第6章--生物物理技术-成像技术.doc

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1、第六章 成像技术生物物理技术是指用物理学的原理来研究生物分子的技术。生物物理技术主要应用于研究生物大分子，如蛋白质，核酸以及多糖的结构及其功能，从而了解它们的作用机制，解决一些实际问题。目前生物物理技术不仅应用于生物领域，还被广泛的应用于医学界，为人类疾病的诊断和治疗做出了巨大贡献。本文主要介绍一下一些常用的生物物理成像技术的原理及它们在生物医学领域的应用，包括：激光共聚焦荧光成像技术，双子荧光成像技术，漫射光成像技术，二次谐波成像技术，X射线衍射技术，光学相干断层成像，以及医学上常用的核磁共振成像技术，热声成像技术，光声成像技术等十四种成像技术。目录1.激光共聚焦显微镜系统的原理和应用11.

2、1.激光共聚焦显微成像的基本原理11.2.激光共聚焦显微成像的基本原理21.2.1.在细胞及分子生物学中的应用21.2.2.在神经科学中的应用21.2.3.在耳鼻喉科学中的应用21.2.4.在肿瘤研究中的应用21.2.5.激光扫描共聚焦显微镜在内分泌领域的应用31.2.6.在血液病研究中的应用31.2.7.在眼科研究中的应用31.2.8. 激光扫描共聚焦显微镜在肾脏病中的应用32.双光子荧光成像32.1双光子荧光成像的原理32.2双光子荧光成像技术的应用43.漫射光成像技术63.1漫射光成像技术的原理63.2漫射光成技术的应用84.近红外光谱成像技术原理及应用94.1近红外光谱成像的原理94.

3、2近红外光谱成像的应用114.2.1制药领域中的应用114.2.2农业和食品检测114.2.3其他领域中的应用115.光声成像的原理及应用115.1光声成像的原理115.2光声成像在生物医学中的应用136.声光成像原理及应用146.1声光成像的原理146.2声光成像的应用157.热声成像的原理及应用167.1热声成像的原理167.1.1辐射频率的选择167.1.2装置167.1.3空间分辨率177.1.4影像效果188近场光学显微技术原理及应用188.1近场光学显微镜构成与工作原理188.2 近场光学显微技术的应用198.2.1 物理领域198.2.2 生物领域208.2.3 高密度光存贮21

4、9二次谐波成像原理及应用219.1二次谐波成像的原理219.2在心脏疾病检查中的应用229.2.1高血压病性心脏病、冠心病、心肌梗死229.2.2心肌病变239.2.3在心脏声学造影中应用239.3在腹部疾病检查中的应用2310X光相衬成像技术的原理及应用2410.1X光相衬成像技术的原理2410.2X光相衬成像技术的应用2411.扩散光子成像的原理及应用2511.1扩散光子成像技术的原理2511.2扩散光子成像的应用2612.核磁共振（MRI）成像技术原理及应用2612.1核磁共振（MRI）层析成像原理2712.2核磁共振检查目的2712.3核磁共振检查的优点2812.4核磁共振检查的缺点2

5、812.5核磁共振检查必需的注意事项2813生物电阻抗成像技术原理及应用2913.1 电阻抗断层成像原理2913.1.1正常组织的阻抗变化2913.1.2病变组织的阻抗变化2913.2 电阻抗断层成像在医学中的应用3013.2.1在消化道疾病诊断中的应用3013.2.2 在肺换气及肺部病理检查中的应用3013.2.3 心动周期中的充盈变化3013.2.4肿瘤治疗中监测温度变化3013.2.5其它方面的应用3014光学相干层析成像技术原理及其应用3114.1光学成像原理3114.1.1光学相干层析成像技术（OTC）简介3114.1.2后向反射光相干层析成像3114.1.3透射光相干层析成像331

6、4.1.4光相干层析成像技术的进展3314.2医学中的应用3314.2.1眼科3414.2.2心血管3414.2.3皮肤3514.3 OTC技术运用的限制3515.小结361. 激光共聚焦显微镜系统的原理和应用 激光扫描共聚焦显微镜是二十世纪80年代发展起来的一项具有划时代的高科技产品，它是在荧光显微镜成像基础上加装了激光扫描装置，利用计算机进行图像处理，把光学成像的分辨率提高了30%-40%，使用紫外或可见光激发荧光探针，从而得到细胞或组织内部微细结构的荧光图像，在亚细胞水平上观察诸如Ca2+ 、PH值，膜电位等生理信号及细胞形态的变化，成为形态学，分子生物学，神经科学，药理学，遗传学等领域

