光声成像技术在疾病诊断中的应用.doc

1、 光声成像技术在疾病诊断中的应用 科 目：生物光学计量 专 业：光电信息工程 任教老师：* 姓 名：* 学 号： 光声成像技术在疾病诊断中的应用 摘 要：光学成像技术是近几年来发展起来的一种新型的对人体没有损害的医学技术。能够对组织体中的光学吸收体进行量化评估的光声成像具有很广阔的发展空间。光和声的结合使得其具有高分辨率和高对比度，光学成像技术是新一代的生物医学强大的技术，可以运用到对生物组织和细胞的成像上面，以便我们对其进行研究。用分子影像学可对分子水平的病变进行检测，遭遇以病理改变为评判基础疾病诊断，实现疾病早期诊断。本文详细的介绍了光声成像的背景以及原理与应用，着重讲述了其在医学诊断上的

2、应用，也展望了其广阔的发展前景。关键词 ：光学成像技术，疾病诊断，背景技术，原理，应用Abstract：Photoacoustic imaging is an important method to detect the disease,It is unharmful to our body,and it can produce a high resolution picture which is convenience for our doctor to find the disease. This article describes the development and give a b

3、rief introduction of the Photoacoustic imaging in medicine and look forward to its future.Focused on the principle,pointed out the importance of it in medicine. Based on the principle,photoacoustic imaging has been use in diagnose.And I put the point on the introduction of the application in some ki

4、nd of diagnose. Keywords:photoacoustic imaging, diagnose,principle,application. 前 言 随着现代科学技术的发展，医学成像对各种疾病的诊断与治疗有着重要的意义。通过对生物的组织和细胞等成像的成像，我们可以对生物的各个部位进行研究，来进行疾病的诊断。 在传统的诊断医学里面，在光的方面，用过X射线等来检查人体里面存在的一些病变，但是由于X射线具有很强的穿透能力，对细胞有一定的损害，而且还有一些病变难以被察觉到。在声的方面，用过超声等，超声检查是建立在组织的声抗上，对一些癌细胞就很难检查出来。而且超声测量的范围也有限，且得

5、到的图像的对比度很低。 由于患者对健康的强烈需求和医学对人体某些疾病的检测传统的开刀有创伤的检测模式转向对患者无创伤的无损检测模式，所以人们期待一种对人体健康无损害，高穿透力，高分辨率，高对比度的成像技术的出现。光声成像技术是近年来发展的一种无损检测医学成像技术，它结合了光学成像和超声成像的优点，正在逐步成为医学无损检测的一个新的研究方向。 所以本文中将会重点介绍，声光成像技术在医学诊断上面的原理以及其在医学诊断上面的应用。1. 概述生物医学光声成像技术是指:当宽束短脉冲激光辐照生物组织时,位于组织体内的吸收体(如肿瘤)吸收脉冲光能量,从而升温膨胀,产生超声波;这时,位于组织体表面的超声探测器

6、件可以接收到这些外传的超声波,并依据探测到的光声信号来重建组织内光能量吸收分布的图像。组织病变部位耗氧量和新陈代谢变化等，都会引起组织对光吸收特性产生变化。因此，光声信号与组织的生理特性、代谢状态和病变特征的有着密切的联系。观察分析这个图像就会达到疾病诊断的一个效果。这门技术是光和声的一个相互补充的技术。实际上，光声成像技术检测的是超声信号，这就弥补了光成像是产生的一些误差（比如成像的深度以及成像的清晰度，分辨率）。另外,光声技术的图像差异来源于组织体光学吸收的不同,这就能够有效地补充纯超声成像技术在对比度和功能性方面的缺陷。所以这门技术是一个将光和声的的缺点都相互弥补的技术。2. 光声成像技

7、术的背景 在过去的几十年中，光声成像技术迅速的发展。很多人做了许多实验解决光声成像所的困难。用数字散斑干涉法，探测光声信号的设想，加上特殊配置的分色镜以及标准CCD镜头和新型感应探测器，使得成像系统能够实现全视场的、非接触的、高精度的后向光声探测；用可平行采集的声透镜实现实时的二维光声成像，通过模拟实验证明了在使用时间分辨技术的情况下，可以不需要算法直接对不同物平面的物体同时显示各吸收体的分布状况；以单一脉冲激光作为光源，采取平行探测方式实现三维光声成像，实验中已获得动态三维图像。近年来，光声成像技术也运用到了临床医学上，却存在很多的问题。早期主要用在血管光声成像，后来光声技术在医学上的运用更

