光声成像技术研究

邢计元　马英翔　焦运良

摘 要

光声成像技术是综合光学成像和超声成像两方面成像理论的无损成像技术，当下在生物医学成像领域具有广泛应用前景。实验搭建了一个后向模式的聚焦光声成像系统，通过蒙特卡洛模拟仿真了在生物组织中准直激光的传播现象，反映了激光照射生物组织后光子在组织中的具体分布情况，有利于我们更好的认识光声成像，对相关的光声实验有很大的指导意义。

关键词

光声成像;生物医学成像;蒙特卡洛模拟;成像系统

中图分类号： R445                      文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.17

0 引言

光声效应是在1880年贝尔首次发现并报道[1]，光声技术发展的初始时期初步把光声技术应用在气体分析中。到20世纪光声效应被尝试用于医学成像，传统的医学成像有X射线断层扫描技术、正电子发射层析技术、核磁共振成像、超声成像、光学相干层析成像等等[2]，在这些传统医学成像技术中，一直存在着各种缺陷，比如X射线在人体上很可能增加癌变几率，正电子发射层析技术空间分辨率太低，图像重建时间比较长等问题，这样一来人们开始探索一种新的从有创检测走向以信息为依据的无损检测医学成像技术，也就诞生了我们所研究的光声成像技术[3]。

1 光声成像技术基本原理

这里简短给出光声成像的基本方程。当激光照射到待测生物组织上时，式（1）是光声成像中热方程的表达式。

在上述公式中r为三维空间中的位置矢量，ρ表征待测组织的密度，t代表时间，λ表征生物组织的热传导率，函数T表征生物组织吸收热量后温度的升高，C表征生物组织的比热，函数H表征着待测生物组织所吸收的热量[4]。

在生物组织吸收热量后，体积膨胀发生变化，将会产生一个声场，当声场因时间的变化而产生相应改变时，将会形成相应的声波，由此我们能够得到光声信号中的声场运动方程，将其与扩散方程和热方程的表达式联立可得：

而式（2）右侧的热函数H也可以用三维空间的电磁吸收分布函数A与以时间为自变量的照射脉冲能量函数I的积来表示[4]，由此可得式（3）：

我们把式（3）作为光声成像的基本方程。在这里假设照射脉冲I是δ函数，并且定义脉冲发射时间为时间零点，再假设c是常数就可以得到上述光声基本方程的解[8]：

式（4）就是理想情况下的光声信号的解析式。

2 光声成像系统搭建

本文搭建了基于后向模型的聚焦圆周扫描探测成像系統[6]，系统需要的硬件有：CW激光器、函数发生器、示波器、位移平台、聚焦超声换能器、光纤准直器、数据采集卡、放大器以及计算机。整个光声成像实验系统的工作原理如下：本实验所用函数发生器的两个通道分别产生一个调制波形和一个脉冲信号波形，前者用于调制激光幅值后送入数据采集卡，后者用于给自身和数据采集卡一个触发信号，来确保系统同步进行;被调制后的激光在准直后被送至生物组织表面，激光在生物组织内部吸收后，受热发生体积变化，从而产生超声波，之后超声波经过传感器，由声信号变为电信号[7];由于传感器出来的电信号很小，因此系统中需要用放大器将其信号进行放大，放大后的信号再用数据采集卡进行采集，采集的数字信号经过相应的重建算法就可以重建出生物组织断层图像[8]。

3 计算机仿真与结果

本文使用了蒙特卡洛模拟[5]，仿真了半径为0.01cm的表皮下血管以及光子垂直入射组织中光子的分布情况，图1是用808nm红光垂直照射该复杂组织后得到界面的光能流率，我们能够看到在图1中，当大量光子以90°穿过组织样本表面时，光子经过反射、散射和折射后的分布规律。可以明显看到当光子在组织深度越大的地方，光子的分布就越稀疏;而在中央束轴附近则分布着大量光子，是能量所集中的地方，同样也是以中央轴为参考，距离越远，光子分布越稀疏。

经过上述的蒙特卡洛模拟我们可以知道，使用准直光束照射生物组织，当大量光子进入生物组织后，随着组织的厚度的增加，光子数会减小，并且光能量主要集中在中央轴附近，距离中央轴附近越远光子数就会逐渐减少，这对于今后相关的光声实验提供了明确的指导。

4 总结

本文主要做了两部分工作，一是搭建了基于后向探测模式的聚焦光声成像系统，并且总结分析了光声成像优于超声成像、核磁共振等其他医学成像的优势。二是采用蒙特卡洛模拟仿真了准直激光照射生物组织后光子在组织中的具体分布情况。有利于我们更好的认识光声成像，并对后期的相关光声实验有很大的指导意义。

参考文献

[1]Bell AG. On the production and reproduction of sound by light[J].Am J Sci， 1880，20：305-306.

[2]DAMADIAN R. Tumor detection by nuclear magnetic resonance[J].Science，1971，171（3976）：1151-1153.

[3]张建英，李晖，谢文明.光声成像技术的最新进展[J].中国光学， 2011，04（2）：111-117.

[4]线弛，光声成像的图像重建算法研究[D].上海：复旦大学，2009.

[5]TELENKOV S， MANDELI A， LAHKARI B， et al.  Frequency-domain photothermoacoustics： Alternative imaging modality of biological tissues[J]. Journal of Applied Physics， 2009， 105（10）：102029.

[6]XU M， WANG L V. Universal back-projetion algonthm for photoacoustic computed tomography[J].Physical Review E，2005，71（1）： 016706.

[7]杨虹.频率域光声成像[D].西安：西安电子科技大，2014.

[8]吴丹.生物组织光声成像[D].南京：南京大学，2012.