7、中新一代强有力的研究工具。激光共聚焦成像系统能够用于观察各种染色、非染色和荧光标记的组织和细胞等，观察研究组织切片，细胞活体的生长发育特征，研究测定细胞内物质运输和能量转换。能够进行活体细胞中离子和PH值变化研究（RATIO），神经递质研究，微分干涉及荧光的断层扫描，多重荧光的断层扫描及重叠，荧光光谱分析荧光各项指标定量分析荧光样品的时间延迟扫描及动态构件组织与细胞的三维动态结构构件，荧光共振能量的转移的分析，荧光原位杂交研究（FISH），细胞骨架研究，基因定位研究，原位实时PCR产物分析，荧光漂白恢复研究（FRAP），胞间通讯研究，蛋白质间研究，膜电位与膜流动性等研究，完成图像分析和三维重建

8、等分析。（引用自网页）1.1. 激光共聚焦显微成像的基本原理传统的光学显微镜使用的是场光源，标本上每一点的图像都会受到邻近点的衍射或散射光的干扰；激光扫描共聚焦显微镜利用激光束经照明针孔形成点光源对标本内焦平面的每一点扫描，标本上的被照射点，在探测针孔处成像，由探测针孔后的光点倍增管（PMT）或冷电耦器件（cCCD）逐点或逐线接收，迅速在计算机监视器屏幕上形成荧光图像。照明针孔与探测针孔相对于物镜焦平面是共轭的，焦平面上的点同时聚焦于照明针孔和发射针孔，焦平面以外的点不会在探测针孔处成像，这样得到的共聚焦图像是标本的光学横断面，克服了普通显微镜图像模糊的缺点。（引用自网页）图1 激光扫描共聚焦

9、显微镜结构简图1.2. 激光共聚焦显微镜系统应用领域：涉及医学、动植物科研、生物化学、细菌学、细胞生物学、组织胚胎、食品科学、遗传、药理、生理、光学、病理、植物学、神经科学、海洋生物学、材料学、电子科学、力学、石油地质学、矿产学。（引用自网页）应用范围：细胞形态学分析（观察细胞或组织内部微细结构，如：细胞内线粒体、内质网、高尔基体、微管、微丝、细胞桥、染色体等亚细胞结构的形态特征；半定量免疫荧光分析）；荧光原位杂交研究；基因定位研究及三维重建分析。（引用自网页）（1）. 细胞生物学：细胞结构、细胞骨架、细胞膜结构、流动性、受体、细胞器结构和分布变化；（引用自网页）（2）. 生物化学：酶、核酸、

10、FISH（荧光原位杂交）、受体分析（引用自网页）（3）. 药理学：药物对细胞的作用及其动力学（引用自网页）（4）. 生理学：膜受体、离子通道、细胞内离子含量、分布、动态（引用自网页）（5）. 神经生物学：神经细胞结构、神经递质的成分、运输和传递、递质受体、离子内外流、神经组织结构、细胞分布（引用自网页）（6）. 微生物学和寄生虫学：细菌、寄生虫形态结构（引用自网页）（7）. 病理学及临床应用：活检标本诊断、肿瘤诊断、自身免疫性疾病诊断、HIV等（引用自网页）（8）. 遗传学和组胚学：细胞生长、分化、成熟变化、细胞的三维结构、染色体分析、基因表达、基因诊断（引用自网页）（9）. 激光共聚焦显微镜

11、在医学领域中的应用（引用自网页）1.2.1. 在细胞及分子生物学中的应用（1）. 细胞、组织的三维观察和定量测量图2用激光共聚焦显微镜对细胞的三维观察（2）. 活细胞生理信号的动态监测（3）. 粘附细胞的分选（4）. 细胞激光显微外科和光陷阱功能（5）. 光漂白后的荧光恢复（6）. 在细胞凋亡研究中的应用（引用自网页）2. 1.2.2.在神经科学中的应用（1）. 定量荧光测定（2）. 细胞内离子的测定（3）. 神经细胞的形态观察（引用自网页）1.2.3.在耳鼻喉科学中的应用（1）. 在内耳毛细胞亚细胞结构研究上的应用（2）. 激光扫描共聚焦显微镜的荧光测钙技术在内耳毛细胞研究中的应用（3）.

