Page 20 - 《应用声学》2021年第1期

16 2021 年 1 月

关系。 健康牙齿牙冠以光声信号的频谱斜率为对比度参
公式 (3) 成功预测了随机微观结构光声信号功 数成像时，可以看到牙齿有清晰的两层结构，其中
率谱的几个基本性质：(1) 随机组织的光声信号有 牙本质对应频谱低斜率区域，牙釉质对应频谱高斜
确定性的功率谱特性，微结构特征尺寸越大，其产 率区域，实现了对牙本质与牙釉质的有效区分。接
生的光声信号功率谱带宽更窄，反之则功率谱带宽 着，这个理论还被成功地拓展到由非均匀尺寸的微
更宽。(2) 归一化光声信号功率谱的斜率与系统增 结构中或者微血管网络中 [42,52] 。声学分辨率光声
益、光源强度等测量设备参数无关，而仅与组织微 显微镜同样能对深层组织进行分类，其成像对比度
结构特性有关，因此，光声频谱参数可以提供排除 源自组织的光吸收特性，而其侧向分辨率则取决于
系统响应影响的定量结果 [41] 。(3) 光声功率谱的差 声焦点的大小。当微结构尺寸小于声焦点时，就需
异可以通过对功率谱进行最佳线性拟合得到频谱 要提高成像系统的中心频率，而高频声波在组织中
斜率参数进行量化。微结构尺寸越大，功率谱斜率 的强散射特性，又反过来制约了成像深度。也就是
越小。所以光声功率谱斜率可以量化组织微结构的 说，对于声学亚波长光吸收体，声学分辨率光声显微
特征尺寸。一个更有趣的发现是，上述性质在光声 镜无法对微结构尺寸进行区分。而基于频谱参数，
信号的低频段依然是成立的，因此，光声功率谱斜 可以定量地表征微结构的尺寸，并以微结构尺寸为
率作为成像参数，可以区分声学亚波长尺寸的微结 对比度参数进行成像，进而实现对深层组织中声学
构，从而有望利用低频窄带光声信号对深层组织的 亚波长尺寸微结构的区分 [42] 。如图 5 所示，对于中
随机微观结构进行定量分析。理论分析的结论很快 心频率为4.39 MHz的传统光声显微镜，无法区分厘
就被含有微球仿体实验验证了 [47−50] 。基于此，采 米量级深度下 60 µm 以及 150 µm 尺度的微血管网
用光声功率谱斜率便能有效地根据不同的微结构 络，而以功率谱斜率为成像参数的成像结果则可以
尺寸，对深层组织进行分类 [51] 。如图 4(c) 所示，对 进行区分。

1 mm
1 mm
min max -2.2 -1.0
(a) ྥʹѭྟིྟ (b) ̿АܦηՂࣨϙ˞Ԡ஝ᄊАܦੇϸፇ౧ (c) ̿АܦηՂᮠ៨பဋ˞Ԡ஝ᄊАܦੇϸፇ౧
图 4 对一颗健康牙齿牙冠的光声成像结果 [51]
Fig. 4 Photoacoustic imaging of the crown of a healthy tooth [51]

20 20
ॆʷӑАܦ ᯌ⦷/
ηՂࣨϙ (dBSMHz -1 )
16 1.00 16 ֓⊲
0.85 12 150 mm ֓⊲
Y/mm 12 60 mm 0.60 Y/mm ֓⊲
8
8
150 mm
60 mm ֓⊲
4 0.35 4
֓⊲
0 0.10 0 ֓⊲
0 4 8 12 16 20 0 4 8 12 16 20
X/mm X/mm
(a) ̿АܦηՂࣨϙ˞Ԡ஝ᄊੇϸፇ౧ (b) ̿АܦҪဋ៨பဋ˞Ԡ஝ᄊੇϸፇ౧
图 5 对声学亚波长尺寸微血管仿体成像结果 [42]
Fig. 5 Photoacoustic imaging of acoustic sub-wavelength sized microvascular phantom [42]