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僧哥曰：上一期老蒋谈超声合集（降龙十七掌）推出后，有很多朋友在问什么时候推出降龙第十八掌？这第十八掌，即是《射雕英雄传》中周伯通的“左右互博”。周伯通在桃花岛创左右手互搏之术，本是为排遣寂寞，从未想过以之与人打斗。还是郭靖提醒他：“将这套功夫施展出来，那便是以两对一，可有用得很啊”。的确如此，即使黄药师、洪七公、欧阳锋武功再强，能打得过两个老顽童周伯通么？
无独有偶，最近华声公司将超声成像与光学成像揉到了一起左右互搏、取长补短，并拿到了代表中国医疗设备类最高认可的科技部“数字诊疗装备研发”项目资助（第29项，此处应有掌声！）。
前言
光声成像（Photoacoustic Imaging）近20年在学术界的热度越来越高，近两年中，也逐渐有一些商用的光声成像系统面市。但对于超声影像产业界而言，还是相对比较陌生的话题，大多数从业者对于什么是光声成像知之甚少。
华声医疗自2014年开始，和同济大学声学所合作，参与了光声成像的一些研究工作，主要负责光声成像基础平台的搭建。于是，笔者算是攒了一些光声成像领域的经验值，借这次拿到光学——声学多模态成像系统项目（科技部重大专项资助）的机会，可以和大家聊一聊笔者所了解的光声成像。
什么是光声成像？
生物组织随着其成份的不同，拥有不同的光吸收体。光吸收体在光照作用下，会吸收电磁波能量，并将其转换成热能。如果光照是瞬时的，光吸收体会产生瞬时的热膨胀效应，这种膨胀使光吸收体成为声源，并向周围传播声波，也就是光声信号（参见图1）。相应地，利用超声波换能器将光声信号转换成电信号，并进一步处理得到图像，也就是光声成像。
图1 光声信号产生原理图
光声效应实际在100多年前就有人发现了，但在很长一段时间并没有多少人关注。直到1960年代，高强度，单频率激光器的发明使得光声效应的研究变得容易了一些，光声效应逐渐开始有了一些应用：最初是在工业领域，光声效应被用来检查气体成份；到上世纪90年代，生物组织的光声效应开始越来越引起科学家的关注，大量的基础研究和应用研究涌现出来，逐步将光声成像推向临床实用化。
光声成像的优势是什么？
由于不同的原子和分子各自有其不同的光谱特性（光谱分析法大量用于天文学，材料学、分析化学等领域），光学检测方法可以比较有效地分析待测试组织的化学成份，这对于分析组织的生理特征十分重要（人体内很多疾病都会表现为组织成份的变化，尤其是一些癌变）。不幸的是，生物组织对于可见光光波会产生强烈的散射，光波在生物组织中传播时，传播路径只要超过1mm就会开始扩散，无法聚焦（大家可以拿一只红色激光笔照射指尖，可以看到由于光束在手指内的扩散，整个指尖都变成红色），因而，对于相对深层的组织，单纯光学成像无法满足要求；
临床广泛使用的超声成像，由于声波的散射强度相对光波小得多，因而在比较深的部位也能得到分辨率还不错的成像结果。但超声成像更多反馈的是声波传播路径上声阻抗的变化，（声阻抗发生变化的位置上超声会发生发射），最终得到的是体内的结构信息，几乎不带任何组织化学成份信息。比如图像上的一块暗区，如果没有医学的先验知识，很难判断这一块暗区是血液、脂肪，还是积液。这也严重限制了超声成像的应用范围。
而光声成像中，声波的产生来源于光吸收体对光波的吸收，不同的组织的光吸收体对光的吸收差异会很大，从而使光声成像也能表征组织的化学成份特性，这使得光声成像具有了光学成像的优点；而光波激发生成的声波不容易散射，即使比较深的位置产生的声波，也可以通过在组织表面的超声换能器检测到，得到分辨率尚可的图像。这使得光声成像兼具了光学成像和超声成像二者的优点。
光吸收系数
前文提到，光声成像相对于超声成像的主要优势在于对组织成份的识别。为什么具有这样的特性说起来很复杂。对于普通的吃瓜群众简化来理解，只需要知道吸收光波并产生多大能量的声波最主要和光吸收系数相关，一般来说，光吸收系数越大，相应光声能量越强。而光吸收系数和组织的化学成份强相关。
