光声成像与中医药研究

孙梦娟　吴丹　蒋华北

摘要 光声成像是生物医学应用领域中的一种新兴的功能型成像方式，其基于光声效应发展而来。光声成像技术可以对生物组织中的结构，功能和分子异常进行无创检测，可对微观和宏观世界的多尺度信息进行检测。该技术已经发展成为神经科学领域最新的研究方法之一。中医诊断疾病主要是通过四诊合参的方法直接根据宏观病症信息，以中医药理论为指导，结合长期的临床实践和丰富的临床经验，以了解病理机制和制定治疗方案。但是，传统中医药理论缺乏现代意义上物质化证据的支持，使其研究和发展受到一定的制约，并阻碍中医药国际化的进程。光声成像技术能从微观形态结构及其功能变化提供诊断信息，为中医药辨证施治提供体内外变化的依据。有利于推进中医药现代化、国际化、标准化的研究进程。

关键词 光声成像;乳腺;皮肤;脑功能;针刺;中药;标准化;综述

Abstract Photoacoustic imaging is an emerging functional imaging method in the field of biomedical applications，which is developed based on the photoacoustic effect.Photoacoustic imaging technique can non-invasively detect the structural，functional and molecular anomalies in biological tissues，and can detect multi-scale information in the micro and macro worlds.This technique has developed into one of the latest research methods in the field of neuroscience.The diagnosis of diseases in traditional Chinese medicine （TCM） is mainly based on the macro symptom information directly through the method of 4 diagnostic combinations，guided by the TCM theory，and combined with long-term clinical practice and rich clinical experience，so as to understand the pathological mechanism and develop treatment plans.However，TCM theory lacks the support of the evidence of materialization in the modern sense，which restricts its research and development and hinders TCM internationalization.Photoacoustic imaging technique can provide diagnostic information from microscopic morphological structure and functional changes，and provide the basis of internal and external changes for TCM dialectical treatment.It is conducive to promoting the research process of modernization，internationalization and standardization of TCM.

Keywords Photoacoustic imaging; Mammary gland; Skin; Brain function; Acupuncture; Traditional Chinese medicine; Standardization; Summary

中圖分类号：R2-03文献标识码：Adoi：10.3969/j.issn.1673-7202.2020.11.003

中医药作为我国传统文化的重要组成部分，在我国健康服务发展历程中有着深远的影响。近年来，随着国家对中医药事业支持力度的不断增加，中医药事业发展呈现突飞猛进的态势，其应用领域也更加广阔。但是，目前我国的中医药临床研究存在诸多问题。首先，研究方法选择有时不恰当。如何建立既符合中医药自身特点，又能被国际学界所认可的研究方法体系成为当务之急。其次，研究实施与质量控制不到位。目前临床研究质量监管制度与体系尚不健全，影响研究结果的真实性和可靠性，需要更加完善的质控体系作为保障，以促进中医药临床试验管理良性发展。第三，成果转化应用不足。临床研究的目的是更好地指导临床决策，但是，当前临床研究的质量问题使很多成果难以直接转化应用。

中医药要想走向世界，得到世界的认可，中医药的标准化是必不可少的。近年来中医药标准化有关研究不断深入推进，在针刺、艾灸、推拿、中药等机制方面取得了一系列重要成果，引起了国内外学者的广泛关注。这在一定程度上得益于生物医学成像技术在中医药研究中的广泛应用，其不仅很好地满足了中医药研究中普遍存在的客观化、可视化、标准化需要，同时功能型成像影像技术为中医药标准化研究构建了新的平台，极大地推动与深化了中医药标准化的有关研究。在众多生物医学影像技术中，光声成像是近十几年来快速发展的一种功能型影像技术，其结合光学成像对比度高以及声学成像穿透力强的特点，在获得高分辨率组织结构影像的同时，定量分析组织一系列生理参数（含氧血红蛋白浓度、脱氧血红蛋白浓度、氧饱和度、血流速度、氧代谢率等）变化，从而实现结构和功能的多尺度成像[1-6]。研究表明，光声成像技术在众多生物医学领域具有重要的应用价值[1-6]。作为新兴的生物医学成像模式，光声成像技术凭借优质的成像能力、多样的成像方式以及良好的生物安全性，受到广泛关注。目前光声成像在医学领域的应用层面十分广阔，包括用于肿瘤（比如：乳腺癌、黑色素瘤等）和多种疾病（比如：皮肤病、骨关节炎、类风湿性关节炎、脑中风、癫痫等）的检测中。在中医药的应用目前主要集中在针灸、经络和腧穴、中药方面的研究。本文将系统论述光声与中医药领域应用的现有基础及潜在应用，以期为中医药的标准化提供一个新思路。

