人体组织中的光声成像模拟研究

兰慧，邹然，胡锦欣

（1.江汉大学人工智能学院，湖北武汉 430056；2.Advanced Optowave Corporation，New York 11779）

0 引言

光声成像是利用生物组织内的光学吸收差异，以超声波为介质的一种新型无损生物光成像方法［1-3］。其基本原理是当脉冲激光辐照到生物组织中时，一部分光能被组织吸收并转化为热能，从而在该区域引起热弹性膨胀，并产生兆赫兹级别的宽带超声波信号，即为光声信号。由于生物组织样品中不同物质对光的吸收系数谱线各不相同，故通过分析该光声信号，可以重建组织内光吸收分布的图像或者研究组织中的某些特征信息。光声成像技术作为一种混合成像方式，将光学成像和超声成像的优点相结合，具有较强的光学对比度和较高的分辨率，使其成为乳腺肿瘤成像［4］、血管生成监测［5］、前哨淋巴结（sentinel lymph node，SLN）图谱［6］、泌尿系统膀胱成像［7］、血红蛋白浓度监测［8］等方面的理想工具。

光声成像方式与其他纯光学成像方式，如断层扫描、双光子显微镜、共聚焦显微镜或拉曼成像不同的是，由于生物样品对光的强散射作用，纯光学成像方式很难突破1 mm的成像深度，而声的散射系数通常比光要弱两到三个数量级，所以，光声成像可以实现几毫米甚至几厘米的成像深度。光声信号的强度反映出生物组织样品对光的吸收能力。对一个给定的生物样品，其光声信号的幅值主要由入射激光的能量密度、波长以及该波长激光下组织对光的吸收系数决定。通常来说，使用短波长脉冲激光可以获得良好的空间分辨率和对比度，但激光对组织的穿透深度有限；而使用长波长脉冲激光可以增加对组织的穿透深度，但产生的光声信号对比度较低，因此，需要根据不同的光声成像的深度要求，选择合适的激光波长。基于此，本文选取3种常用的激光波长532、800和1 064 nm，对比研究其各自的光声成像过程。采用蒙特卡罗模型模拟人体组织对激光的吸收影响，得到相应的激光辐照强度分布；分析了激光对生物组织初始声压的影响，并比较不同激光波长与光斑直径对人体组织中激光强度分布的关系曲线，给出在本实验条件下，在深度光声成像中更合适的激光参数。

1 光在人体组织中的传播特性

当激光在生物组织中传输时，光与生物组织的相互作用主要表现为3个物理过程，即吸收、散射和反射［9］。哪一种损失在吸收、散射和反射中占主导地位，取决于生物组织的类型和入射光的波长。波长是一个非常重要的参数，对于给定的组织来说，它决定了组织吸收、散射和反射系数。本实验建立人体组织模型，通过蒙特卡罗方法模拟了多层组织在不同深度处的光通量和在不同深度处的吸光程度。蒙特卡罗方法利用光子吸收和散射的原理，追踪光子通过介质的过程，并通过统计光子的模拟结果，得到激光能量在组织中的分布情况［10］。为了更好地反映人体组织的真实特性，本实验采用多层组织模型来模拟光传输的情况。图1为人体组织模型的剖面图，一束平顶激光光束垂直入射，先经过一定的水，到达人体皮肤组织，假定皮肤表皮组织厚度约为0.2 cm，皮下组织厚度约为0.8 cm，血管剖面厚度约为0.1 cm。激光波长分别设定为532、800和1 064 nm，入射激光光斑半径分别为1、2和5 mm。光的传播取决于介质的光学性质，如吸收系数（μa）、散射系数（μs）、散射各向异性（g）和折射率（n）［11］。表1为不同激光波长下，不同组织的光学特性参数，通过此参数建立模型，系统地比较和分析不同波长的激光在组织中的穿透深度。

2 仿真结果

2.1 不同激光波长及光斑大小对光强分布的影响

生物组织表面的激光能量密度受ANSI［11］安全极限控制，该安全限度取决于入射激光的波长和样品暴露的时间。为了分析组织光学特性的变化（依赖于激光波长）和光的最大容许辐照量变化对成像深度的影响，实验使用所有波长的恒定激光注量来比较成像深度。设定激光波长为532 nm时，激光能量密度为20 mJ/cm2；波长为800 nm时，激光能量密度为32 mJ/cm2；波长为1 064 nm时，激光能量密度为100 mJ/cm2。当激光波长分别为532、800、1 064 nm，激光光斑半径分别为1、2和5 mm时，血管接受到的激光光强分布如图2、图3和图4所示。