12、激光扫描共聚焦显微镜在内耳毛细胞离子通道研究上的应用（4）. 激光扫描共聚焦显微镜在嗅觉研究中的应用（引用自网页）1.2.4.在肿瘤研究中的应用（1）. 定量免疫荧光测定（2）. 细胞内离子分析（3）. 图像分析：肿瘤细胞的二维图像分析（4）. 三维重建（引用自网页）图3共聚焦激光显微镜分析staurosporin诱导HeLa细胞凋亡过程中TFAR19蛋白的核转移（引用自网页）1.2.5. 激光扫描共聚焦显微镜在内分泌领域的应用（1）. 细胞内钙离子的测定（2）. 免疫荧光定位及免疫细胞化学研究（3）. 细胞形态学研究：利用激光扫描共聚焦显微镜（引用自网页）1.2.6. 在血液病研究中的应用（

13、1）. 在血细胞形态及功能研究方面的应用（2）. 在细胞凋亡研究中的应用（引用自网页）1.2.7. 在眼科研究中的应用（1）. 利用激光扫描共聚焦显微镜观察组织、细胞结构（2）. 集合特殊的荧光染色在活体上观察角膜外伤修复中细胞移行及成纤维细胞的出现（3）. 利用激光扫描共聚焦显微镜观察视网膜中视神经细胞的分布以及神经原树枝状形态（4）. 三维重建（引用自网页）1.2.8. 激光扫描共聚焦显微镜在肾脏病中的应用可以系统观察正常人肾小球系膜细胞的断层扫描影像及三维立体影像水平，使图像更加清晰，从计算机分析系统可从外观到内在结构，从平面到立体，从静态到动态，从形态到功能几个方面对系膜细胞的认识得到

14、提高。（引用自网页）2. 双光子荧光成像近红外光对生物样品的激发具有光损伤小、穿透深度深和荧光收集率高等优点。结合双光子激发荧光(TPEF)与二次谐波(SHG)，配以可调谐近红外激发光源的多光子显微镜技术，可以通过细胞内的双光子激发荧光以及细胞外胶原纤维二次谐波提供实时的内生差异信息。因TPEFSHG图像能很好地提供组织细胞内外结构形态方面的信息，多光子显微技术已经成功应用于脑、神经、皮肤、眼科、口腔、肠胃等各种组织成像以及光学活检领域。2.1 双光子荧光成像的原理采用的仪器由双光子显微镜系统(Axiovert200，Zeiss LSM 510 META)和锁模钛宝石飞秒激光器(110 fs，

15、76 MHz，波长范围700980 nm)组成。实验装置如图1所示(AoM为声光调制器，MDBS为主二色分光镜，IR为近红外滤波片，PMT为光电倍增管，BS为分束器)。飞秒脉冲激光经由主二色分光镜(Main Dichroic Beam Splitter，MDBS)进入共焦显微镜的扫描器，然后由63物镜(A PlanApochromat，63 X，NA一14 oilimmersion objective，Zeiss)聚焦于样品表面。扫描显微系统主要由xy扫描器和步进电动机(HRZ200，Zeiss)组成。xy扫描器能快速扫描光束以获得XY图像。获得图像中的每个像素所需时间为256fs。步进电动机

16、则将样品在z方向移动，以便系统获取光学切片，实现光层析。TPEFSHG信号由一高质鼍反射光栅和32通道PMT阵列组成的META探测器接收。META探测器前的红外(IR)滤光片(Zeiss，KP650)过滤激发光。激光激发波长为730 nm和850 nm。因为730 nm激发波长最适合成像细胞结构，而在850 nm激发波长激发下，胶原纤维主要发生光学二次谐波效应，这样可以避免产生自体荧光而损伤生物组织。(李钻芳等，2009)图4 双光子荧光成像的原理(李钻芳等，2009)2.2双光子荧光成像技术的应用主要应用于生物与医学领域。例如，在生物方面，双光子荧光探针可用于离子识别、DNA片段测定、特定蛋

17、白质的荧光标记。在医学方面，双光子荧光探针可用于探测蛋白质表达的变化或异常造成疾病的发生， 通过蛋白质双光子标记物研究疾病机理， 对疾病进行预警，防患于未然， 实现对疾病的早期发现、 早期治疗和早期诊断， 同时开发针对各种疾病机理的高效药物等。 图5 930nm激光激发的双光子图像。样品是用NIH 3T3 细胞中的经过着色的Dil油脂(黄池宝等,2007)图6三种甲状腺组织的TPEFSHG图像及对应H&E染色切片图(黄池宝等,2007)图7 双光子激光扫描显微镜观察的已用ASP和右旋糖酐结合的颈静脉的血管和近端小管(黄池宝等,2007)Fig. 3 2c2pLSM image of MIN6

18、cells. Graphs on the right show fluorescence decay data averaged over the marked areas.The solid lines represent a biexponential function which fits the data best. 1 and 2 are the fluorescence lifetimes corresponding to this fit. Fluorescence lifetimes in the cytoplasm are higher than in the nucleus