1 光声成像技术概述

1.1 光声成像原理简介

光声成像（Photoacoustic Imaging，PAI或者Optoacoustic Tomography，OAT）是一种新兴的功能性生物医学影像技术，结合了光学成像的高对比度以及超声成像的高穿透深度等优点，基于生物组织内部的光学吸收差异，对生物组织中的结构，功能和分子信息进行无创检测，提供高时空分辨率（空间分辨率高达5～500 μm;时间分辨率高达0.02～2 s）、高灵敏度的生物组织图像[1-6]。光声成像是基于光声效应发展而来的，最早于1880年由贝尔发现光声效应，贝尔发现用周期性調制的太阳光照射一个光学吸收体时，该物质吸收光会产生信号。伴随着高灵敏宽带超声换能器的产生以及微弱信号检测技术的诞生，光声光谱和显微技术逐渐被应用于气体和固体研究中[7]。PAI技术直到19世纪90年代才首次被用于非生物检测，并很快被用于生物医学成像研究。近十几年来，PAI在生物医学应用领域的研究取得了长足进展，已成为目前生物医学影像的研究热点之一[1-6]。光声成像基本过程，见图1：利用短脉冲激光照射到被测生物组织，生物组织吸收激光能量后进而转化为热能，引起瞬态温度变化，生物组织进一步由于热致膨胀导致局部压力变化产生超声波，利用超声探头在生物组织周围多个位置接收超声波信号，最后借助图像重建算法直接生成吸收体形状和二维或三维分布光声图像[1，7]。生物组织的每种物质，都具有特定的光学吸收系数[1]。人体组织的光声成像基于组织内源造影剂光学吸收的声学检测，例如含氧血红蛋白（HbO2）、脱氧血红蛋白（Hb）、总血红蛋白（HbT）、氧饱和度（sO2）、血流速度（BF）以及氧代谢率（MRO2）等[2]。目前，根据应用领域和可实现的空间分辨率，光声成像技术可分为3类：光声层析成像技术（Photoacoustic Tomography，PAT）、光声显微成像技术（Photoacoustic Microscopy，PAM）及光声内窥成像技术（Photoacoustic Endoscopy，PAE）[4]。

1.2 光声成像技术的主要应用

1.2.1 脑成像

PAI技术在脑成像的领域应用范围非常广泛，可用于研究脑氧合、脑代谢、脑功能连接、脑疾病（癫痫，出血性脑卒中，脑创伤、脑灌注不足，脑肿瘤等）检测，以及其分子影像技术和多模态成像技术等。PAI可以同时提供脑血管解剖学形态和血流动力学功能指标的高分辨率图像[8-16]。

1.2.2 乳腺成像及其术中成像

PAI技术在乳腺筛查、诊断、分期和监测治疗干预中发挥着重要作用，该技术可以覆盖大部分乳房甚至是整个乳房，临床检查时减少患者的不适感。与传统的X射线、MRI、超声检查相比，PAI乳腺检测是无损的，无电离辐射，可使患者疼痛感减轻，且对致密性乳房的检测灵敏度较高[17]。由于光在组织中的穿透极限约为1 mm，因此在临床上应用光学方法治疗乳癌尚未成功。PAI通过结合功能性成像和光学断层成像的对比度以及高空间分辨率，有效地突破了这种穿透深度，其穿透深度可高达4 cm[18-21]。

