光声显微镜技术的研究进展
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摘 要： 光声显微镜技术具有新兴的一种非侵害性的显微成像技术，具有高分辨率、高对比度、穿透深度高的优点。简要介绍光声成像技术机理，总结报道了国内外几种典型的光声显微成像方法和光声显微图像重建算法的发展历程及其最新进展，指出该技术是一种很有应用前景的医学检测方法。
关键词： 光声成像技术；光声显微镜；图像重构算法
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）0120008-02
光声成像技术是近年来发展迅速的一项新型医学影像技术，是采用“光激发声探测图像重建”的方法进行成像。它利用样品的内源性的光学吸收特性进行成像，因此能获得组织样品的结构图像和功能图像，同时也能获得光学能量沉积的三维分布。作为一种非侵害性的成像技术，光声成像既具备了光学成像技术的高分辨率、高对比度的特性，同时，也具备了声学成像技术的穿透深度高的特点。被广泛应用于血红蛋白、黑色素、脂质等光学吸收特性物质的探测及其分布的成像。为胸部/[1]、皮肤[2]、脑部[3]、心血管[4]、眼睛[5]等人体部位的组织、微小血管以及细胞成像提供了一种有力的工具。
本文将简单介绍光声成像技术的机理，并重点对国内外几种典型的光声显微成像技术作简要的介绍。
1 光声成像技术
光声成像技术，是基于光声效应的一种成像技术。当物质受到光照射后，所吸收的能量通过非辐射去激励的过程全部或部分转变为热量释放出去。如果入射光源是短脉冲激光或者周期性的强度调制光，物质内部将会产生周期的温度变化，使这部分物质及其邻近介质产生周期性的涨缩，因而产生声信号，这种声信号被称为光声信号[6]。对于光声技术的研究已经有了很长一段时间的历史。1880年Alexander Graham Bell首次观察到了光声效应，物体在吸收了调制光以后，从而产生了声波[7]。但是，直到十九世纪七八十年代，随着激光技术的发展，与光声效应相关的科学研究和技术才有了蓬勃的发展。这是因为，激光的单色性强、峰值能量大、方向性好等优点为光声信号的传感提供了有力的支持。
2 光声显微镜成像技术
随着光声成像技术的分辨率通过不同的方式得到提高，光声成像已经进入显微的领域，光声显微镜已经成为目前研究的热点之一。光声显微镜通常使用扫描的方式获得，而不需要复杂的重建算法。扫描的方式主要有两种，第一种是通过扫描一个聚焦的超声探测器以获取光声图像，这种方式被称为超声分辨率光声显微镜，它通过超声来进行定位，分辨率决定于超声换能器的带宽以及中心频率，分辨率能等达到15微米到100微米[8]，由于利用超声进行定位，因此这种显微镜的成像深度能达到30毫米[9]。而第二种扫描方式是采用会聚的激光束进行扫描，通过这样的方式能达到光学分辨率的光声成像，它的分辨率取决于会聚激光束的衍射极限，因此它也被称为光学分辨率光声显微镜[10]，但是由于这种方法通过光来定位，由于组织的散射的影响，它的穿透深度不如超声分辨率光声显微镜。
2.1 超声分辨率光声显微镜
典型的超声分辨率光声显微装置如图1所示，L.V.WANG等利用聚焦形超声传感器进行扫描成像[9]。在该系统当中，入射光束被照射到圆锥透镜上，使它被发散从而绕过了跟样品保持共轴的超声探测器，然后通过灯罩型的反射镜将它会聚到样品上，这样就保证了照射样品的均匀性。通过圆锥透镜以及灯罩型反射镜的会聚只充当照射作用，其作用与显微物镜的会聚作用不同，并不决定光声图像的空间分辨率。其成像原理是根据计算机同步信号，分别作X方向的B扫描和Y方向的B扫描，Z方向上的不同层析平面上的光声信号可以利用时间分辨技术在每个方向的B扫描的时候记录下来，当二维扫描完成以后，用计算机可以重构出样品的三维光声信号图像。成功研制成活体的功能光声成像，这种超声分辨率的光声显微成像系统得到了广泛的应用。
2.2 光学分辨率光声显微镜
L.V.WANG等利用高数值孔径光学物镜把激光会聚到样品表面从而获得接近光学分辨率极限的光声图像，分辨率达到0.2μm[9]，并且能够获得细胞的光声图像。在此基础上，进一步提高探测灵敏度和成像速度，提出了第二代光学分辨率光声显微镜[11]。如图2所示。激光束通过一个偏菱形的透明棱镜会聚到样品表面，样品所激发的超声信号在偏菱形棱镜的内部进行两次反射，被超声传感器探测，这样的设计大大地提高了声探测的灵敏度。利用这套系统，他们对1.2mm深度的毛细血管进行了成像。
而H.F.Zhang，与C.A.Puliafito等[3]将激光扫描振镜技术引入了光学分辨率光声显微系统。在这种方法中，超声探测器的位置可以固定不动，利用激光扫描振镜将激光束在样品表面扫描，从而实现微米量级的无振动噪声的光声显微。如图3所示，激光通过二维扫描振镜直接在样品表面进行扫描，位置固定不动的超声探测器对每一点的光声信号进行探测，从而还原出二维的光声图像。利用这种成像机制，用光纤将后向散射的光子耦合到光学成像系统，则可以同时获得光声显微图像和后向散射光学图像[8]，或者可以同时获得光声显微图像和光学相干层析成像图像。
3 结束语
光声显微镜是近年发展起来的一种新型的，具有广泛应用前景的光声成像技术。它依赖于生物样品内部的内源性吸收特性，可获得生物样品的结构和功能显微图像。目前光声显微成像技术已经取得了长足的进步。随着硬件（光源和声探测器）性能的提高和技术路线的改进，光声显微成像技术将在生物医学成像领域中取得更大的成就。
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