19、. The dark stripes(400 nm only， 800 nm only)show that other processes than 2c2p absorption are negligible图8光子荧光成像观察的小鼠胰腺细胞(引自网页)3.漫射光成像技术3.1漫射光成像技术的原理图9漫射光成像技术的原理(Feng Hua-cheng etal，2008）在图9中，激光器(2)(VA671200，Viasho，China)发出波长为671 nm，最大功率为200 mW的激光(输出功率可调)。该激光由信号发生电路(1)(自制)输出的低频信号调制成5 kHz的正弦光信号，以方便后

20、续的信号处理，如噪声去除。调制后的光信号被耦合进一个116的光开关(3)(SUNFSW l16MM，SUN，China)，轮流转接到16根发射光纤中的l根，在不同时刻照射组织表面的不同位置。发射光纤与检测光纤束被固定在成像腔(4)(自制)周围的安装孑L上。如果发射光纤与检测光纤束安装在同一环小孔上，则系统用于2一D成像；安装在不同环的小孑L上，则可以用于3-D成像。盛有组织仿体的玻璃杯被固定于成像腔内。光子在组织区域力内传播的过程中，有一部分被组织吸收，一部分在经过多次散射后逃逸出组织边界扪。(Feng Hua-cheng etal，2008）16根检测光纤束收集逸出组织边界的光子，并通过光学

21、多路复用器(5)(自制)的切换轮流转接到输出光纤柬并导入暗箱(6)(自制)，照射暗箱中的PMT(R928，Hamamatsu。Japan)，PMT将光信号转换成电信号，后续放大电路(1)再对该电信号进行放大、滤波、检波等处理。光学多路复用器由马达控制电路(7)(自制)驱动马达进行光接收通道的切换。发射光纤是芯径为625m的标准通信光纤，这样可以使得照射到组织表面的光源是一个比较理想的点光源，以方便系统建模和数学处理。检测光纤束通过一个光学多路复用器进行切换。光学多路复用器是自制产品，其原理与光开关类似。为了高效地收集逸出组织表面的光子，定制的检测光纤束芯径为1 mm，而输出光纤束的芯径为2 m

22、m。这样光信号从小芯径的检测光纤束传导进大芯径的输出光纤束，其能量损失会远小于相反的过程。与光开关耦合的光纤芯径通常都要求在m级别，不适合用于光子的高效收集，这是检测端使用自制的光学多路复用器而不使用工业标准的光开关的原因。放大电路(1)(自制)是具有很高抗噪性能的锁相放大电路，它有两路输入：一路是来自PMT的检测信号，另外一路是信号产生电路输出的参考信号。锁相放大电路可以很有效地滤除微弱信号中的噪声，获得很高的信噪比。放大后的信号经采集卡(8)(N15112，Nl，USA)进行AD转换后采集进计算机(9)，经过数字信号处理后用于图像重建。图2是实际成像系统各分立部件的照片及其相互关系。系统控

23、制以及数据采集软件协调控制系统各活动部件的运动以及信号的采集与处理工作，使得系统具有较高的自动化程度。系统控制与数据采集过程如下：计算机通过RS一232串口发送指令给光开关，切换光源通道，使得光源轮流照射组织表面不同位置。7光源通道切换后，计算机通过串口发送指令给光学多路复用器的马达驱动电路，驱动马达旋转，切换光接收通道，使得16根检测光纤束中的光信号轮流被导入到输出光纤束，并引导到暗箱中照射PMT。PMT转换出的电信号是一个幅度调制信号，在经过放大、滤波、信号幅度提取(检波)等处理后被采样进计算机，作为图像重建的原始数据。所有16个光接收通道转换一遍后再切换光源通道，直到16个光源通道都切换

24、完毕，这样可以得到1616(即256)个检测数据，再用这256个检测数据重构组织内的光学参数。(Feng Hua-cheng etal，2008）3.2 漫射光成技术的应用漫射光成像技术主要用于医疗检测中，如可以用漫射光成像技术检测乳腺癌、早期宫颈癌、胸腔癌等的检测。图10光成像用于对大脑活动的研究(许衡等,2000)4. 近红外光谱成像技术原理及应用近红外光谱(near infrared spectroscopy，NIR)技术可以快速高效地测定样品中的化学组成和物化性质，成为工矿企业和科研部门不可或缺的一种分析手段，已广泛应用于农业、石化、制药、食品和临床医学等领域。近红外光谱技术得到的是样