在肿瘤切除术中，通常使用病理学方法检查边缘以确定肿瘤边界是否存在至少2 mm的周围正常乳房组织，即阴性边缘。然而，如果在切除组织的边缘中发现肿瘤细胞，即为阳性边缘。目前可用于术中边缘评估的方法，如肉眼检查、冷冻切片、超声和触诊，这些方法在20%～50%的患者中都存在假阴性诊断。光声成像手术导引技术可以用于评估肿瘤边缘的高分辨率成像和切除检查，这种技术的应用对减少肿瘤复发，提高乳腺癌患者的生存率有很重要的临床意义[22-24]。

1.2.3 关节成像

骨关节炎是涉及骨代谢功能障碍的疾病，骨代谢功能障碍通常很可能与软骨下骨代谢高相关，会引起组织氧饱和度、Hb、HbO2和含水量的变化。这些代谢和功能参数也应该通过多光谱光声成像来测量。在炎性关节炎中，PAI技术可以用来绘制高分辨率、高对比度的人类关节软骨、滑膜、血管和骨组织的结构性图像，并可提供其病变的定量功能性信息[25-29]。

1.2.4 肿瘤血管再生成像

肿瘤生长需要营养和氧气的维持，以及排出代谢废物和二氧化碳（CO2）的能力。为了满足这些需求，“血管生成开关”被永久地激活，这会导致相邻主体脉管系统的新血管再生。肿瘤内的脉管系统通常是异常的，由复杂的涉及癌细胞和基质微环境的生物应激控制。持续的肿瘤血管异常再生在癌症致癌和转移潜能中起着核心作用。PAT或PAM可发展成为成像/监测肿瘤血管发育的理想工具，可监测脉管系统发育过程，追踪肿瘤周围的血管密度动力学变化，这种成像对于监测抗血管再生疗法的肿瘤反应是至关重要的，因为即使在抗血管再生治疗有效的情况下，肿瘤也不会在短时间内发生收缩[30-32]。

1.2.5 内窥镜成像

PAE不仅具备了传统超声内镜的优点，而且还能够在软组织成像中将功能性光学对比度和高空间分辨率完美地结合在一起。PAE的主要优势在于其在组织中具有更大的透视深度，从毫米级到厘米级，并且能够在体内内窥镜应用，如早期肿瘤检测、黏膜下以及消化道病变的准确诊断以及病变组织的表征[33-37]。

1.2.6 皮肤成像

光声成像可以对皮肤的不同层面进行识别。PAI已被用于测量皮肤癌的病变尺寸，使用配备手持传感器探头的多光谱PAI可以区分血红蛋白和黑色素，精确地描绘出色素和非色素的皮肤病变的尺寸，测量原位色素皮肤病变的深度。此外，炎性反应是一种系统性疾病，可表现为大血管和微血管疾病，炎性反应性全身性疾病表现为皮肤病，如牛皮癣和湿疹，PAI可以通过吸收Hb和HbO2来观察病变周围小血管的病理变化，用来监测炎性反应性皮肤病的病变情况[38-41]。

2 光声成像技术在中医药领域中的应用

2.1 光声显微成像技术在针灸应监测方面的研究

针灸在中国几千年来一直是治疗各种疼痛的有效方法。然而，这种神秘的远古治疗方法的机制在很大程度上仍然是未知的。Jinge Yang等[42]应用光声显微成像（PAM）技术来研究电针（EA）对脑血流动力学的影响。PAM在532 nm处具有较高的光吸收能力，因此可以敏感地探测血红蛋白浓度（HbT）在脑血容量（Cerebral Blood Volume，CBV）高分辨率的皮层区域的变化。基于足三里穴（ST36）组和非穴位组2组对比实验，结合PAM技术对针刺后血流动力学的变化进行检测，结果显示在大脑皮质感觉区、运动区和脾后区3个区域均有不同程度的血容量改变。见图2。结果表明，PAM技术可作为研究针刺对脑血流动力学影响的可视化工具。

