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脈動科技10月刊-光聲成像應用的好伙伴來啦!
Friday,  October 18, 2019

光聲成像應用的好伙伴來啦!

光聲成像(photoacoustic imaging)PAI,是一種近年來發展起來的新的醫學成像模式和成像方法。支持PAI的基本原理為光聲效應,那么何為光聲效應?個人認為以下用原子能級躍遷和能量守恒來解釋,更加簡明扼要----使用短脈沖激光照射吸收體時,吸收體中的分子吸收光子后,當滿足一定的條件時,吸收體分子的電子從低能級躍遷到高能級而處于激發態,而處于激發態的電子極不穩定,當電子從高能級向低能級躍遷時,會以光或熱量的形式釋放能量。而釋放的熱量導致吸收體局部溫度升高,溫度升高后導致熱膨脹而產生壓力波(超聲波),這就是需求的光聲信號。                                          


                 
 
             圖一 光聲效應

一、 光聲成像原理及應用

與聲學成像相比,光聲成像利用了光吸收系數,在化學成分的分析方面,有著獨特的優勢。其中,聲波能夠獲取物體的彈性參量、密度等力學特征,應用在生物體中,可以將生物體的功能信息、生理結構等清晰地反映出來。與光學成像相比而言,光聲成像對于組織有著非常高的分辨率,光學成像往往只能夠得出組織表層1mm深度左右的高質量圖像,如果深度偏高,分辨率就會大受影響,與之相比,聲波的散射強度更小,在生物組織中的傳播有著低散射、低耗散的優勢,空間分辨率的成像深度非常理想。

光聲圖像的成像效果,與組織的生理功能、光吸收系數有著密切的關系,在應用的過程中,需要根據各個組織的成分來合理選擇電磁波波長。如DNA、RNA的紫外線吸收能力較強,利用紫外線作為激發光源,即可獲取到高對比度圖像。血紅蛋白主要吸收可見光頻段電磁波,利用光聲成像,可以獲取到關于血液系統的高對比圖像;油脂、水等對于近紅外段電磁波與微波段吸收情況良好,利用近紅外激光、微波作為光源,可以快速分析出其中的異常聚集問題。

在生物組織中,每一種化學成分的光吸收特性都是不同的,在診斷過程中,可以借助多波長激光照射組織來獲取相關信息,通過定性分析與定量分析相結合的方式得出生物組織各項化學組分信息,利用波長與電磁波吸收特性,既可以分析出血紅蛋白含量,還可以獲取到脫氧血紅蛋白與氧合血紅蛋白的相對含量,分析出血氧飽和度。血紅蛋白是生物體內的重要載體,可以直接反映出生物的新陳代謝過程,這對皮膚疾病、腦血管疾病、腫瘤的早期診斷,有著重要的意義。



圖二:多波長下心血管成像
二、 PAI的研究方向

PAI現有如下幾個研究方向。

1光聲層析成像(photoacoustic tomography);PAT采用非聚焦脈沖激光作為照射源超聲換能器陣列檢測光聲信號,由于光散射作用組織內部受到均勻照射,不同深度組織的聲信號到達換能器表面的時間存在差異,因此利用時間分辨技術可以獲得不同層析面的光聲信號,再通過特定的算法重構即可得到成像區域的光聲圖像。

2光聲顯微成像(photoacoustic microscopy);光聲顯微成像通過逐點掃描的方式獲得圖像不需要采用重構算法求解光聲傳播的逆問題,根據掃描方式不同PAM可分為兩種類型,超聲分辨率PAM及光學分辨率PAM。前者通過超聲進行定位可在幾毫米到幾十毫米的成像深度上,獲得幾十微米量級的側向分辨率。光學分辨率PAM則采用會聚的激光束進行掃描,主要適用于深度小于1mm的組織表層,最高可提供納米級的側向分辨率。

3光聲內窺(photoacoustic endoscopy);是一種特殊形式的PAM其特點在于對成像系統進行微型化并采用特殊的掃描方式實現了對內部器官的成像。

4光聲造影劑與分子成像;在光聲成像中,光強和光聲信噪比隨著組織深度的增加呈現指數級衰減。光聲分子成像技術將靶向分子特異性抗體或配體連接到光聲造影劑表面構成探針,再結合到特定組織分子上,改變局部組織的聲學和光學特性,提高成像對比度和分辨率在活體層面實現分子水平的病理成像,為針對性治療和療效評價提供了幫助。

激光波長在700nm~1400nm的近紅外光波內,生物組織對光的吸收和散射都是最小的,所以為了獲得較高的探測深度,應盡量選擇此組織窗口內的吸收譜峰值波長來作為光聲激勵源。由于光在軟組織中傳播存在熱限制和壓力限制,經過計算得出熱限制要求光源脈寬為40.2ms,壓力限制要求光源脈寬為97.4ns。如此,光源的脈沖持續時間就會比組織吸收體的熱擴散和壓力擴散的時間還要小,進而在光聲成像中熱擴散和壓力擴散的影響便可忽略。因此光源脈寬對于API是一個重要的指標。最后系統作用在受體時,激光能量密度能控在ANS中定義的MPE(生物組織最大輻射劑量)為好。

根據上述幾條,有研究人員選取Nd:YAG&SHG 或者以GaAs & ZnS為主要工作物質的半導體激光器作為激勵源。但是現在主流的研究方向均已OPO作為激發源,例如國內此領域的領導者深圳先進院醫工所,均采用OPO方案。

   


三、 德國Innolas EVO OPO的應用

說到OPO,那我就不得不為我們廠家的OPO產品安利一波。Innolas OPO系列激光器沿用緊湊型設計,采用全鋁一體化全鑄鋁激光頭,增加整個系統的穩定性,其次OPO cavity與pump不分離,均集成在同一個激光頭內,使混頻在空間和時間上更加穩定。而最重要的是波長調諧方式的革新。InnoLas 的OPO不是采用傳統的絲桿傳動調諧方式,而是采用角秒計( Galvosmeter )來調諧,全波長范圍調諧時間只需要 10ms! 因此 OPO 的輸出波長可以和特定的脈沖序列同步!特別是在多波長成像對比中,這一優勢無可替代。

而新一代Innolas EVO OPO 采用全新pump Champber設計,提高耦合效率,也大大減小了系統體積。


     

圖三:Innlas EVO OPO



 四、Elforlight公司TETRA應用
 
TETRA – Rapidly Tunable DPSS Laser from Elforlight,此產品為Elforlight 在今年德國慕尼黑激光展中展示產品。核心亮點,4個波長輸出,532 nm, 555 nm, 579 nm, 606 nm,總切換速度或者重復頻率2000Hz,每一個波長可達500Hz,此快速切換多波長,實屬罕見,加之4波長均在可見光范圍內,無疑將會在PAT及MPAI等諸多光學生物成像領域出一份助力。


   
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