25、品某一点(或很小区域)的平均光谱，因而是样品组成或性质的平均结果，非常适合用于均匀物质的分析。如果想得到不同组分在不均匀混合样品中的空间分布及浓度分布，则需要采用光谱成像技术3，如红外、近红外、拉曼和荧光光谱成像等。光谱成像技术将传统的光学成像和光谱学方法结合起来，可以同时获得样品空间各点的光谱，从而进一步得到空间各点的组成和结构信息。光谱成像先前多应用于遥感测量，如地质、农业、海洋、环境以及军事等领域的测量，依据光谱分辨能力的不同称为多光谱成像(multispectralimaging)或高光谱成像(hyperspectral imaging)4|。近些年，随着过程分析技术的兴起，现代化学计

26、量学方法被应用于光谱图像数据的分类和识别，光谱成像仪器逐渐走进了实验室和生产现场，成为分析检测中的一种平台技术，光谱成像也越来越多地被化学成像(chemical imaging，CI)一词所替代。尤其是宏观的近红外化学成像(NIRCI)技术，目前正在成为传统近红外光谱的互补技术，在制药、农业和食品等领域获得广泛关注，并得到了实际应用。（褚小力等，2008）4.1 近红外光谱成像的原理光谱图像是对样品的每一个空间点在多个离散或连续波长下扫描得到的，它实际上是由三维数据阵(两维空间和一维波长)组成的，称为超立方阵(hypercube)，如图11所示。（褚小力等，2008）图11 光谱成像得到的立方

27、阵示意图（褚小力等，2008）这个超立方阵可看作是由一系列空间分辨光谱(称为像元，pixel)，或一系列光谱分辨图像(称为像平面，image plane)组成。选择一个独立像元就会得到样品某一特定空间点的连续光谱，同样，选择一个像平面就会得到样品所有空间点在某一特定波长下的强度响应(吸光度)，即光谱图像。通过光谱谱图库检索或现代模式识别技术，就可辨识出样品空间的组成分布信息，并由彩色的视图直观清晰地表示出来，即化学图像。目前尚无方法能一次直接获取样品的超立方阵光谱图像数据，只能一次获得两维数据，然后将其顺序排列堆积成三维数据阵。这可以由两种方式实现，一种是将样品放到可动载物台上，使其顺次沿着横

28、纵两个方向移动，逐点测量光谱，最后组成三维光谱图像，称为推扫式(pushbroom)成像，也称为绘图式(mapping)成像，这种方式多使用单点检测器；对于传送带移动的样品，也可使用线阵列检测器。推扫式测量方式花费时间长，测试一个样品往往需要数小时之久。另一种是固定样品，利用二维阵列检测器逐个波长地获取样品的图像，称为凝视成像(staring imager)。由于液晶可调谐滤光器(LCTF)和声光可调谐滤光器(AOTF)技术的出现和得到越来越多的应用，以及红外焦平面阵列(FPA)检测器逐渐由军用转向民用p引，凝视成像被越来越多地用于红外和近红外光谱成像系统。目前推扫式成像和凝视成像两种方式都有

29、商品化仪器，尽管两者在成像方式上有所差异，所用器件也不完全相同，但都由光源、成像光学系统、分光系统(波长选择)、检测器和采集系统11几部分组成，如图2所示。与光谱测量相似，光谱成像也有漫反射和透射两种测量方式，但目前多采用漫反射方式。依据不同的光学设计，分光系统可以位于样品和光源之间，也可以位于样品和检测器之间。（褚小力等，2008）在近红外光谱区域，光源通常采用石英卤素灯，也可采用一组发光二极管作为光源，而省去分光系统。分光系统可采用滤光片(包括线性可变滤波片)、光栅、Hadamard变换、干涉仪及可调谐滤光器等。由于可调谐滤光器(如AOTF和LCTF)机械结构简单灵活、没有可移动部件、成本

30、相对较低等原因，而被光谱成像仪器所采用。对于宏观成像，成像光学系统采用聚焦透镜，对于微观形态成像，则采用显微镜物镜。目前，宏观成像技术越来越受到重视，得到越来越多的应用。所采用的系统如图12所示。图12 光谱成像仪器组成示意图（褚小力等，2008）将样品放置于样品台上，由两侧的光源提供红外光源，照射到样品上，经过成像系统对所观察的样品进行成像，再进分光系统进行处理，由检测器检测成像信息，经过数据采集和分析系统的处理和分析，在电脑呈现所观测样品的三维图像。（褚小力等，2008）4.2近红外光谱成像的应用近红外化学成像技术已在农业、食品、制药、临床医学等领域得到了较为广泛的研究和应用，如单籽粒中不