2.2 针刺增强光声成像对比度的应用研究

吴丹等[43-44]开发了一种增强光声脑成像对比度的新方法，该方法综合了2个关键因素，包括静脉注射光声造影剂溶液（PEG-AuNPs）和物理辅助方法（小鼠阳陵泉穴位（GB34）针刺）。利用自主搭建的PAT系统，吴丹等成功地捕获了由针灸辅助造影剂在活体小鼠大脑皮质中诱导的光学对比度随时间的变化，证明了两者共同作用产生的皮层光吸收增强的复合效应远大于任何一种单独作用产生的效应，结论揭示了该复合方法有助于更好提高小鼠大脑皮质脉管系统的光声响应，提高大脑皮质血管与周围背景组织间的成像对比度，并且能够让皮层血管更清晰的显像。见图3。

同样的，吴丹等[45]还开展了另一种复合造影剂在光声分子影像中的活体应用研究。此方法中，将聚乙二醇化金纳米棒（PEG-GNRs）是看作是传统光声造影剂，并且把针刺足三里看作是调节小鼠大脑血流动力学的物理辅助方法。针刺作为光声成像的造影剂在本研究中发挥了新的作用。

2.3 光声成像技术在监测针刺治疗脑血管疾病方面的应用研究

PAT脑功能成像能够帮助评估与脑血流动力学相关的脑疾病的氧合作用以及功能代谢的改变，并有潜力成为脑卒中治疗效果监测的有力工具，为治疗方案的制定提供重要依据[46]。Litingting等[47]利用PAT监测针刺左、右涌泉穴时对小鼠脑血管的影响，PAT图像显示针刺涌泉穴后会导致涌泉穴位分布的脑血的血流动力学和血流变化，表明PAT能无创地检测针刺对小鼠脑血流的影响。同时也表明脑光声成像有利于脑血管病变的定位，因此，PAT可能将来会被用来进行靶向针灸，初步表明了PAT作为揭示针灸机制和促进针灸临床的可视化工具的潜力，并且也显示了PAT在监测脑血管疾病的潜在应用[48]。吴丹等[49]利用光声层析成像/激光散斑成像这种新型双模态成像模式对小鼠脑灌注不足模型进行可视化研究，结果表明针刺阳陵泉穴可增加脑部皮层两半球的血红蛋白浓度以及血流速度，有效改善脑灌注不足的血液供应。见图4。此外，此研究结果也表明无论是在左或右穴位进行针刺，都可以同时增加2个半球的HbT浓度。

2.4 光声层析成像技术在中药效应监测方面的应用研究

吴丹等[50]利用一系列活体实验来探究和验证光声在中医药领域的新应用。黄连素（也叫小檗碱，Berberine）原本是一种传统的东方草药，通常用于治疗腹泻，最近已被用于治疗一些脑疾病，如中风和阿尔茨海默病，但黄连素诱导的血流动力学变化在很大程度上是未知的。吴丹等人利用PAT来研究2种剂量的黄连素对小鼠的血流动力学影响。其利用PAT成像策略，来获取和分析10个功能性脑区在皮层脉管系统层面上的详细动态图像。活体动物实验结果表明，连续两次注射黄连素都能增加HbT的浓度，有效扩张大脑皮质血管。见图5。激活大脑皮质的大部分区域，并且注射不同剂量情况下，不同功能区的HbT浓度和激活水平差异都有统计学意义，这表明在不同剂量下，黄连素应该调整到激活更多的大脑区域的剂量。重要的是，从分割的图像来看，包括运动区和脾后区在内的区域的激活最明显。运动皮层对于计划和执行自主运动至关重要[51-53]。脾后区是脑区核心网络的关键成员，它支撑着一系列认知功能，包括情景记忆、导航、想象和未来规划[54]。该研究结果表明，黄连素有改善运动和认知功能的相关潜力，需要进一步的研究来确定这种药物的剂量反应效应和确切的作用机制。该研究证明了PAT能够无创地监测黄连素对小鼠大脑皮质的影响，可以成为观察药物引起的脑血流动力学响应的强有力的工具，并且可为药物浓度和剂量的选择提供一定的理论依据。

