深度“软极限”（~1 mm），可实现50 mm的深层活体内组织成像。
中文名光声成像
外文名Photoacoustic Imaging, PAI
拼 音guang sheng cheng xiang
性 质无损医学成像方法
作 用提供高分辨率高对比度的组织成像
相关领域医学
目录
1、研究应用历史
2、光声成像原理与系统
3、技术特点
1、研究应用历史
光声效应最早于1880年由贝尔发现。贝尔发现用周期性的光照射一个吸收体时, 该物质吸收光会产生声信号, 这种声信号的频率与入射光的调制频率相同, 而且声信号的强度随样品吸收光的增加而增加。由于当时没有强的光源和灵敏的探测器, 贝尔的发现没有得到应用。在此之后的近80年，关于光声效应的研究与应用几乎没有进展。20世纪60年代以后，由于微信号检测技术的发展，高灵敏微音器和压电陶瓷传声器的出现，以及强光源（激光器、氙灯等）的问世，光声效应及其应用的研究又重新活跃起来。L B Kruezer将光声效应用于气体成分的检测，关于光声效应的研究才重新受到人们的重视。基于光声效应发展起来的光谱技术也随之发展起来并且应用于测定传统光谱法难以测定的光散射强或不透明的样品，如凝胶，溶胶，粉末，生物试样等，广泛应用于物理、化学、生物医学和环境保护等领域。在此之后，光声效应陆续被应用于各个领域中，但进展仍相当迟缓。直到90年代后期，基于光声效应的光声成像技术才迅速发展起来并被广泛应用于生物医学领域。
2、光声成像原理与系统
光声信号产生的基本原理是：当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。在光声成像应用中通常会选择合适波长的激光作为激发源，使吸收的光子的能量转化为热能的效率最大，通常从光能转化为热能的效率可达到90%以上。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，这就是光声信号。因此，光声信号的产生过程就是“光能”－“热能”－“机械能”的转化过程。
光声成像过程可以分为三个部分：信号的产生、信号的接收和信号处理及图像重建。由于脉冲激光器具有光声转换效率高的优点，因此通常被作为光声成像研究中产生信号的激励源。脉冲激光器发出的激光束照射在待研究组织样品上，由于组织样品的吸收效应，在样品内部形成了与组织光学参数相关的能量沉积分布。由于激光脉宽很窄（ns）吸收的能量不能在短时间内释放，导致瞬间温度变化，从而通过热弹机制转化为热膨胀。周期性热流使周围的介质热胀冷缩而激发超声波，由于这种超声波信号的特殊产生机理，为了区别于其它的超声信号，通常称为光声信号。利用超声探测器接收光声信号并对采集到的信号进行适当地处理和采用相应的图像重建算法，就能够得到样品内部光能量沉积的分布。当保证入射光的均匀性的前提下，光声重建图像与吸收分布具有一一对应的关系。
3、技术特点
光声成像将光学成像和超声成像的优点结合起来，一方面，在光声成像中用来重建图像的信号是超声信号，生理组织对超声信号的散射要比光信号低2到3个数量级，因此它可以提供较深的成像深度和较高的空间分辨率；另一方面，光声成像根据不同组织对可见光、近红外光或无线电频率(Radio frequency)电磁波的选择性吸收，利用特定波长的激光脉冲对组织进行照射，并间接地对脉冲能量在生理组织中的吸收分布进行成像，成像的是被“吸收”的光能，这在纯光学成像中是无法做到的，因此相比纯超声成像，光声图像中不同组织间的光学对比度较高。光声成像与传统医学影像技术相比具有如下特点：
第一，由于激光的窄线宽，利用生物组织的高光谱选择性吸收差异，光声成像能够实现高特异性光谱组织的选择激发, 不仅可以反映组织结构特征，更能够实现功能成像，开创了一种有别于传统医学影像技术的新成像方法与技术手段。
第二，光声成像结合了光学成像和声学成像的优点。一方面，比纯光学成像穿透更深（可突破激光共聚焦显微成像(LCSM)、双光子激发显微成像(TPEF)、光学弱相干层析成像（OCT）等高分辨率光学成像深度“软”极限（~1mm）；另一方面，比传统的MRI以及PET成像拥有更高的分辨率；其图像分辨率可达到亚微米、微米量级，可实现高分辨率的分子成像。
第三，光声成像是一种非侵入式成像技术，这对于在体成像非常重要。由于使用的激光功率密度低于生物组织损伤阈值，组织中产生的超声场强度远远低于组织的损伤阈值，所以光声成像是一种非入侵、非电离的无损伤的成像技术。
第四，随着光声成像系统的一体化、小型化，该成像系统比传统的MRI以及PET脑功能成像系统价格更便宜，使用更便捷，利于普及和推广。
因此，无损光声成像作为一种新兴的医学影像技术，能够在一定的深度下获得足够高的分辨率和图像对比度，图像传递的信息量大，可以提供形态及功能信息，在生物医学应用领域具有广阔的应用前景。
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