|
1 背景 光声成像技术是近年来发展相当火热的一种非侵入式、非电离式的生物医学成像技术，能够深入组织内部一定深度获取二维或三维的结构图像。生物及医学领域对活体组织观察的需求一直都十分强烈，然而传统的组织活体检查方法都有其局限性。超声检测在医学领域的应用相当广泛，具有快速、低成本、安全、深度大的优势，可实时观测动态图像，但是分辨率低下，对诊断会造成影响；X射线对骨骼等致密组织的成像精度很高，但难以运用于软组织且对人体有辐射伤害；核磁共振技术拥有高对比度和低电离辐射的特点，能够测量组织在化学成分和结构上的微小不同，但是速度慢，禁忌多，易产生伪影[1]。纯光学的检测手段由于其无伤害、设备简单的特点收到了青睐。但是由于组织散射的因素，当检测深度超过平均自由程时（约为1mm），有效的聚焦或计算的到良好分辨的光学图像变得不可能（分辨尺度在深度的三分之一左右）。因此，在组织中散射比较弱的声波被运用于成像，基于光声效应发展出了一系列光声成像技术，部分技术已经相当成熟且得到了广泛的运用[2-3]。 2 光声技术现状 光声效应最早由贝尔于1880年发现。当用周期性的光照射光吸收体时，该物体吸收光会产生周期与照射光相同的声信号。20世纪60年代后，大功率的光源以及高性能的声音及压力传感器出现，光声技术开始得到发展，在90年代左右开始了光声成像技术的研发。光声成像的基本过程是利用脉冲激光光源照射样本组织并激发出声波乃至超声信号，通过超声探测器接受光声信号并分析，即可得出样本组织内部光能沉积的分布。这种能量沉积分布与声信号强度直接相关，又是样本组织光学参数的一个空间分布，得到了能量沉积分布也就得到了样本基于光学性质差异的空间结构信息，从而实现了光声成像[4]。光声成像的主要过程就是声波的激发和声波的探测，这也是光声成像技术发展的主要改良对象。 最原始的光声成像系统，使用一般的脉冲激光光源用作照明激发，利用压电超声传感器接受声波信号，并使用计算机分析信号得到沿深度方向的样本一维结构信息。分辨率基本等于超声传感器的尺度，且其他部位的激发声波易形成干扰。由于压电传感器随着尺寸的减小，其灵敏度和信噪比都大幅下降，所以必须保证一定的大小才能正常工作，这种不经改良的光声成像系统分辨率极其有限[5]。 一种改良方法是将超声探测器进行聚焦[6]，使其只接收焦点处的声波信号，得到焦点下方的样本一维结构信息，二维扫描后就得到了组织的三维结构图像。这种方法被称为 |
光学层析成像技术。
更进一步的改良是将激发光也进行聚焦并和聚焦的超声探测器形成共聚焦，这种方式能够减小焦点以外其他组织光声波带来的干扰，因而具有极高的探测精度，被称为光声显微成像[6]。理论上这种成像一次只能测量一个点的结构信息，但只要聚焦物镜的数值孔径不太大，在焦点上下一定范围内的照明光束亦然具有较小的尺度，仍然可以同时激发一维结构的光声波，经过二维扫描得到组织的三维显微图像。
为了提高成像速度，避免进行扫描，有的技术方案采用了阵列式的超声探测器[7]，一次完成对一维结构信号二维分布的探测以形成三维图像。但这种技术依然要受到压电超声探测器尺寸以及性能的制约，无法有效改良分辨力。
同样考虑到对声波实现面探测而不是点探测以提升速度，一种基于声光效应的声波探测技术得到了发展。需要注意这里的声光效应是指声波在介质中传递引起介质光学性能的变化，与光激发声波的光声效应要有所区分。将压电超声传感器替换为声光效应较为强烈的光学材料，如石英玻璃，利用耦合介质将声波传导到光学材料，这样光学材料包括耦合介质的光学参数，主要是折射率，就在声波的作用下发生变化。通过检测光学参数的变化即可得到声波的信息。利用光学手段检测介质光学参数的分布可以轻易的达到波长量级的分辨率，通过对二维光场的分析计算也能够实现对面参数分布的直接探测。出于简化分析的考虑，一半操作中检测的是在耦合介质与光学材料界面处受到声波作用引起的反射率变化[8-9]，通过射入均匀的平行光并检测反射光强的分布就可以迅速得到反射率的二维分布从而反推声波的二维强度分布。光——声——光的探测模式充分发挥了纯光学检测系统在分辨力、灵敏度、简单性上的优势，是目前光声成像技术最有潜力的发展方向。
光——声——光探测模式的问题在于，实验环境中存在的各种振动，造成的检测光场的抖动，相当于等效的给声信号加上了一个噪声背景，在声信号微弱的光电成像过程中，是非常不利的。为了去除噪声，基于菲涅尔反射原理，提出了一种探测反射光中S波与P波偏振分量光强差的检测方法[5][10-11]，通过求差将共同的振动噪声分量去除，从而提高信噪比，达到更高的分辨力。
若需要探测更加深层的组织，可以使用穿透力更强的微波作为激发光源[12]。但是微波极易引起样本组织的烧伤，为此使用一种超窄微波脉冲技术，可以有效控制微波的加热时间避免烧伤，并利用窄脉冲达到了相对于普通微波更高的分辨力，探测深度能够超过可见光50mm的限制。
当样本组织光声效应不够强烈时，通过使用造影剂，对样本结构进行“染色”，可以提高光声转化率，增强声波信号，提高信噪比，实现对组织结构的分辨。但是造影剂一般都是纳米材料，如金纳米棒[13]，在成本和安全性上会存在问题。
结 论
总的来说，光声成像技术在生物医学检测领域有着广泛的适用性，且非常易于改进以适应具体的实践需求。而其中最具有推广潜力的改良方式就是对光——声——光模式的进一步改良。目前有一种非直观偏振显微成像技术（PIMI）综合运用了光波的偏振、相位、强度信息反算近场结构信息[14-15]，如果类似的技术能够运用到光声成像中去，应该能够实现对声波更加精确的探测，进一步提升分辨力与准确性。