3 光声成像在中医药领域的其他潜在应用

以上应用研究表明，PAI技术有望为中医药的特色传承和创新发展提供新工具。目前，PAI技术在中医药领域的应用尚未规模化，仍处于摸索阶段，前期的研究基础从生理学反应与血流动力学指标、解剖学结构相结合的角度有限地探索了针刺、艾灸、推拿、中药的部分机制，这也为开展中医药与PAI技术结合提供了很大的空间。

最早关于乳腺癌的记载，见于《灵枢·卷九》：“膺乃足厥阴阳明之部分。故疽发于此……如米谷如栝篓之子实也……此疽至十年而后发乃死。……其本在脏。其末在脉。故不易消……至十年之久。脏腑之气将衰，则毒气发而溃烂死矣”。关于乳腺癌的中医名称，现多言乳岩，乳腺癌的病因病机主要为肝失疏泄致气机不畅，影响津液运行，痰浊内停，进而阻滞气机，气不行血，故见痰瘀互结。《灵枢》曰“四时八风之客于经络之中，为瘤病也”。外邪长期积留在与乳房密切联系的肝、胃、肾、冲任二脈等经络也可发为肿瘤。肝经循行过阴器，抵小腹，夹胃、属肝、络胆，上贯膈，布胁肋。中药方剂主要以疏肝理气、化痰祛浊，软坚散结为主。PAI可监测不仅可以观察到用药治疗后肿瘤变化情况，还可以监测血液中血流变化的情况，对于判断疾病的转归预后有指导意义。尽管PAI对乳腺疾病成像有显著的优势，但是目前尚未有关于PAI在中医药治疗乳腺疾病方面的研究，这也许是推动中医药走向世界、走向标准化的一次契机。

4 問题与展望

对于光声成像技术而言，目前在中医药的应用方面仍存在一定局限性，面临诸多挑战。首先，作为一项成熟的技术，目前很少有人意识到PAI在脑成像方面的最大潜力。在针灸监测脑皮层响应方面的应用中，主要针对麻醉后的小动物进行监测，那么这个过程中小动物则处于非清醒状态下（液体或气体麻醉等）或者活动受限状态下。对于小动物的大脑成像，清醒动物的PAT技术将为许多研究打开一扇新的大门，这些研究可以跨越神经活动和行为之间的鸿沟。采用微加工技术的进一步微型化PAI系统可能允许将成像系统安装在动物头部，而不会影响动物的正常活动。或者，也可以使用标准PAI系统进行头部约束。例如，基于空气支持的跑步机的PAI系统可适用于清醒小动物的针灸实时监测。其次，通过使用电压敏感染料或钙敏感染料，可对体内神经活动直接进行光声检测，这些染料的荧光发射在神经元激发动作电位时发生变化，这种基于外源造影剂的光声分子影像技术有助于直接观察针灸或中药施加过程中的实时神经活动。此外，为了对人体更多的组织进行中医药治疗方面的研究，需要提高光声成像技术的光照效率，这也进一步需要采用新的光传递方法。为了绕过人体各个部位骨头等硬组织的衰减，鼻腔、耳腔、口腔以及其他体腔用来将光传送到特定组织的深处，最后突破光的传递极限，可以真正的将PAI这项技术广泛地应用在中医药临床研究中。

光声成像技术在中医药领域的应用主要存在于了解此技术的中医药人才欠缺，不了解其使用原理，难以与中医药相结合，发展相关的研究。而目前现有的相关技术在中医领域的应用大多存在于工程技术方面，很少应用于临床实验或是与疾病相关的中医药方面。怎么样把光声成像技术与中医药有效的结合，是我们现在面临的最大的问题。光声成像技术在中医药领域的应用更是处于探索阶段，有较大的空白和研究空间。因此，如能在天然中药或针灸疗法等方面结合现代光声成像技术，这不仅利于推动中医药的现代化、国际化、标准化的发展，而且也有利于阐明中医药作用的机制及客观证据;光声成像技术从新的角度揭示中医病机和诊疗理论;运用光声成像技术丰富和创新发展中医传统治疗手段;都将为光声成像技术在中医药学领域的深入研究与应用提供进一步的指引和更广阔的空间。

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（2020-05-10收稿 责任编辑：徐颖）