8、加丰富，用在光声血管的造影成像，得到的图像更加深的穿透度和更好的信噪比。同时这项技术上也和光声光谱与CT扫描仪相结合，对静脉和动脉成像，以及利用荧光成像和光声光谱学相结合，开发和测试分子探针。3.光声技术的原理3.1.原理概述 光声效应：通过介质时会造成介质的局部压缩和伸长而产生弹性应变，该应变随时间和空间作周期性变化，使介质出现疏密相间的现象，如同一个相位光栅 。当光通过这一受到超声波扰动的介质时就会发生衍射现象。在生物体内，激光照射组织，组织受热膨胀，就会发生光声效应，产生超声波。 在了解了光声效应的前提下,光声成像的过程大致可以分为三个步骤：一：脉冲光辐射到生物组织体，生物组织体吸收光；

9、二：组织发生光声效应，产生超声波；三：外界探测器接收到超声波，并由此做出图形。下面的图片就是上面的三个步骤的综合:3.2.脉冲光照射组织 脉冲光作用于生物体会使其局部温度升高,称为光生物热效应.生物体生热机制视光子能量而定,低能量光子可引起生物体直接生热,而高能量光子多经过一些中间过程使生物体生热,故生热的途径有2种,其一为吸收生热,生物分子吸收光，本身运动动能增加,温度升高.其二为碰撞生热,生物分子吸收光光能跃迁到某一激发态,在返回到原来的能态或其他低能态时与周围其他生物分子发生多次碰撞,同样使周围分子运动动能增加温度升高。光生物热效应的对外表现为生物体局部温度升高。 值得我们注意的是，生物

10、体的组织对光能量的吸收不同导致光能量吸收分布情况不同，而这个分布会对最后光声信号有影响。由于组织的生化信息直接与组织的光学吸收性质有关的，但是每个个体组织的结构式有差异性的，所以在光与组织作用的这一方面还需要进一步的研究，才能更加灵活的应用到光声成像技术上面。3.3.光声效应，组织产生超声波生物组织吸收了光之后会产生热量，同时会引起生物组织的热膨胀，体积被增大。吸收体体积的膨胀会挤压周围的组织从而产生本地的压力波。这个过程就是前面提到的光声效应，生物体组织膨胀，发生了光声效应，产生了超声波。这个超声的频谱范围大致在100kHz到100MHz，在超声产生了以后，其会传播，在传播的过程中会发生声衍

11、射，以及声衰减，对光声信号产生影响。3.4.探测器接收超声波进行绘图 生物组织产生了超声波以后，被我们放置在外面的探测器检测到。光声检测的方法主要有两种。方法一：压电材料的换能器所用的材料主要是压电陶瓷和高分子压电材料聚偏氟乙烯。压电陶瓷具有很高的灵敏度,在大块组织(如女性的乳腺组织)的深度成像方面有优势。而高分子压电材料聚偏氟乙烯虽然在灵敏度方面与压电陶瓷比较稍有不足,但由于其具有宽的响应带宽,易制作,低声阻抗等的优点,被认为是普遍适用的光声成像探测材料。压电材料换能器的优点： 检测光声信号时灵敏度和信噪比很高，效果很好。方法二：光学检测，光学检测是基于光声- 压力- 表面位移或折射率改变的

12、原理. 如图1所示将一棱镜放置于被测物体表面,通过检测被光声信号调制的反射光束的强度来达到检测光声信号的目的。用一个基于高分子薄膜的法布里- 珀罗干涉仪来检测光声信号。如图2所示,由于激发的光声信号可调制高分子薄膜的光学厚度,从而改变了相应的反射光束的信号强度。用这样的方式,通过解调光电二极管来探测到的信号便可得到样品中的光学吸收体分布情况。光学检测光声信号的优点： 由于光学方法有潜力应用于无接触，大面积，高分辨率的快速检测, 所以其可能在人体表层细微血管成像等方面有大的发展潜力。 图1 图24.光声技术的应用4.1光声成像在癌症早期诊断和治疗监控中的应用癌症是如今致死率最高的一种疾病，特别是