参 考 文 献
- 张翔. 高分辨率光声显微镜系统的构建及其生物活体成像[D]. 2018.
- Wang L V. Multiscale photoacoustic microscopy and computed tomography[J]. Nature photonics, 2009, 3(9): 503.
- Wang L V. Tutorial on photoacoustic microscopy and computed tomography[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2008, 14(1): 171-179.
- Wang L V, Hu S. Photoacoustic tomography: in vivo imaging from organelles to organs[J]. science, 2012, 335(6075): 1458-1462.
- Li C , Zou D , Wang G , et al. Ultrasonic detection based on polarization-dependent optical reflection[J]. Optics Letters, 2017, 42(3):439.
- 吴宁, 任秋实, 李长辉. 光声层析成像研究进展[J]. 中国医疗设备, 2015, 30(2):16-20.
- Taruttis A , Ntziachristos V . Advances in real-time multispectral optoacoustic imaging and its applications[J]. Nature Photonics, 2015, 9(4):219-227.
- Wyss A, Schamel M, Sologubenko A S, et al. Reflectance anisotropy spectroscopy as a tool for mechanical characterization of metallic thin films. Journal of Physics D: Applied Physics, 2015, 48(41): 415303.
- Wyss A, Sologubenko A S, Mishra N, et al. Monitoring of stress–strain evolution in thin films by reflection anisotropy spectroscopy and synchrotron X-ray diffraction. Journal of Materials Science, 2017, 52(11): 6741-6753.
- Rodriacute;guez-Herrera O G, Lara D, Dainty C. Far-field polarization-based sensitivity to sub-resolution displacements of a sub-resolution scatterer in tightly focused fields. Optics express, 2010, 18(6): 5609-5628.
- Liu Q D. Time dependent polarization and strain evolution around a circular hole in ferroelectrics. ASME 2012 Conference on Smart Materials, Adaptive Structures and Intelligent Systems, 2012: 47-51.
- Lou C, Yang S, Ji Z, et al. Ultrashort microwave-induced thermoacoustic imaging: a breakthrough in excitation efficiency and spatial resolution[J]. Physical review letters, 2012, 109(21): 218101.
- 吴一多. 棒状纳米金的制备及其在体光声造影应用研究[D]. 2018.
- Liu X, Qiu B, Chen Q, et al. Characterization of graphene layers using super resolution polarization parameter indirect microscopic imaging. Optics express, 2014, 22(17): 20446-20456.
- Cotte Y, Toy F, Jourdain P, et al. Marker-free phase nanoscopy. Nature Photonics, 2013, 7(2):113-117.
以上是毕业论文文献综述，课题毕业论文、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
