Page 9 - 《应用声学》2025年第2期
P. 9
第 44 卷 第 2 期 陈洪磊等： 定量超声骨检测技术研究进展 269
༏А҄ቫ
1ጟҒᎶ 2ጟҒᎶ ᇨฉ٨
ஊܸ ஊܸ Nd:YAG
laser
pumped
OPO
༏А/ᡔܦ
ଌஆ
͜ਖ٨ ԧ࠱͜ਖ٨
Optical fiber buddle
Аܦ&ᡔܦ
图 3 光声超声双模态松质骨微结构及生化功能分析评估原型机 [3]
Fig. 3 Functional photoacoustic and ultrasonic assessment of cancellous bone [3]
骨组织内的有机组织成分 (胶原蛋白、脂质、 650 nm、760 nm 和 1064 nm 波长光声信号，骨骼对
血液) 含量导致光声体波宽带频谱参数变化。安 不同波长激光的吸收作用影响激励超声信号的模
荣荣等 [30] 采用有限元分析显示光声信号在含异 态，从骨吸收光谱和超声传播特性分别推断骨骼的
物脂肪组织中存在多个界面反射波；超声波在 化学功能和物理力学性能；单一波长光声信号的幅
较大弹性模量异物中的传播速度较快。Lashkari 值和相位均随骨质状况发生改变。将1250 nm波长、
等 [31] 研究显示胶原成分减少使超声信号背散射 1064 nm 波长激光同定量导波检测技术结合，在软
积分增加；850 nm 光声和超声信号对松质骨矿物 组织覆盖长骨中激励得到 50 kHz 基础扭转模态导
质减少敏感；光声信号较超声对骨中胶原蛋白变 波和30 kHz F LC (1,1)模态光声导波，实现骨厚度评
化敏感。单波长光声信号可以提供与定量超声相 价。针对单点激励光声信号能量低、传播距离受限
当的信息量，但多光谱光声能够提供更多 OP 诊断 的问题，Kilappa 等 [9] 采用相位延迟激励技术来提
的功能信息。805 nm 连续激光激励光声反射信号 升骨中激励导波的功率比，显示 7 mm 厚软组织覆
(300 kHz∼2.6 MHz)和超声信号 (300 kHz∼4 MHz) 盖的 2∼6 mm 厚骨板表面上的 6 个激励源相位延迟
背散射信号均对牛股骨中松质骨中矿物质的减少 激发的 50 kHz 超声信号的强度提升了 23 dB 左右，
敏感；胶原成分的减少对传统超声信号没有影响， 幅值提升5.8 dB。Moilanen等 [8] 通过相位延迟激励
但会使光声信号的表观积分背向散射系数增加。单 技术在5 mm厚不透明软组织包裹的2∼3 mm厚实
波长光声信号可以提供与定量超声相当的信息量， 体管中激励光声信号，采用 215 kHz 中心频率压电
但多光谱光声能够提供更多 OP 诊断的功能信息。 传感器进行超声信号接收L LC (0, i)和F LC (1, i)。相
910 nm 与975 nm 波长两种光声信号首次抵达波的 位延迟光声导波激励实验及装置如图 4(a)、图 4(b)
能量比与骨髓中血液浓度增加呈线性关系，斜率随 所示。研究显示脉冲相位延迟光声激励技术具有更
检测距离增加而降低 [7] 。Feng等 [3] 研发了光声 -超
高的激励信号信噪比，但受宽带特征的影响检测信
声双模态穿透式骨评估原型机装置 (见图 3)：通过
号中存在很多杂波。应用中需要基于双层模型中导
光与声传播通路共轴的融合形式保证了超声模态
波的相速度飞行理论计算相邻阵元激发信号的延
可为光声模态提供声速、衰减等信息；以多波长光
迟时间，获得最大基础扭转导波激发强度。在光声
声谱 (功率谱及光声光谱) 方法检测在体骨组织的
导波参数与骨光学和结构力学性质的定量关系研
微结构及分子代谢功能信息。
究方面，Chen 等 [33] 实验研究论证了激光波长、骨
2.2 光声导波骨检测 光学性质与光声导波模态幅值间的关系，以及采用
光声导波骨检测技术采用激光在骨中激励导 光声模态幅值相对变化率进行骨光学性质评估的
波，综合了光声导波对骨结构物理性能的检测优势 可行性。如图 4(c) 所示，反对称模态与对称模态幅
和光学检测对组织化学信息敏感两个方面的优势， 值的变化率与骨中光透射率呈镜像关系，但光声导
利于多类型骨物理性质综合检测。Steinberg 等 [32] 波模态、幅值等声学参数与骨光吸收系数、散射系
通过多个单色直接调制激光二极管在骨骼中激励 数等的定量关系仍需进一步分析。