13、晚期的癌症，一般都没办法去治疗。因为缺乏诊断，这就给人们的健康就医带来了很多的不便。虽然现在在医学方面一存在很多的影像技术，但是却存在很多的缺点，比如分辨率很低，敏感性不强，在很多的应用上面都受到限制，及其不方便。新血管生成是肿瘤迅速增殖和转移的重要条件之一。新生的血管网不仅为肿瘤的生长和转移提供养料和氧气，运走代谢产的废物，而且还以旁分泌的形成刺激肿瘤的生长，并促进肿瘤细胞进入血液循环，向其它组织、器官浸润、转移。当肿瘤生长到0203 mill时，如没有血管供应营养，肿瘤细胞将停止生长并死亡。肿瘤也不能经血道发生转移，因此肿瘤细胞就失去致瘤性和致死性。恶性肿瘤的无限制侵袭性生长及其转移依赖于

14、血管生成。因此，监测肿瘤的新生血管化对于研究肿瘤的发生发展机制，有效改善肿瘤的预后有着重要的作用。光声成像技术可用来在体监测肿瘤的新血管生成。光声图像除了可以反应组织的光吸收分布，还可以反应组织的热学和粘弹性质以及组织密度等物理性质的改变。由于血管中血液比周围组织对532nm吸收要强很多，所以可以得到高对比度的光声血管图像。光学成像具有高对比度，超声成像具有高穿透度，光声成像把二者结合了起来。由于生物组织的光声信号与组织的生理特征、代谢状态、病变特性密切有关。结合分子探针或对比剂增强技术，可使肿瘤组织相对于正常组织的光学吸收对比度变得更加显著(特异性的靶向定位)。因此，光声成像技术有望成为非常

15、有效的进行肿瘤早期诊断成像检测方法。它既是一种无损伤的结构成像方法，也是一种反映组织特征分子动态信息的功能成像方法，可为肿瘤在位无损检测提供一种信息丰富、实时快速的动态成像检测技术。下面为肿瘤感染的图像： 图3光声成像技术可清晰的呈仿生血管的像。左图为被肿瘤细胞感染7天的仿生血管图，右图为被感染11天后仿生血管的图像。图像非常清晰，且容易辨认出来。光声技术的成功实现，对肿瘤早期检查与治疗具有长远战略意义和重大现实价值，对昂贵而尖端的医学影像领域起重要促进和补充作用。从而将早期肿瘤普查与筛查推进到亚毫米和微米量级，为肿瘤定位、定量与定性研究，提供了高分辨、高灵敏、无损和实时的肿瘤形态与结构成像、

16、功能成像和分子靶向增强功能成像以及三者融合成像的理论方法与关键技术；将与现有医学成像和研究中的分子成像技术互补，并克服其局限性。研究和发展癌症治疗过程多物理因素集总与分离的多参量监控动态成像技术，对温度、组织损伤、微血管监测、组织生物力学等参量分布进行在线动态监控成像，并克服目前成像技术遇到的难题，将肿瘤治疗动态监控成像技术提升到一个新的高度。光声成像在癌症早期检测和治疗监控中具有很好的优势，以及很好的前景。4.2光声成像技术在血栓无损诊断中应用 血栓是血流在心血管系统血管内面剥落处或修补处的表面所形成的小块，血栓性疾病严重威胁人类的生命健康，其发病率高居各种疾病之首，且近年来还有渐增之势，是

17、当代医学研究的重点和热点之一。针对目前对短脉冲激光辐照组织体时在组织体内形成的光分布、光能量沉积及该分布对光声信号的影响这一基础性问题研究不充分的现状，设计实验弥补光声成像基础性问题研究的部分不足之处。采用聚焦光声系统研究埋有柱状吸收体的模拟样品光声时域与频谱特征。采用基于聚焦超声换能器的光声系统能够有效减少非聚焦区光声信号的影响，获得聚焦区内吸收分布。利用该系统在模拟介质中研究了周围介质散射对柱状吸收体光声信号的影响以及柱状吸收体的散射性质对光声信号的影响。实验结果表明柱状吸收体光声信号幅值随周围介质散射增大呈指数衰减，频率加权平均值则随散射增大呈二阶指数衰减，且低频部分的权重随之增加：在吸

