定义
光声成像（Photoacoustic Imaging, PAI）是近年来发展起来的一种非入侵式和非电离式的新型生物医学成像方法。光声成像基于光声效应采用调制激光照射目标组织，使组织受激发而发出超声波，再由采样的声波重建出反应目标组织内部结构的光吸收分布。光声成像作为一种高对比度、高分辨率的无损检测技术，在病灶的早起诊断方面有着巨大的潜力，得到了生物医学界的广泛关注。
光声成像的背景与机制
一张图像即能够包含大量的生物信息，无论在生物还是医学研究领域，科研工作者都希望能获得一张直观、清晰的静态或者动态的图像，来分析细胞或生物体特定区域的特征、状态，甚至特定分子的表达、分布等信息。其中，光学成像由于其检测仪器发展成熟、灵敏度高、对比度高、分辨率高、成像直观、成像速度快和无损探测等优点被广泛应用。其在探寻疾病的发病机理、临床表现、基因病变，了解相应的生理学和病理学信息,疾病诊断和新的医疗手段的开发等方面具有重要的实践意义和应用前景。光学显微镜、荧光显微镜、共聚焦显微镜、激光共聚焦显微镜等等，这些成像技术给我们提供了越来越精细的分辨率，带领我们不断探究更加微观的生物世界。
然而，光学扩散极限（optical diffusion limit），像一块巨大的乌云，笼罩在无数光学成像科研工作者的心中。由于入射光子在生物组织中传播时，它们中的大多数已经经历了数十次散射，这扰乱了光子的传播路径并抑制了有效的光学聚焦。即众多光学成像技术难以在深层生物组织中发挥出高分辨率的作用。更糟糕的是，这个光学扩散极限通常仅为1mm，这严重限制了光学成像在生物组织在体成像上的发展。
幸运的是，难以在深层有效聚焦的光线，还是将能量传递给了生物组织。而组织受到光线的照射，吸收了热能，不断发生热弹性膨胀，进而产生了超声波。而我们通过接收这些超声波，便可以重建出生物组织内部的情况，完成成像，这就是光声成像技术。可以这样说，光声成像是利用声学信号为载体，获得成像区域内光学参数的一种新颖复合成像技术。其中所谓的光学参数，实际上就是生物组织中不同物质的光吸收系数，这就是光声成像的对比来源。所以，光声成像也像光学成像一样具有成像对比度高、对组织功能特性敏感的优点；此外，光声成像过程中，作为光吸收信息的载体不是光学信号而是光声信号。光声信号本质就是超声波，其在生物组织中同样具有低散射低耗散的优点，因此，光声成像同时也具备了声学成像深度大、深处组织成像分辨率高的优势。
图 1 光声效应示意图
光声成像基于光学激发和超声波检测。待成像的生物组织通常通过纳秒脉冲激光束照射以产生热和声脉冲响应。由于光吸收引起温度上升ΔT，并因此引起由于热弹性膨胀引起的初始压力上升P0（P0 =β·ΔT/κ），其中β是热膨胀系数，κ是等温压缩性。大约1mK的温度升高导致800Pa的压力升高，其高于典型超声换能器的噪声水平。光声信号在通过组织传播之后，由超声换能器（或一组换能器）检测压力波，以形成光学吸收的高分辨率断层图像。
光声成像的分类
目前，光声成像主要有三种实现方法：聚焦扫描光声显微镜（PAM），光声计算机断层扫描（PACT）和光声内窥镜（PAE）。虽然PAM和PAE通常旨在以微米级分辨率对毫米深度成像，但PACT可用于微观和宏观成像。
光声成像的应用
PAT的可扩展性提供了前所未有的机会。在目前的实践中，微观生物结构（包括细胞器和细胞）通常通过光学显微镜成像，而宏观结构（包括组织和器官）使用非光学模态（例如X射线计算机断层扫描）成像。微观和宏观图像的相关性可能具有挑战性，因为它们的对比机制差异很大。具有相同对比度的成像使PAT能够弥合微观和宏观区域之间的这种差距。因此，多尺度PAT的实验观察预计将促进系统生物学的理论模型的发展，这些模型解释甚至预测多尺度的生物现象。此外，PAT可能会加速微观实验室发现到宏观临床实践的转化。
PAT将在生物学和医学中得到广泛应用。主要的临床前应用包括血管生成，微循环，肿瘤微环境，药物反应，脑功能，生物标志物和基因活动的成像。最初的临床应用包括黑色素瘤癌症成像，胃肠道内窥镜检查，血管内导管成像，新生儿脑成像，乳腺癌检测，前列腺癌检测，用于癌症分期的引导前哨淋巴结穿刺活检，早期化疗反应成像，热疗中的剂量测定，体内无标记组织学，血液灌注成像，血液氧合成像和组织代谢成像[2]。尽管临床前PAT系统已经商业化，但临床系统仍然需要通过严格的验证和监管批准。
光声成像由于近几年的快速发展以及不同组织高分辨率图像的成功重建，其在临床医学被寄予厚望。这种成像方式使得组织成像摆脱了对人体有伤害的电离辐射以及造影剂的使用，并且能够达到实时成像，其在临床应用的以下领域内扮演了重要的角色：（1）人体组织成像，包括乳房、哨卫淋巴结、皮肤、甲状腺、眼睛、前列腺( 经直肠) 、卵巢( 经阴道) 的无损成像；（2）胃肠道、膀胱、循环肿瘤细胞( 体内流式细胞术) 的微创内窥镜成像；（3）术中肿瘤边缘和( 淋巴结) 转移成像。
总体而言，在临床前研究方面光声成像多数针对脑损伤、疾病预判、肿瘤转移、癌症诊断等方面。另外光声成像技术对中风、癫痫和外伤性脑损伤等有关血管结构和功能的病症的研究也十分有效。其在诸如老鼠、兔子，犬类等小动物身上进行各个器官或组织的非侵入式研究已经取得良好的成果，这也使得研究者们看到了未来一个具有划时代意义的新兴医学成像技术的到来。虽然这些技术还大都局限于在动物身上做实验，但是部分器官的成像对象已经慢慢开转向人类组织，并且这些技术都经过了充足的应用分析且取得了阶段性的验证。这些研究对于了解人类疾病发展过程，研发新的药物和治疗方法具有重要意义。
参考文献
[1] L. V. Wang, H. Wu, Biomedical Optics: Principles and Imaging (Wiley, Hoboken, NJ, 2007).
[2] L. V. Wang and S. Hu, Photoacoustic tomography: in vivo imaging from organelles to organs. Science 335.6075(2012):1458-1462.
[3] 苗少峰, 杨虹, 黄远辉, et al. 光声成像研究进展[J]. 中国光学, 2015(05):25-39.