31、同化学组成的分布，谷物内部虫害检测，药品真伪鉴别以及均匀度的评价，果品压伤撞伤等缺陷的检测，以及废旧塑料的分类识别等。（褚小力等，2008）4.2.1 制药领域中的应用Gowen A A等人综述了近红外和拉曼化学成像技术在制药领域的应用情况。由于近红外化学成像可以得到不同物质在样品中的空间分布情况，因此通过统计分析可以很清晰地表达药品中不同物质的混合均匀性；Lyon R C等人证明了成像技术将得到比光谱技术更满意的混合均匀性检测结果。将近红外化学成像的强空间分辨能力与光谱分析结合起来，能够鉴别出药品上的微量污染物和少量有效成分的降解物，是传统近红外光谱分析技术很难实现的。更为重要的是，采用近红

32、外化学成像可以实现药品的高通量分析，用于假药、劣药的筛查以及制药厂的质量保证控制分析，例如它可以对一板药片上用透明塑料泡包住的所有药片(30片)同时进行无损分析，实现真正意义上药品的逐片出厂检测。（褚小力等，2008）4.2.2 农业和食品检测Gowen A A引、邱白晶、徐惠荣伽、刘木华朝等人综述了近红外光谱成像技术在农产品和食品领域中的应用。在农产品和食品领域，近红外光谱成像主要用来检测水果、蔬菜的缺陷，如损伤、压伤和虫孔等瞳；水果、蔬菜和肉类表面上的微量污染物，如粪便和有机残留物；粮食中的害虫、食品中的细菌和寄生虫等；还可以用于农产品和食品的品质分析，如葡萄的成熟度、桃的硬度、草莓的总可

33、溶性固形物含量，配合饲料的类别判断，谷物中油分和水分含量测量|，以及猪肉的大理石花纹等级评价等。（褚小力等，2008）4.2.3 其他领域中的应用除了医药、农业和食品领域，近红外化学成像技术还在高分子、化学合成以及生物医学等领域得到了应用，例如废弃塑料和纸张的在线识别，环氧树脂固化过程不同位置的动力学研究，缩氨酸固相合成的检测分析，临床医学诊断等。（褚小力等，2008）5. 光声成像的原理及应用5.1 光声成像的原理光声层析成像(photoacoustic tomography，PAT)是近年来迅速发展的一种新的无损医学成像方法，它结合了纯光学成像的高对比度特性和纯超声成像的高穿透深度特性的优

34、点.在生物组织中的光声成像，是一种以超声作媒介的生物光子成像方法，一束短脉冲(10 ns)激光经过光学元件扩束后，照射到生物样品，激光能量被组织内吸收体快速吸收，组织受热膨胀，产生压力波(光声波)这种现象叫做光声效应，光声波将穿过组织向外传播，可被放置在样品周围的超声传感器探测到(图1).通过采用旋转扫描方式，或采用多元阵列探测器，就可以得到在激光照射下组织内不同区域的光声波压力强度分布.光声波压力的大小与组织对激光能量的吸收程度直接相关，光吸收越强，则该处的光声信号强度越高，因此，利用探测到的光声波分布数据，通过滤波反投影进行图像重建，就可以得到组织的光吸收分布图像. 图14为一老鼠头部的光

35、声成像图，它清楚地给出了胚胎内的血管分布信息.在光声成像中，样品和探测器常被置于水中(图15)，经扩束的激光束从上方照射样品，样品产生的光声波被探测器(如水声器或多元线性阵列探测器等)接收，然后经放大器对信号进行放大再由示波器或数据采集卡采集到微机，微机同时控制激光脉冲的发射和探测器或样品的同步旋转扫描，得到样品的光声波强度分布数据.最后对采集到的光声数据进行数学处理，采用合适的图像软件进行图像重建，得到样品的光吸收分布图像. （谷怀民等，2006）图13光声成像的原理（谷怀民等，2006）图14老鼠头部的光声成像图（谷怀民等，2006）图15 光声成像实验装置示意图（谷怀民等，2006）光声

36、成像探测的是被测点吸收激光后的光声信号，它从原理上避开了光散射的影响，光声振幅决定于吸收的光能量，由局部能流密度和作用目标的光吸收系数决定，与光散射引起的光子传播路径无关，因此，其空间分辨率不受光散射影响.同时，由于组织对超声的衰减和散射远小于对光的衰减和散射，用超声探测器检测超声波代替光学成像中检测散射光子，可显著提高成像深度和分辨率.与传统的超声影像方法相比，PAT可以区分声学参数相同而光学参数不同的待测样品，提供高分辨率和高对比度的影像.研究表明，用PAT进行结构成像，其成像深度达1050 mm左右，成像分辨率可达到20nm.超声在水中的穿透性好，而生物组织内70%是水，光声信号在组织内

