图1.光声效应发现的起源
亚历山大?奥利弗斯基（AlexanderOraevsky）博士是最早进行生物医学光声成像技术的科学家之一。上世纪80年代，亚历山大博士在莫斯科苏联科学院从事利用激光去除生物组织的研究工作。在实验过程中，他发现被激光脉冲照射的软组织周围出现了超声波，于是继续研究这一有趣的现象。从此，利用接收到的超声波对生物体组织成像的方法出现了。
图2.亚历山大?奥利弗斯基（AlexanderOraevsky）博士创立TomoWaveLaboratories,Inc.公司
今天的光声成像技术里，当物质被脉冲宽度为几纳秒或强度调制的连续性电磁波照射时，吸收电磁波能量并将其转换为热能，经过瞬间热膨胀效应和微小振动弛豫产生超声波。光吸收信息的载体不是光学信号而是超声波，而超声波在组织中的散射比光学信号的散射弱2~3个数量级，因此在大于组织中光传播的平均自由程时光声成像可获得较高的声学分辨率,与传统的光学成像技术相比可实现代表深层组织光学吸收的高分辨率成像。由于图像的形成是基于组织吸收而不是散射，所以没有超声成像上常见的背景散斑。光声信号因光的吸收随生物组织的分布而变化，故成像对比度高，对组织特征敏感,可多功能地呈现良好的解剖特征(包括血管、黑色素、脂质分布等)和生理特征(包括血红蛋白浓度、氧饱和度、血流速率、代谢速率等)。此外，为了增强信噪比，提高成像质量，开发和利用靶向组织(如淋巴系统、肠道等生物器官)或病变(特别是肿瘤)生物标志物的外源性造影剂可获得理想的图像分辨率和对比度，实现有标记光声成像的精准诊断。
图3.PAI原理示意图
PAI过程中，超声波频率越高，空间分辨率越高，但组织衰减越大，穿透深度也越浅，反之亦然。根据激发光源和超声信号检测频率的不同，光声成像可以分为光声显微技术(photoacousticmicroscopy,PAM)和光声断层扫描(photoacoustictomography,PAT)，两者的应用范围和目标有所不同。目前，国内外以光声成像为基础，使用无标记光声成像方法反映不同生理病理状态，借助分子探针的有标记光声成像方法对肿瘤等多种疾病进行精准诊断，已取得了一定的成果，推动了光声成像的临床转化。本文中选取近年来的代表性成果分类介绍光声成像在生物医学研究中的最新应用进展。内源性造影剂PAI主要利用机体内源性光吸收物质呈现组织的结构和功能信息，主要包括血红蛋白、肌红蛋白、脂类、黑色素、水、DNA、RNA、胆红素等，各物质的光学吸收光谱如图3所示。通过血红蛋白在结合氧气前后吸收光谱的变化，PAI可实现总血红蛋白和氧饱和度的测量，这对于研究血管相关疾病以及组织氧代谢具有重要意义；PAI也可根据脂质在近红外二区独特的吸收峰来表征体内脂质的分布；此外，PAI还可利用黑色素强烈的光学吸收特性对原发性和转移性黑色素瘤进行敏感性成像。无标记PAI作为一种无需造影剂、无创、低成本的方法，结合体内固有发色团的特定吸收光谱，可用于检测和量化多种疾病的特征，具有多种疾病临床检测的潜能和实用性。图4.体内不同内源性生物分子光谱吸收
图5.不同温度下小鼠内源性血红蛋白PAI
1.心血管系统
血红蛋白作为机体在近红外区域主要的内源性光吸收物质，为血管光声成像提供了较强的内源性对比度，使PAI用于心血管方面的研究具有独特优势，可以高分辨率地展现血管形态和绘制血管网络，在检测心血管相关疾病方面具有广阔的应用前景。1.1心脏
房颤是临床最常见的心率失常症状,会增加中风、痴呆、心力衰竭和死亡的风险。经导管射频消融术是目前最有效的治疗方法，但导管接触力大小和方向等参数是导致射频消融术损伤的不定变量，病变的重新连接和复发是手术失败的主要原因。此外，经导管射频消融术还有引起严重并发症的风险，如房食管瘘或心脏填塞，目前还没有很好的工具来实时记录术中情况。利用改进的PAI系统进一步展示了其在可视化活体小鼠心脏及周围血管网络上的优良特性，并探讨了其在心血管疾病中分析心肌梗死(myocardialinfarction，MI)这一主要致死因素方面的应用。研究者通过采用半球形PAI系统，在nm的光激发下可清晰地识别健康小鼠心脏的结构以及周围主要血管；之后对MI模型小鼠进行无创检测和纵向长期监测发现，相比于桃形的健康心脏，MI模型小鼠的心脏体积变大且可见明显梗死区域；同时，PAI获得的血氧饱和度和相关图像结果显示，MI模型组小鼠的血氧饱和度相对较低，归因于心肌功能受损和缺氧(图6)。可见PAI不仅可以清晰地可视化心脏解剖结构，还可以高质量地绘制血管网络图和血氧饱和度图，提供独特的血流动力学信息，为研究心脏相关疾病提供了一种有价值的工具。图6.正常小鼠心脏及周围血管和MI模型小鼠心脏的PAI图像