18、收体尺寸在毫米量级，柱状吸收体本身散射改变对光声信号影响十分有限，可以不考虑。基于焦区聚焦换能器的光声血栓检测技术。该技术能够快速实现对全血、急性栓子及慢性栓子的尺寸以及光能量沉积情况的检测。实验测试结果表明，光声信号幅值和频率加权平均值都可以反映吸收体分布，准确分辨急慢性血栓以及血栓的尺寸。初步的实验结果已经展现了该技术在血栓检测方面的可行性。该工作的实现对扩展光声成像的在心血管疾病领域的应用，具有积极的意义。把聚焦光学成像技术应用到血栓无损检测诊断上面，可以早点诊断出来，让患者更好的治疗，给人们带去福音。4.3光声层析成像技术在骨坏死早期诊断中的应用 坏死是骨科临床常见的疾病，严重地影响人

19、类健康及生存质量，临床研究表明骨坏死治疗效果取决该病的早期诊断。x线成像、计算机断层摄影(CT)及同位素骨扫描等一些传统的检查方法难以对骨坏死进行早期诊断。应用光声成像技术可以解决这个问题，能够在早期的诊断中发现坏死的骨头，方便患者及时的去治疗。取实验组新西兰大耳白兔股骨头，将其用琼脂固定在样品台上，同样将人股骨头坏死标本应用琼脂固定在样本台上，运行光声成像系统，进行数据采集与图像重建图。4a：兔股骨头坏死标本；图4b：人股骨头坏死标本；图4c：兔股骨头坏死光声成像的重建图像；图4d：人股骨头坏死标本光声成像的重建图像。 从实验结果可以看出，重建图像和股骨头标本的坏死部位、形状及尺寸完成吻合，

20、图像具有高的组织对比度和空间分辨率。 图44.4光声成像在血糖检测在与疾病控制的应用 糖尿病是一组以高血糖为特征的代谢性疾病。高血糖则是由于胰岛素分泌缺陷或其生物作用受损，或两者兼有引起。糖尿病时长期存在的高血糖，导致各种组织，特别是眼、肾、心脏、血管、神经的慢性损害、功能障碍。 现有的血糖检测方法按大致可分为两大类。一类为葡萄糖氧化法，其典型检测方式是用电化学检测(电势或电流测定化学成份)或尿液检测。该方法主是依据葡萄糖会在氧化酶的作用下产生葡萄糖酸与过氧化氢，因此，人们可以根据葡萄糖酸与过氧化氢的多少来确定葡萄糖的浓度。它在血糖检测中极为灵敏、准确且稳定，因此临床检测中常采用的方法。但由于

21、该方法具有侵入性的特点，每次检测都需从人体提取适量的血液或体液从而无法实现无损、实时、在体监测。另一类检测方法为非侵入性的光学检测，目前采用的光学检测方法主要有近红外传输与反射法、空间分辨的漫反射法、偏振检测法、拉曼光谱法、OCT等等。它们主要是基于近红外光照射人体组织时经组织体的传输、吸收、散射、漫反射等等过程后出射光便携带有大量组织体的信息，而后通过对光强、偏振、波长、频率、位相等等的分析得到组织体的光学参数，最后，通过对参数的变化分析得到血糖的浓度变化。由于光学检测方式无需接触或是侵入人体从而能够很好的实现在体、实时、连续的监测。但由于它的变化很大取决于组体的光学参数变化，而组织体光学参

22、数的变化又受到运动、饮食、周围温度变化、人体的新陈代谢以及药物的影响，从而使得最终测定的数据不够稳定。现今在生物医学上使用的光声技术主要是以弱激光辐照下产生的光声效应为核心，并通过探测器接收外传的超声信号来反演组织体的各种生物信息。它最大的特点在于它结合了光学的强对比性与超声的高分辨性于一身。它能够依据不同的对像以及要求进行多尺度、多方式的刻画组织体的各种生物信息，并且可以在一种非接触，无损，实时的状态下进行测定，同时与其它光学方法相比成像深度深，能够实现对深埋于组织体中几个厘米的吸收体进行成像。因此，目前研究表明光声技术能应用于生物医学中的许多方面。近十年来，对该项技术比较热门的研究主要是研