图2 激光波长为532 nm时的光强分布Fig.2 Light intensity distribution at the laser wavelength of 532 nm

图3 激光波长为800 nm时的光强分布Fig.3 Light intensity distribution at the laser wavelength of 800 nm

图4 激光波长为1 064 nm时的光强分布Fig.4 Light intensity distribution at the laser wavelength of 1 064 nm

生物组织对光的吸收是各种分子成分相互作用的结果。不同波长的激光在生物组织中的吸收系数不同。当光子的能量与分子的能级区间相匹配时，表现为选择性吸收（特定波长的吸收强于其他波长的吸收）；如果该物质在光谱范围内所有波长的强度衰减相近，该物质表现为一般性吸收。由图2～图4可知，当同一种波长激光入射时，激光光斑直径越大，激光能量在组织里分布越广，能量也越强。当激光垂直穿过人体组织表面时，可以明显看到越靠近中央光束的能量越大，距离越远，能量越小。

结合上述模型的仿真结果，得到不同激光波长及光斑大小下，光能量密度与辐照深度的关系曲线如图5所示。模拟结果表明，随着组织深度的增加，不同波长的激光能量密度都有所降低，其中波长为532 nm的光通量降低最严重，1 064 nm的光通量随深度增加下降幅度更大。在组织深度1 cm处，波长为1 064 nm的到达血管处的光通量较高，之后3种波长的激光到达组织的光通量接近相等。

图5 光能量密度与辐照深度的关系图Fig.5 The plot of optical energy density vs irradiation depth

2.2 激光对生物组织初始声压的影响

当激光作用于生物组织时，激光本身的辐射压力、生物组织吸收激光造成的热膨胀及引起的压强，都会对生物组织产生一定的影响，有时甚至会波及到远离受照区的部位，从而对外辐射光声信号。该光声信号的初始声压，即信号幅度与组织的吸收系数、散射系数、热扩散率和膨胀系数等相关。根据公式［12］P0=Γμa F，其中，Γ=βc2/Cp，为Gruneisen系数，由组织的一系列固有参数组合而成；β为等压体积膨胀系数；c为声速；Cp为比热；μa为吸收系数；F为吸收层面的光通量，可以得到不同波长的激光及激光光斑半径与归一化初始声压的关系（见图6）。

图6 不同激光辐照下的归一化声压关系图Fig.6 The plot of normalized acoustic pressure vs different laser irradiations

由图6可知，随着入射激光光斑的增大，组织中的光声信号也有不同程度地增加，并且激光波长越长，初始声压越大。由于不同波长对应的吸收率不同，当波长为1 064 nm的激光辐照生物组织时，在不同光斑大小入射条件下，对生物组织产生的光声信号的幅度均为最大。虽然μs随着波长的增加而降低，但生物组织中的μa在激光波长为1 064 nm处比800 nm处高（见表1）μa的增加导致到达较高深度的光通量减少，因此，生物组织中的血管成像在选用波长为1 064 nm的激光效果较好。

3 结语

光声成像技术为研究生物组织的形态结构、生理特征、病理特征等提供了有效的分析手段。本文基于蒙特卡罗模型，研究了不同波长的激光在生物组织里传播强度及穿透深度的影响，分析了不同波长激光作用组织的初始声压。实验结果表明，随着组织深度的增加，光通量随之减小。当激光达到组织同一深度时，激光波长为1 064 nm且光斑直径为5 mm时，光通量最大；而激光波长为532 nm时，不论光斑直径有多大，光通量均较低。此外，结合不同波长的激光在组织中的能量强度，得到了不同波长的激光在组织中的有效穿透深度。激光波长为1 064 nm的组织穿透深度最深。由此可见，对于深层组织成像，波长为1 064 nm可以是一个很好的选择，因为它具有较高的最大允许曝光量。因此，对于生物组织中小于6 mm的成像深度，选用波长为1 064 nm的激光进行光声成像时，既可以满足成像深度的需要，又可以得到对比度较好的重建图像，比532、800 nm波长的激光更有应用前景。