医学光声层析成像技术及其临床应用研究进展

龚小竞 孟静 白晓淞 郑加祥 宋亮 中国科学院深圳先进技术研究院 （深圳 518055）

1.背景介绍

1.1 光声技术原理

早在19世纪，贝尔就发现了“光声(Photo-acoustic)”这种物理现象。但是直到20世纪90年代中期，随着激光技术、超声探测技术及CT技术的发展，人们才开始尝试将光声技术应用于生物医学成像领域。后又经过近10年的努力，光声成像技术在系统构成、图像重建、功能成像等各个方面均获得了巨大的发展，并显现出其在临床医学和基础医学研究方面的巨大应用潜力。

生物医学光声成像技术的基本原理是，选择合适的脉冲激光（通常脉宽为纳秒级）对生物体进行照射，生物体吸收光能、进而受热膨胀产生压力，产生一个宽带的超声信号（通常带宽在几十甚至上百MHz），此超声信号也被称为光声信号。

在激发光照参数不变的情况下，光声信号的强度、频谱与生物体的光学特性（主要是光吸收特性）紧密相关。而不同的组织有不同的光吸收特性（常见生物组织成分吸收光谱如图1所示[1-4]），因此光声成像可以对组织中特定成分进行高对比的结构成像。进一步，结合光声光谱技术，可以定量地分析各种组织成分的变化，精细地反映极其微小的组织病变及血红蛋白浓度、血氧浓度、氧代谢率等一系列重要的生理参数，实现功能成像。

1.2 光声成像技术的种类与应用

生物医学光学成像中，OCT和双光子技术可以实现浅层、高分辨成像；而DOT可实现厘米深度、低分辨（～mm）成像。医学超声成像虽然可以获得较大的成像深度和较高的分辨率，但是基于声阻抗不同的对比机制使其对早期肿瘤等细微病变成像时对比度（衬度）要远低于光学成像方式。光声成像技术结合了超声成像的大深度、高分辨特点，同时又具备光学对比度，因此是一种非常有应用潜力的新成像技术。这几种技术的比较如表1所示。

这种可灵活结合大穿透深度和高分辨成像的特点，使光声成像技术可以采用不同的成像方式，以获得与应用匹配的更优质的图像。在实际应用中，有三种常见的光声成像方式：光声显微成像技术（PAM）、光声计算层析成像技术（PACT）、光声内窥成像技术（PAE）。光声显微成像技术和光声内窥技术主要目标是在毫米级的成像深度上实现微米级的分辨率。而光声计算层析技术的探测深度和分辨率可在较大范围内变化，既可以实现显微成像，也可以实现大深度的成像。

如图2所示，（A）为用光学分辨率光声显微技术（OR-PAM）对老鼠耳朵的血氧浓度进行成像；（B）为用声学分辨率光声显微技术（AR-PAM）对人手掌血管的血红蛋白浓度成像；（C）为用线阵探测的PACT对亚甲基蓝（一种FDA和SFDA批准临床使用的染料）染色的大鼠前哨淋巴结成像；（D）为用环形阵列探测的PACT对单侧胡须刺激的大鼠的脑血流变化进行脑功能成像；（E）为利用内窥式光声成像对食道及其周边的器官（气管、肺等）进行成像[5]。

光声成像技术作为一种正在迅速发展的新型成像技术，凭借其灵活的成像方式、优质的成像能力、高度的生物安全性，正越来越受到生物医学成像领域的关注。近年来光声成像已被证明在众多生物医学领域有重要的应用价值，如肿瘤血管新生成像[6]、血红蛋白和血氧浓度成像[7]、乳腺癌诊断[8]、心脑血管易损斑块成像等[9]。本文主要介绍与临床应用紧密联系的乳腺癌光声成像技术、前哨淋巴结光声成像技术及心血管光声内窥成像技术的最新进展。

2.乳腺癌光声成像技术

乳腺癌作为女性常见恶性肿瘤，严重威胁女性的生命和健康。目前常见的X射线钼靶成像与超声结合的检测方式是西方首选的筛查和检测手段，近年来已逐步提高早期发现率和存活率。但是由于中国女性与西方女性相比发病年龄段更低，且存在体质的差异，通常乳腺致密性更高，这使得X射线钼靶成像方法的灵敏度降低，同时X射线检测本身带来的潜在致癌危险无法忽视。因此在中国，通常用超声作为初筛，再辅以X射线钼靶成像，是目前常规的临床手段，但是其灵敏度和特异性仍无法完全满足临床需求。