37、具有非常好的传输特性.生物组织内部产生的光声信号携带了组织的光吸收特征信息，通过测量光声信号能重建出组织中的光吸收分布.而生物组织的光学吸收系数、散射系数与组织的结构形态、生理特征、代谢功能、病变特性甚至神经活动密切有关，例如，早期癌变组织的光吸收比正常组织高出25倍.因此，对生物组织进行光声成像，可为研究生物组织的内部特征提供重要手段，在生物医学临床诊断以及在体成像领域具有广泛的应用前景. （谷怀民等，2006）5.2光声成像在生物医学中的应用光声信号既依赖于生物组织的光学特性，也依赖于生物组织的声学性质，因此光声成像能为医学诊断提供更丰富的有价值的信息.PAT是利用生物组织的光吸收来进行成

38、像，生物组织光吸收特性与生物组织结构功能和病理特征紧密相关，通过这些光学参数的差异进行光声成像，在医学临床早期诊断中具有重要应用价值.肿瘤是严重危害人类健康的高死亡率疾病，虽然医学诊断技术的不断发展已经显著地改善了肿瘤的探测方法，但目前的探测技术主要是针对临床表现已很明显的肿瘤进行诊断，不能探测小的肿瘤病变.在大多数情况下，通过目前的方法探测到的肿瘤病变至少已长成接近1 cm的直径，肿瘤的自然发展过程已经过了三分之二.因此，在肿瘤发展到致命程度之前，这些技术只给人们留下了一个很小的探测机会.但基于组织光学吸收的光声成像技术可为此提供有效的解决方法，快速生长的恶性肿瘤通常需要更多的血液供应，伴随

39、更多的微血管增生，血管中的血色素使得病变组织对激光的吸收显著增强，所以肿瘤组织与正常组织的光学吸收对比度很高.采用合适波长的激光对病变区和其周围组织进行照射时，病变部位对激光的吸收将明显高于周围正常部位，病变区的光声信号强度也将远高于正常组织.因此，基于光吸收的光声成像可以为肿瘤检测提供高对比度的光吸收分布差异，得到具有医学临床诊断价值的肿瘤影像，在对乳腺癌，口腔癌等进行光声检测的应用基础研究中取得了重要的研究成果.Oraevsky等研制了一种宽带超声传感器，用于对仓鼠颊囊内的处于不同发展阶段的鳞状上皮细胞肿瘤进行成像，采用波长为532 nm、脉冲宽度为12 ns的YAG激光激发，得到癌变前和

40、癌变阶段的异形无定形组织的清晰的光声图像.Karabutov等采用1 064 nm YAG激光作激发光源，采用32元PVDF膜探测器探测光声，对已被乳房X射线照相术或采用X射线技术同其他技术结合确诊患有乳腺癌临床病人的病变部位进行光声成像，激光照射部位位于疑似病变部位附近，但光声成像前并不能确定准确的病变部位，研究得到了比其他方法具有更高对比度的肿瘤影像.在组织中对激光强吸收并产生光声信号的常见光吸收体是血色素，光声成像的对比度决定于血液相对于周围介质的吸收对比度，对于550 nm激发光，该对比度因子为100，对于850 nm激发光，该对比度因子约为10，同时，光声成像的成像深度深，如近红外的

41、850 nm和1 064 nm激光的组织穿透深度达几个厘米.因此，光声成像可对组织深层的层状结构进行结构分析成像，探测分层组织中的隐藏目标或组织内部深层的血管分布.Kolkman等根据光声成像所得到的吸收体的分布图像，对组织内血管尺寸及其空间结构特征进行了定量的测定和分析.Wang等通过对鼠脑部结构进行三维光声层析成像，得到其脑部血管、小脑、海马状突起、海绵体结构的清晰图像.在光声成像基础上，进一步对光声图像所反映的光学信息进行定量分析和标定，根据所测对象的光声信号强度与相应生理学参数的对应关系，能够定量推译出组织的血色素或葡萄糖的浓度、血色素的氧饱和度等，因为组织的光学吸收信息与这些参数的变

42、化直接相关.生物组织的功能总是与某些特定的生命物质相关，而不同的生命物质具有不同的特征光学吸收谱，根据物质的特征光学吸收峰，或者采用分子探针进行预先标记，在光声成像中选择相对应波长的激发光源，可对这些特定的生命物质进行选择性激发，实现具有更高灵敏度的生物组织的特征结构和功能光声成像.组织的光学吸收特性与血氧消耗、脑生理状态等密切相关，Esenaliev等通过光声成像研究脑结构和脑部血管中血液动力学过程，监控脑血氧的动力学变化，可以得到脑神经系统的动态信息和功能特征信息，在神经生理学和神经病理学中具有重要的应用前景.Schuele等通过光声成像监控激光辐照期间的视网膜色素上皮细胞的温度变化，对于