（AA.主动脉弓;RV.右心室;RA.右心房;LV.左心室;LA.左心房;REV.右上腹静脉;LEV.左上腹静脉;RSV.右锁骨下静脉;LSV.左锁骨下静脉;IJV.颈内静脉;SVC.上腔静脉;RTA.右胸动脉;LTA.左胸动脉;IA.肋间动脉.白色虚线表示正常心脏,绿色虚线表示梗死区域。（g）MI小鼠心脏解剖图（h）MI建模后的小鼠心脏图像（i）MI建模后心脏的HE染色)
1.2肾脏
肾脏是一个微血管系统组成的高度血管化器官。慢性肾脏疾病(chronickidneydisease，CKD)的发展与肾脏血管的重构紧密相关。大量的临床前研究探索了肾血管系统与CKD的关系，但大多数研究中仅使用组织学技术可视化肾血管系统。活体成像技术可以提供有关血管系统的连续纵向三维信息，为认识疾病进展和治疗反应打开了新思路。核磁共振成像(MRI)、超声波和高分辨率微X射线计算机断层扫描(micro-CT)已被用于研究小鼠的肾脏结构和功能，然而这些成像模式均需要使用外源性造影剂，会带来额外的复杂程序和潜在的副作用。Ogunlade等通过使用基于全光超声传感器的高分辨率三维光声扫描仪，获取了详细的小鼠肾脏血管系统图像以及肾脏周围脊柱、肋骨和脾脏的解剖结构图；利用这一高分辨率的成像性能，进一步对多囊肾病小鼠模型进行活体成像，发现其肾血管结构被破坏，囊肿周围出现弯曲、不规则和扩张的血管，并且该结果与血管造影和免疫组化等方法获得的结果一致，这说明PAI可作为研究肾脏疾病血管变化的有效工具。图7.小鼠腹腔的原位PAI图像。位置1：脊柱（s）；脊柱两侧肾脏（k，黄色箭头标记）；脾脏（sp）；肋骨（r）。（C）从下侧看相同数据集的3D体积渲染图像，以更好地可视化肾脏和肾血管系统；肾手动分割并涂上假色。（F）根据D和E中显示的数据集手动分割的肾脏3D体积渲染图像，显示肾脏的血管。
图8.正常小鼠肾脏模型（A,C）和肾病小鼠模型（B,D）PAI图像(E,F从肾脏中提取的血管网络骨架)
图9.离体小鼠肾脏PAI图像（WT：正常小鼠肾脏模型；PKD：肾病小鼠模型）
1.3外周血管
血管畸形是血管系统疾病之一，在人群中患病率约为1.5%。微创硬化治疗是目前治疗血管畸形的主要方法，但常因对周围正常结构的损伤导致并发症，如皮肤溃疡、肌肉萎缩、神经损伤等。准确定位和严格控制剂量对减少并发症有重要意义。Sun等采用了一种调焦式高分辨PAI系统在动物模型中指导血管畸形的硬化治疗，通过对不同质量分数沉淀的硬化血液样本进行成像，比较了它们与正常血液的差异。然后对注射硬化剂前后的体内血管进行成像，验证了PAI显示硬化剂治疗前后差异的能力。通过调整焦距，还可对动物模型的浅层和深层血管进行活体检测,证明PAI在不使用造影剂和无辐射的情况下具有显示血管结构、血栓位置及硬化剂到达区域等引导硬化治疗的重要功能。此外，PAI安全性高，可多次使用，成本低，操作性好，尤其适用于需要反复治疗的病例。这说明PAI在帮助临床医生指导血管畸形的硬化治疗及评估治疗效果方面具有巨大的潜力。图10.硬化剂乙醇注射前（a）和注射后（b）兔耳浅表血管的体内PAI图像
图11.硬化剂乙醇注射前（a）和注射后（b）兔耳深部血管的体内PAI图像
四肢的血管病变是一类常见的血管疾病。目前临床常用的成像方式无法同时提供具有强血管对比度、高时空分辨率、足够穿透深度和完全无损的图像。Wray等应用自主研发的PAI系统从不同截面清晰地展示了健康人的手、臂、腿和脚的血管网络，突出了PAI作为一种非侵入性方法的潜在应用价值，其可提供高时空分辨率的人体四肢血管图像，有助于诊断和监测四肢血管异常(如筛查周围血管疾病和糖尿病足)，监测血运重建手术等术后情况以及药物治疗的反应等，为血管疾病的检测和血管健康的评估提供了一种有用的工具。图12.志愿者右手PAI图像