图4. 57岁志愿者左侧乳房的光声最大振幅投影图像

光声成像技术作为一种基于光吸收、高对比的无损伤成像方式，能够以肿瘤的血管新生作为内源性对比剂，实现癌症疾病的早期检测，同时光声光谱方法可以实现肿瘤的氧饱和度功能成像。因此，该成像方式与传统乳腺检查手段相比，具有灵敏度高、价格低、非电离辐射和不受乳腺组织致密性影响等优点，在乳腺癌筛查方面具有很好的应用前景。

荷兰Twente大学生物医学光学研究室2012年发表了该研究组在光声乳腺成像系统方面的最新研究进展[10]。该系统成像深度可以达到6cm，完全满足临床诊断需要，但6cm处成像分辨率较低，约4mm。Twente大学研究小组在临床实验中，应用该系统对12位乳腺疾病患者（10人患有不同种类的乳腺癌，2人为乳腺囊肿疾病）进行检查，并将光声成像系统的影像结果与当前比较成熟的成像方式包括CT、MRI和超声的成像结果进行了比较。图3给出了其中一例患有浸润性导管癌病人的成像结果图，病人67岁，乳腺致密性大，肿瘤大小～15mm，深度～10mm。

实验发现，基于光声成像技术的乳腺检查方式与超声成像相比具有更好的成像对比度；与CT相比不受组织致密性影响；与MRI相比，系统成本低，成像速度快；且光声成像方式可以区分乳腺癌和囊肿性疾病。该研究成果充分展示了光声在乳腺癌检查方面的可行性和应用潜力。该研究小组目前正在开展一项包括100位病人的光声乳腺癌成像临床研究。

工业界也在积极推动将光声成像技术应用于乳腺癌的检测。如美国的OptoSonics公司设计开发出了光声乳腺血管三维影像系统[11]。该系统信号采集采用碗状的超声探测阵列，通过旋转探测表面，可以密集获取三维的数据采样信号，重建出三维图像。该系统最大成像深度可以达到4cm，空间分辨率约0.25mm。

基于该系统，OptoSonics于2010年开展了临床试验研究。研究证明了该系统可以在不需要对比剂的情况下实现乳腺组织血管的深层成像，同时成像分辨率与磁共振血管造影（MRA）和动态对比增强CT（DCE-CT）相当。图4显示的是实验中对一位57岁志愿者的左侧乳房做的在体光声血管成像结果。该系统的临床试验表明，光声系统具备乳腺组织血管新生的成像能力，从而在乳腺癌诊断方面具有很强的应用潜力。

目前有包括OptoSonics、Seno Medical Instruments、TomoWave Labs在内的数家初创公司正在开展光声乳腺癌成像技术的产业化。

3.前哨淋巴结光声成像技术

前哨淋巴结作为原发肿瘤发生淋巴结转移的第一批淋巴结，其临床意义已受到人们的重视。在20世纪90年代，乳腺癌前哨淋巴结活检技术就成为乳腺外科领域里程碑式的进展。这一技术的应用使腋窝淋巴结阴性的乳腺癌病人避免腋窝淋巴结清扫。然而，当前临床上对前哨淋巴结的活检，需要首先通过放射性示踪剂定位并结合有机染料显示，然后通过手术取出前哨淋巴结进行组织学分析来完成。这仍会给患者带来一定创伤，并有可能会造成淋巴水肿甚至致残，而且70%～90%病人结果均为阴性。

光声成像技术通过对临床FDA批准的外源性对比剂（吲哚菁绿或亚甲基蓝）的成像，可以无损伤地在体外精确定位前哨淋巴的位置，并通过活检针取样，把手术转化为活检取样的微创过程，这样不仅极大地减少了病人的创伤和痛苦，也给医生带来极大的便利，并有望显著地减少医疗费用、降低手术创伤。国际医学界和国际医疗影像公司对此也抱有极大的研究热情。

美国圣路易斯华盛顿大学小组首次采用铜作为近红光光声成像的对比剂，进行前哨淋巴结的检测，取得了比血液高6倍的信号强度，大大提高了图像的信噪比[12]。图5为实验的结果图。其中(a)是去毛后的大鼠，光声系统对黑框区域成像；(b) 是在注射光声成像对比剂NanoCuN前，系统扫描到的光声图像，图中亮色部分箭头标注的为血管(blood vessel, BV)；(c)是在注射对比剂后，马上进行光声成像,得到的光声图像。可以明显地看到,在原来成像的血管下面有一个很亮的区域；(d)为注射对比剂一小时后,得到的光声成像图，与(b)相比,(c)和(d)的前哨淋巴结十分明显；(e)为光声成像结束后，切开皮肤后可看到前哨淋巴结。