43、视网膜色素上皮来说，选择性的微光凝结技术是一种新的技术，它有望用于治疗多种视网膜疾病，通过应用微秒激光脉冲(Nd：YLF 527 nm)照射视网膜色素上皮组织，可以选择性地破坏这些病变细胞，却不损伤周围的感光细胞和神经组织.同时由于视网膜色素上皮组织吸收激光能量，因热弹膨胀而产生光声波，而光声压的大小决定于被激光照射的视网膜色素上皮组织的温度，在光声振幅与温度之间存在线性关系，由此可以监测激光照射期间视网膜色素上皮中基底温度的变化. （宋智源等，2006）6. 声光成像原理及应用6.1 声光成像的原理声光互作用是指光波在介质中传播时，被超声波场衍射或散射的现象。由于声波是一种弹性波，声波在介质

44、中传播会产生弹性应力或应变这种现象称为弹光效应，介质弹性形变将导致介质的折射率发生变化。当光波在介质中传播时，就会发生衍射现象，衍射光的强度，频率和方向等将随着超声场的变化而变化。（曹跃祖等，2006）如图16是其成像的核心部分器件。图16 声光调制器示意图（曹跃祖等，2006）由压电换能器、透明媒质、激光除入射系统构成的光学器件叫做声光调制器。成像过程是：样品放置于透明胶质之中，用光波作用于透明胶质而间接地作用于生物样品，产生的声波信息以光信号形式传递出，经过一个接收光栅接收信息，然后又换能器将光信号转换为电信号，在输入到电脑，在电脑中可以得到样品的三维图像。（曹跃祖等，2006）6.2 声

45、光成像的应用 主要用于激光加工机、 激光通讯、 激光雷达、 激光图像遥感、 激光干扰、声光频谱分析领域， 产品已得到广泛应用， 从而大大扩大了激光的应用领域。也可用于激光印刷机和雷达波谱分析器中。图17声光成像的应用（郝爱华等，2005）7. 热声成像的原理及应用7.1 热声成像的原理为了理解基本的光声作用，考虑一小球体元，其半径为R，光学性质均一。该球浸在某均匀介质中，介质对光(辐射)高度散射。假设一束持续时间为的光脉冲在瞬间传遍该介质，结果各向同性地照亮该小球，一部分光能被吸收并被转化成热，由于瞬间的热膨胀产生压力波并向外传播，如图，这就是热声现象。（严华刚等，2002）7.1.1辐射频率

46、的选择Kruger等人在实验中采用了434MHz频率的电磁波作辐射源。原因如下：首先，在此频率下，能量吸收比较充分，因此能获得较高的信噪比，这是从Foster和Shepps的研究结果中导出的，他们假设水的含量在正常组织和癌变组织中分别为0.7和0.8，计算出相对信噪比在频率为100MHz与1GHz之间时最大；其次，不同组织的吸收能力差异较大，研究表明在300500MHz的频率范围内乳腺中的癌变组织比周围的正常组织吸收辐射的能力要强25倍，原因在于癌变组织中含有较多的水和钠离子；最后，该频率下的辐射可比较有效地穿透组织，适合应用于活体成像，如乳腺。图18 热声成像的原理（严华刚等，2002）7.

47、1.2装置Kruger等人设计的热声成像仪以研究乳腺成像为目的，装置示意图如图2。对该装置说明如下：(1) 整个装置放在水中，有弹性薄膜把水分成上水池和下水池，以减少声波的反射和折射；(2) 人体组织样品放在弹性薄膜中央；(3) 换能器均匀排列在半球面上；(4) 换能器所在半球可以绕中心轴旋转，以消除换能器响应不一致带来的伪影以及提高信噪比。图19只显示了装置结构的简单框架，数据的采集和重建也是其装置的重要部分， Kruger在1999年使用的计算机是Pentium Pro 180MHz，重建一256256256像素10cm10cm10cm大小的图像耗时约1小时。（严华刚等，2002）7.1.3空间分辨率三维成像的空间分辨率比较复杂，对于如图19所示简易的扫描热声成像装置，轴向的分辨率受辐射脉冲宽度和超声换能器的时间响应宽度限制；换能器带宽越宽，时间响应越好；辐射脉冲宽度越宽，分辨率越低，但信号越强。横向(侧向)分辨率主要受超声换能器的焦直径影响。（严华刚等，2002）图19 断层成像的装置示意图 Kruger等人设计的断层成像的装置示意图。64个换能器阵列以螺旋的形式分布在半球上。软组织置于弹性膜之上，被半球底部的天线434MHz的频率辐照。整个装置处在水中，弹性膜把水池分为上下两部分。（严华刚等，2002）