图2展示了在对应于不同的激光波长（横坐标），不同的所组织对应的光吸收系数（纵坐标）。
图2 不同组织的光吸收系数
（红线：氧合血红蛋白； 蓝线：脱氧血红蛋白；黑线：水； 脂肪：粉色线；黑色素：黑色点划线； 胶原：绿线；弹性蛋白：黄线）
从图2可以发现很多有意思的地方，个人觉得也是最有魅力的地方：
1）左上角的红线和蓝线对应氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白各自的光吸收系数，它们的光吸收系数和其它所有组织都有极大的差异，所以光声成像用于微血管的检测一定很有优势（这也是目前光声成像很大一部分研究集中在血红蛋白相关领域的原因，血红蛋白的异常有时和癌变相关）；此外，氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白光吸收系数相互也有差异，这就意味着用光声成像可以区分出动脉和静脉，下图为用光声成像的原理得到的小鼠耳朵中动静脉分布。
图3 血管网络的血氧饱和度成像
2）不同波长下，组织的光吸收系数不相同，比如脂肪，对于910nm的激光吸收系数明显变强。这就提示如果我们更关注脂肪信息，可能用910nm的激光对脂肪会更有辨识度；
3）更多情况下，组织往往是各种不同成份分子的综合； 接合图2，假如我们用不同的波长的激光分别来考察对应的光吸收系数，就有可能反推出来组织包含的主要成份；
光声成像系统
从光声成像的原理不难想到，光声成像系统一定包括以下三大部分：
1）激光源
2）检测光声信号的超声波换能器
3）图像处理与显示模块
从用途上区分，目前已经出现的系统主要分为三大类：光声断层成像系统，光声显微镜，光声内窥镜。笔者目前更关注第一大类，接近商业用途的也主要是第一大类。
学术界的光声断层成像系统
学术界汇集了行业内最聪明的大脑，这十年做出的系统确实是让人大开眼界，没法一一列举，这里只找一个例子来看看。
图4 乳腺光声断层成像系统
上图是用于乳腺检查的一个成像系统（也可以看小动物），最核心是中心那个密布了128个超声换能器的探测碗。碗底开口，激光经底部射入。碗上方上还有一个直径小一些的，透明的碗，检测时，乳腺就固定在上方的小碗中，两碗之间的空间充满了水。激光从底部照射到乳腺，激发出的超声波由探测碗上的超声换能器检测到。每发射一次，探测碗会旋转1.5度，旋转240次后完成一周的旋转，然后将240次分别检测到的光声信号综合起来进行成像运算； 下图是成像结果，反应了乳腺内的微血管分布：
图5 乳腺光声断层成像系统的成像结果
华声-同济光声成像系统
2014年起，华声医疗在进行四叶草笔记本式便携彩超系统开发过程中，同步和同济大学声学所共同开发了基于四叶草的光声成像系统，从公开报导的资料来看，这套系统是国内第一套能实时成像的光声成像系统，并取得了一些初步结果。
图6 华声——同济光声成像系统
基于商用超声进行光声成像系统的开发好处在于光声成像系统可以共用超声成像系统的接收部分（需要把接收BEAMFORMING和对应的成像参数需要一些调整）。下图是基于四叶草光声成像系统对膀胱癌做的成像实验，可以看到，左侧的超声图中，膀胱癌变部分（蓝色圈部分）看不到和周围组织的差异，而右侧的光声图中，癌变部分和周围组织有明显的区分。
图7 膀胱癌成像结果
目前的光声成像系统已经拥有了基本功能，而进一步的完善就是前文所提科技部重大专项支撑项目需要完成的事情：更加完善的工作流和易用性，更多维度的信息（把超声，光声，荧光成像结果结合起来诊断），更好的图像分辨力，以及我们合作伙伴同济大学团队对于组织成份识别的独有技术…..We can make things better!
小结
诚然，光声成像必然也会有其局限，新产品也会遇到各种问题。然而，这是一项激动人心、开创性的工作，我们也坚信这项技术一定能为临床诊断带来更完整的信息，更方便的体验。华声医疗有幸参与其中，见证并推动这一技术在临床开花，造福更多病患，也许，这是作为一个长期从事医疗器械开发的团队最大的幸福！
来源：华声医疗