图13.志愿者右臂的各个位置获取的侧向横截面PAI图像
图14.PAI图像显示了跨越不同附肢的血管网络。志愿者（a）右前臂，（b）右下臂，结束于手腕，（c）右脚，（d）右腿和（e）右二头肌。
2.肿瘤
血管生成和变化在肿瘤的生长和转移中起重要作用，PAI也因此成为肿瘤研究中极具潜力的工具。在已有利用无标记PAI对乳腺癌、黑色素瘤、肿瘤的淋巴转移相关研究中，甚至实现了循环肿瘤细胞的追踪。
2.1乳腺癌
根据国家癌症中心最新发布的癌症统计数据显示，乳腺癌居女性肿瘤发病首位，也是导致女性癌症相关死亡的主要原因之一。多项前瞻性临床试验表明,早期发现对提高乳腺癌生存率具有重要意义。虽然乳房X光检查目前是乳腺癌筛查的黄金标准，但是对高密度乳腺的敏感性较低。超声多用作乳房X光检查的辅助检查手段，但存在散斑伪影和特异性低的问题。MRI成本费用高，且需要使用静脉造影剂，但这些造影剂可导致过敏、肾脏损害和中枢神经系统永久性沉积。总体来说，上述模式都有各自局限性，而PAI可以克服这些局限,是一种很有潜力的补充模式，其用于乳腺癌的监测已有多项研究报道。TomoWave开发了专用于临床乳腺癌诊断的PAILOUISA-3D系统，可成像人体乳房的详细血管结构并展示肿瘤的位置，其具有体内由于高穿透深度和高时空分辨率，通过单次℃全角度扫描整个乳房即可获得三维图像，无需考虑呼吸诱导的运动伪影；实验结果显示，该方法可观察到肿瘤相关的高血管密度，清楚地揭示肿瘤的存在，不仅不构成健康风险而且灵敏度高，成像速度快。图15.TomoWaveLOUISA-3D临床乳腺癌光声成像系统
图16.LOUISA-3D临床乳腺癌光声成像系统采集的正常乳腺和乳腺癌的PAI图像
2.2肿瘤的转移
90%以上癌症相关死亡可直接或间接归因于肿瘤的转移。确定肿瘤的转移对癌症分期和治疗策略的制定至关重要。在多种类型的癌症中，包括皮肤癌、头颈部癌、乳腺癌和胃肠道癌等前哨淋巴结(sentinellymphnode,SLN)转移是远处转移和低生存率的先兆。目前临床主要通过瘤旁注射染料、放射性胶体或者同时注射两种物质指导SLN切除活检以确定转移发生和癌症分期。然而，这种方式是侵入性操作，使病人暴露于放射性条件下，重要的是其假阴性率居高不下，且诊断可能需要较长时间获得结果。利用PAI对前哨淋巴结进行研究，通过进一步定量分析发现淋巴结中血氧饱和度信号的减少与早期转移侵袭有关，这为大幅度提高目前方法的敏感性提供了参考。另外也实现了PAI对黑色素瘤淋巴结和远处微小转移的特异性检测。可见，无标记PAI对肿瘤的临床诊断和分期具有潜在的应用价值。图17.黑色素瘤患者的淋巴结离体PAI和组织学分析3.脂肪组织
脂质作为体内一类重要的内源性物质，在肥胖、脂肪肝、动脉粥样硬化和MI等慢性疾病的鉴别中起着重要的作用。由于组织中主要内源性物质如血红蛋白、黑色素等的吸收峰值集中在电磁波谱的紫外可见部分，而脂质在~nm和~nm的近红外二区表现出区分度良好的吸收峰，吸收程度高于其他生物组织的主要成分，所以PAI利用近红外二区的光激发能够区分血液和脂肪等生物成分。PAI作为一种高分辨率、快速、无标记、无创的方法，可补充目前已有成像方法的不足，具有准确诊断脂质相关疾病的潜力。表1总结了目前无标记内源性造影剂PAI的多种应用案例。图18.人体离体脂肪PAI和组织学分析表1.无标记内源性造影剂PAI应用
4.总结
PAI具有高安全性、高分辨率以及实时成像等优点,能够提供生物组织结构、功能、代谢等方面的重要信息，被证明在生物医学多个领域具有重要的应用价值。基于内源性光吸收物，PAI可以实现血管、解剖结构和体内氧代谢成像。PAI将进一步克服技术难题，为生物医学研究提供强大的技术手段，使生物医学研究能够在超出光学散射极限的深度下进行高分辨率成像，填补深部组织高分辨率成像的技术方法空白。PAI已在生命科学领域的应用中日益普及，临床前应用包括血管、肿瘤微环境、药物代谢、脑功能、生物标志物和免疫活动成像，临床应用包括黑色素瘤成像和乳腺癌检测以及血氧和组织代谢成像。随着该技术的进一步发展，PAI将在基础研究和临床应用中发挥更大的作用并产生深远的影响。
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