23、究特定波长下具有特异吸收的对象进行成像。但在血糖检测方面应用的研究不多，归纳起来主要有两种方法：其一、利用如前所述的光吸收差异来检测的光声光谱法，它主要是利用在近红外或红外血糖强吸收的波长下进行的，通过观察光声信号的峰峰值大小变化来反映血糖的浓度大小；其二、通过测定组织体的光学参数来反映血糖浓度的大小，并利用光声信号中的波形与组织体光学参数之间相互关系来确定组织体的光学参数，从而获取了样品光学参数变化与血糖浓度变化之间的关系。 如果我们用光声成像技术来检测血糖，则可以在早期诊断中及时发现，及时治疗。但是目前这个技术还在研究当中，虽然没有投入实际的应用，不过这项技术在未来式有着很好的发展趋势。

24、利用聚焦式换能器侧向扫描检测组织光学参数的方法运用于当前人们所关注的血糖检测上。实验结果证明了该方法在检测上能够实现无损检测。同时，从实验结果中反映出当血糖浓度逐渐增加时会引起组织体光学参数的变化，并且随着血糖浓度的增加有效衰减系数发生相应的减少。检测方式目前还存在的问题在于扫描检测花费的时间较长，还很难应用于实际的监测。我们今后还应该考虑如何提高该方法检测的时间问题。 虽然存在很多的问题，不过我相信，不久的将来这项技术将会被研究出来，投入使用，那时将会是一个新的突破。5.总结 光声成像技术结合了光学成像和超声成像各自的优势，目我们主要介绍了其原理以及应用。原理从光声效应，光转超声到接收器探测

25、超声都作了很详细的介绍。在应用方面，无论是在早期的癌症检查方面，还是骨坏死诊断方面，脑血栓诊断，血糖早期诊断方面，都作了详细的介绍。在详细的了解了其原理和应用之后，让我们看到了这项技术的广阔应用空间以及其在生物医学诊断上面强大的能力。6前景以及展望过去的十年光声成像技术已经取得了长足的进步. 虽然目前绝大多数工作还处于实验室阶段,距临床还有相当的一段距离,但是前期的成果已经让人们看到该技术的光明前景。光声成像技术是一种无损的检测技术。近年来光声成像技术已经称为研究和临床医学研究的热门方向。随着光声成像技术理论的成熟和不断的研究改进，光声技术将拥有广阔的发展前景，特别是在临床医学上的无损检测。光

26、声成像几十年的研究显示了这项技术对生物组织内一定深度的成像有高分辨率和高对比度优点，有其他成像技术在现阶段不可相比拟的特点。而又因为光声成像技术有无辐射，无损伤，对身体无伤害等特点而备受生物无损检测的关注，国际上也有许多研究学者致力于光声成像技术的研究，使的光声成像技术得到了迅速的发展。但光声成像技术现在还局限于研究领域，只有很少的研究者正真运用到了临床医学上。同时光声成像技术也还有很多方面需要改进和完善。就如前面我们提到的应用，几乎都是建立在实验阶段，或多或少存在一些问题，还没有应用到临床医学上面，相信在不久的将来，人们便可以解决这些问题，将光声成像技术熟料的应用在生物医学的诊断上面了，给患

27、者带去福音。 参 考 文 献【1】生物医学光声成像 徐晓辉李晖 2008，2期【2】生物化学与生物物理进展 2008（35）11:13261331【3】谷怀民;杨思华;向良忠光声成像及其在生物医学中的应用期刊论文- 2006(05)【4】Kolkman R G M;Hondebrink E;Steenbergen W In vivo photoacoustic imaging of blood vessels using an 2003(02)【5】Ku G;Wang X D;Stoica G Multiple-bandwidth photoacoustic tomography 2004(0

28、7)【6】卢涛 光声技术在生物医学成像中的应用基础研究学位论文2007【7】谢文明 基于扫描光声成像技术的组织光学性质及血糖检测学位论文2010【8】光声层析成像技术在骨坏死早期诊断中的应用 幸胡军 动邢达学位论文 2008【9】光声成像在癌症早期检测和治疗监控中的应用 向良中 20070601【10】基于扫描光声成像技术的组织光学性质及血糖检测【11】冯若. 超声手册. 南京: 南京大学出版社, 1999 Feng L.Handbook of Ultrasound. Nanjing: Publishing House of Nan2jing University, 1999 ( in Chinese) 【12】谭毅, 邢达, 王毅等. 光子学报, 2005, 34: 1019 Tan Y,Xing D, Wang Y et al. Acta Photonica Sinica, 2005, 34: 1019( in Chinese) word文档 可自由复制编辑