Page 19 - 《应用声学》2021年第1期
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第 40 卷 第 1 期 张涛等： 基于光声成像的生物组织微结构定征研究进展 15
高分辨率揭示组织的微观形态，但是它的成像深度
2 光声信号中的组织微结构信息
仅有 1 mm，并不适合对深层组织微结构特性进行
基于分子特定的选择性光吸收特性，光声成像 原位检查。声学分辨率的光声显微镜和光声计算机
能够灵敏地揭示组织的分子构成的差异。利用不 断层成像能够获得深层组织的图像，并且具有声学
同波长或者复合波长的脉冲激光激发光声信号，光 分辨率精度。它们的分辨率主要取决于接收到的光
声成像成功无标记地获取了细胞核、脂肪和蛋白 声信号的频率及带宽，因此，必须采集高频、宽带的
质、血氧饱和度、血红蛋白浓度、血管的高对比度图 光声信号，以获得足够的分辨率来呈现组织的精细
像 [13,28,30−32,37−39] (见图3)。 结构。但由于超声波在生物组织中传播衰减随着频
然而，除了生化组分和分子信息外，生物组织 率的升高而增加，高频超声波在组织中的强衰减会
的微结构特性，例如微结构尺寸、微结构数量密度、 严重制约这两种成像技术的成像深度。例如，为了
微结构弹性等，也是区分不同组织类型的有效标识。 获得 45 µm 的成像分辨率，接收的光声信号中心频
并且，组织的生理功能与其微结构特性密切相关，因 率需要高达 50 MHz，在如此高的频率下，声波仅能
此对组织微结构信息的评估有着极高的生物医学 在组织中传播约 3 mm [40] 。总而言之，评估深层组
应用价值。光学分辨率的光声显微镜虽然具有足够 织的微观结构信息依然是一项具有挑战性的课题。
500 mm
mN 1 cm
(a) Аܦ௭ॲ᪫ʾὊඐᴅ (b) Аܦ௭ॲ᪫ʾὊੇጜ፥ጺᑊᄊੇϸ [31] (c) Аܦᝠካலࡏੇϸʾ
ॲᛞኮᎪፏੇϸ [30] ˾˗ᛞኮᎪፏੇϸ [13]
图 3 生物组织中的光声成像
Fig. 3 Photoacoustic imaging in vivo
近期，一系列研究揭示光声的原始射频信号含 一个有效的工具 [43−44] 。人们利用蒙特卡洛模拟和
有与生物组织微观特性相关的丰富复合信息，通过 实验测量，发现光声信号的功率谱性质和红细胞聚
对光声射频信号的分析，从而提取与生物组织的微 集水平相关 [42] ，还和单个红细胞的形态学相关 [45] 。
结构相关的特性参量，为组织分类提供的新的视野 另外，在离体实验中，人们也发现癌变组织与正常组
和技术可能性。 织的光声功率谱有着显著的差异 [46] 。
Yang 等 [47] 理论解析了微结构尺寸和归一化
2.1 微结构尺寸
光声功率谱之间的关系：
组织的微观结构的特征尺寸是组织的一项基
∫∫∫
本属性，它指的是构成组织微小单元的大小，例如细 S(f) = Φ −2 (f) R A (∆r) e jk∆x dxdydz, (3)
c
胞团或色素团的大小、微血管的直径等 [41−42] 。因
′
′
为实际组织的微结构的空间分布具有随机性，其光 其中，∆x = x − x，∆r = r − r，R A (∆r) =
∫∫∫
′
声信号总是呈现出类似噪声信号的随机性。所以， A(r)A(r )dxdydz 是微结构的光吸收系数
V
对信号随机波形的分析难以揭示组织的微观结构 空间分布函数 A(r) 的自相关函数，Φ c (f) 是校正系
特征尺度。然而，通过对光声信号功率谱的研究，可 数。A(r) 是微结构的光吸收系数空间分布函数，它
以有效地提取与组织微观结构尺度相关的特征参 与微结构的特征尺寸相关，因此，公式 (3) 表明了光
量。光声信号功率谱分析是提取组织微结构特性的 声功率谱和随机微结构尺寸之间存在一一对应的
