虽然早在1880年Bell实验室就发现了光声现象,但是直到20世纪60年代,光声效应才与现代激光技术、微弱信号检测技术相结合而开始迅速发展。20世纪70年代,光声效应被用于光谱研究,形成了光声光谱技术;20世纪80年代,光声效应被引入生物组织成像领域,形成了生物组织的光声层析成像技术(PAT)。目前光声效应在生物医学领域的应用主要包括如下几方面:
1)基于时域光声谱技术的生物组织无损检测[3],包括组织成分检测,如血糖和血氧的检测;组织光学参数的检测,如光吸收系数、衰减的光散射系数及各向异性因子等。
2)光声层析成像[4],在组织外部采用超短脉冲激光光源激发组织产生超声波,然后通过检测超声信号来进行层析成像。由于组织的光声效应产生的超声信号频率通常远大于常规超声成像的信号频率,因而其分辨率会大大提高。
近年来,光声成像技术凭借其灵活的成像方式、优质的成像能力、高度的生物安全性,正越来越受到生物医学成像领域的关注。主要包括如下几方面:
1)心血管研究:利用光声成像技术对小动物活体进行血管生成/生长、心肌炎、血栓和心梗等的观察和研究,可得到血红蛋白浓度和血氧饱和度的定量数据。
2)药物代谢研究:利用分子影像学技术实时监测标记药物在动物体内的运动情况,可判断该药物是否能够准确到达靶区和代谢途径,以及治疗效果评测。
3)肿瘤研究:利用光声成像技术可直接快速地测量和跟踪各种癌症模型中肿瘤的生长和转移,及伴随的血管生成过程;并可对肿瘤的生长和转移中血红蛋白浓度和血氧饱和度的变化以及血管生成抑制效果等信息进行实时成像与分析。(www.xing528.com)
4)基因表达:在活体动物体内观察和研究基因的表达、细胞或组织特异性及其治疗反应。
5)干细胞及免疫研究:标记细胞,实时观测动物体内干细胞治疗效果,并用于抗肿瘤免疫治疗。
6)细菌与病毒研究:通过对细菌与病毒进行特异性荧光探针标记,研究侵染过程等。
7)疾病的早期诊断:用分子影像学可对分子水平的病变进行检测,早于根据病理改变评判基础疾病的诊断,实现疾病早期诊断。
8)其他应用领域:如分子光学和脑科学研究等。
近几年,光声显微镜、光声计算机断层扫描和光声内窥镜等光声成像技术在肿瘤检测、动脉粥样硬化斑块的检测、创伤性脑损伤、糖尿病性视网膜疾病和关节炎诊断等血管并发症方面的研究仍处于实验阶段。此外,多模成像(即多种成像技术的融合)有望提高对相关疾病的诊断效率,光声成像获取的功能信息一般与血液浓度有关,与超声成像、X射线成像或OCT等成像技术相结合,具有在疾病早期提供更有效、更快诊断的潜力。
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