光声成像与纤维光学技术

在医疗保健领域，光学成像可以成为诊断和治疗人类疾病的强大工具，但组织是一种高度散射的介质。由于这种光学散射，传统的光学成像方法不能在深层生物组织中提供高分辨率成像。然而，组织中的光信号可以转换成超声(US)信号，而超声信号的散射要小得多。光声成像(PAI)是一种结合了光学成像和超声成像优点的混合成像方式。PA 信号来自光学吸收。在 PAI 中，脉冲或幅度调制的光能被传递到成像目标。

一些 PAI 系统将光能传递到组织表面，而其他 PAI 系统通过光纤。传递的光能被吸收并转化为热能，导致瞬态热弹性膨胀，产生宽带超声发射。产生的光声压力通过介质传播，并在多个位置被超声变换器或变换器阵列探测到。与传统的光学成像方法相比，PAI 可以提供更深的成像深度和更高的空间分辨率，因为生理组织对超声信号的散射比光学信号低2-3数量级。PAI 也可以在不同组织之间提供比超声更高的对比度，因为对比度取决于光学吸收相对于组织的机械和弹性特性。

目前，PAI 可根据目标成像深度分为 PA 显微镜检查法(PAM)、 PA X射线计算机断层成像(PACT)和微创 PA 成像(MIPAI) ，如图1所示。聚丙烯酰胺采用聚焦光学照明和聚焦声学探测(图1) ，可以达到高空间分辨率(< 50微米) ，但低成像深度(< 10毫米)。PACT 采用广域光学照明和无聚焦声学检测(图1) ，提供相对较低的空间分辨率(> 50μm) ，但相对较高的成像深度(10-100mm)。MIPAI 采用内部光学照明(图1) ，提供了这三个类别中最深的成像深度(> 100毫米)。PAI 的空间分辨率和成像深度信息关系如图1(b)所示。

图1。光声成像实现。(a)基于探测深度的光声成像实现。PAI，光声成像; PAM，光声显微镜检查法; PACT，光声 X射线计算机断层成像; MIPAI，微创光声成像; OR-PAM，光学分辨率光声显微镜检查法; AR-PAM，声学分辨率光声显微镜检查法;。(b)光声成像(PAI)技术的空间分辨率与检查深度之间的关系。OR-PAM，光学分辨率光声显微镜检查法; AR-PAM，声学分辨率光声显微镜检查法; PACT，光声 X射线计算机断层成像; IPA，内照明光声; IPA，内照明光声; PAE，光声内窥镜。(c)具代表性的纤维光学光声成像实施方案。OR-PAM，光学分辨率光声显微镜检查法; AR-PAM，声学分辨率光声显微镜检查法; PACT，光声 X射线计算机断层成像; IPA，内照明光声; PAE，光声内窥镜; OF，光学纤维; UST，超声变换器; OFB，光学纤维束; BV，血管; PT，保护管。

根据空间分辨率，PAM 可以进一步分为光学分辨率 PAM (OR-PAM)和声学分辨率 PAM (AR-PAM)(图1)。在 OR-PAM 中，光学聚焦比声学聚焦更紧密，而在 AR-PAM 中，声学聚焦比散射光束更紧密，如图1所示。因此，OR-PAM 成像深度(< 1mm)受到光学扩散的限制，但可以达到较高的横向分辨率(< 10μm)。相反，与 OR-PAM 相比，AR-PAM 成像深度(1-10mm)由声学焦点确定，但提供相对较低的横向分辨率(< 50μm)。总之，与 OR-PAM 相比，AR-PAM 系统通常具有较低的横向分辨率，但具有较高的穿透深度。在这两种情况下，轴向分辨率取决于超声变换器的带宽。通过机械扫描光学/声学聚焦点，然后简单组合扫描信号，形成检测图像。

在 PACT 中，将宽场高能光照射到组织表面，产生由宽带超声换能器探测到的光声波。这些超声换能器可以是一个围绕样品旋转的单个超声变换器，一个由多个变换器元件组成的线性阵列，或者一个由多个变换器元件组成的固定环形阵列。因此，与 PAM 相比，PACT 提供了更高的成像深度(10-100mm)和更低的空间分辨率(> 50μm)。检测图像通常通过数字图像重建算法形成。

由于光子的强烈衰减，PAM 和 PACT 能够与内源发色团形成足够对比的最大组织深度被限制在40毫米。据报道，使用高吸收外源性造影剂表面活性剂剥离的 CyfaP (ss-CyfaP) ，在鸡胸部组织中对 PACT 和 PAM 的最深穿透深度为120毫米。临床应用包括前列腺和乳腺成像。前列腺位于距离皮肤表面超过100毫米的地方。为了处理这些深部内部组织应用，近年来已经开发了微创 PA 成像(MIPAI)。与传统的非侵入性 PAI 技术相比，MIPAI 技术利用纤维光学技术将光线传递到体内进行成像。

MIPAI 系统已经建立在各种临床领域，包括胎儿手术，深部脑成像，前列腺癌成像，肝脏介入指导射频消融术，肠粘膜成像，血管网络成像，宫颈癌诊断等。在这些系统中，光学纤维光传输组件被设置在介入医疗装置的仪器通道中。所述 PA 信号检测组件设置在所述组织的表面或者在所述体内。

根据超声波变换器的安装位置，MIPAI 可分为内照明光声内窥镜(IPA)和光声内窥镜(PAE) ，如图1所示。在 IPa 中，超声波变换器被放置在体外。相比之下，在 PAE，超声变换器在人体内。由于光源可在身体内部设定，因此在所有这些类别中，IPa 和 PAE 的成像深度(> 100毫米)通常最高。这两种情况的空间分辨率是由超声变换器特性决定的。大多数 MIPAI 检测图像通常由数字图像重建算法产生。

1.Jingcheng Zhou, Jesse V. Jokerst, Photoacoustic imaging with fiber optic technology: A review, Photoacoustics, Volume 20, 2020, 100211, ISSN 2213-5979, https://doi.org/10.1016/j.pacs.2020.100211.

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