该组为了验证光声定位前哨淋巴结往人体临床转化的可行性[13]，在大鼠的前哨淋巴结的皮肤上方，人为盖上一层鸡肉组织，将前哨淋巴结的深度增加到2.5cm，并用FDA临床批准的亚甲基蓝（Methylene blue）作为光声对比剂。在打入对比剂22min后，对盖上鸡肉组织的大鼠的前哨淋巴结位置成像，可以明显看到图6中上图白色箭头标注的区域。光声成像得到的前哨淋巴结位置与成像结束后将大鼠解剖后看到的前哨淋巴结（图6中下图）位置一致。

图5. 利用铜纳米颗粒作为光声对比剂的前哨淋巴结成像实验。图片使用得到[12]的授权。

目前圣路易斯华盛顿大学生物医学工程系和医学院正在开展光声前哨淋巴结的临床研究，而最初的20余例病人成像均获得较好的结果。

图6. 用光声对覆盖在鸡肉下方的老鼠前哨淋巴结进行成像（使用亚甲基蓝作为对比剂）。上图为光声图像，下图为解剖的结果。图片使用得到[13]的授权。

4.光声血管内窥成像技术

虽然心脑血管易损斑块的概念提出已超过20年时间，易损斑块的早期准确识别仍然是国际临床医学界面临的一大挑战。体外成像方法虽然具有无创伤性的优点，但是其成像分辨率、对比度、灵敏度都还与介入成像有较大差距，难以直接对血管内壁的早期和微小病变成像。介入成像方法通过对血管内壁直接成像，通常能获取比无创成像方法更丰富的斑块相关信息。临床上使用的包括血管内超声（IVUS）和血管内光学相干层析技术（IVOCT）。但是IVUS的分辨率不足以分辨薄纤维帽，且形态学图像的特异性不足，很难分辨易损斑块与稳定斑块。而IVOCT虽然有很高的纵向分辨率，但是穿透深度太浅，限制了其应用范围。而且IVUS和IVOCT都只能获得形态学信息，无法获得炎性反应等重要的生理信息。

图7. 斑块样品的(a)病理切片，(b) IVUS图像,以及1210nm和1230nm的血管内光声图像(c)和(d)。图片使用得到[14]的授权。

图8. (a)为血管内光声图像，(b)为IVUS图像，(c)为IVUS和光声融合的图像。图片使用得到[15]的授权。

而光声成像既可利用组织自身的光吸收对比和光声光谱的方法检测斑块的化学成分（如易损斑块的脂质核心和纤维帽），亦可借助生物分子探针，对活动性炎症（如巨噬细胞浸润）等细胞和分子层面的生物活动进行探测。因此，光声成像可为研究斑块破损的机理和炎症等重要生物过程提供新的方法和手段。而把光声成像发展为血管内窥成像技术将更加有利于对易损斑块的早期发现。

荷兰伊拉兹马斯医疗中心（Erasmus Medical Center）的Krista Jansen等开发的血管内光声成像系统，组装了外径1.25mm的光声超声成像导管[14]。利用该系统获得了冠状动脉（男性，56岁）的离体光声超声图像，如图7所示。图(a)为富含脂质核并有钙化的斑块染色病理切片照片；图(b)为IVUS图像；图(c)和图(d)均为血管内光声图像，分别用1210nm波长和1230nm波长照射获得。由于脂肪在1210nm激光处有一个较强的吸收峰，而在1230nm处的吸收变弱。所以可以通过不同波长的光声图像的差异对比，准确探测动脉粥样硬化样品的脂质区域。

德克萨斯大学奥斯汀分校的Stanislav Y.Emelianov研究小组最近实现了血管内光声的动物活体成像[15]。该组前期研究发现脂肪在1720nm处比1210nm具有更强的吸收，并且在血液环境里1720nm波长的脂肪光声信号背景噪声更小。他们组装了一个外径2.5mm的血管内光声超声成像导管，利用1720nm单一波长对活体兔子动脉粥样硬化模型成像，清晰地检测到脂质主要堆积在动脉血管内膜层，实验结果如图8所示。图8中(a)为血管内光声图像，(b)为IVUS图像，(c)为IVUS和光声融合的图像。从(c)中可以清晰地分辨出脂质堆积的位置和大小。

5.总结

光声成像作为兼具光学与超声成像优势的一种突破性的新型无创生物医学成像技术，既具备光学高灵敏功能与分子成像的优势，可诊断识别早期病变，又具备超声可对数厘米深的生物组织进行高分辨成像的特点，近年来在国际上获得了突飞猛进的发展。推动光声成像技术的进一步发展和临床转化，对癌症、心脑血管疾病、脑功能疾病等重大疾病的早期发现和诊断具有重大意义；该技术的进步，必将对相关医疗器械产业的发展产生重要影响。

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