张建辉等:光声显微成像技术的研究进展 第1天 第2天 第3天 第4天 5天 第8天 图16肿瘤血管生成的PAM监测 Fig. 16 In vivo PAM monitoring of mouse lS174T tumor angiogenesis 嘴脣和舌头部位血管成像,进一步证明了该显微成像系统临床应用的可能性。 4.2多参量功能成像 光声信号的产生是基于样本中光吸收物质对光能 黑色素 别叫,图17所示为生物组织中常见内源性分子的光吸收8m/(呼 量的吸收,生物组织中不同物质成分存在不同的光吸收10 氧血红蛋白 谱,即不同的物质成分对不同波长的光吸收强度有所区 悦氧血红蛋白 PAM技可以解析出特定目标成分的相对含量叫,以此08m入 谱呵。根据物质的吸收谱,采用多波长激发光的多光谱10 葡萄糖 来获取生物组织结构信息以外的多参量生理功能信息 10 如通过解析含氧血红蛋白(HbO2)和脱氧血红蛋白0 (HbR)在血液中的相对含量可以计算血氧饱和度(so2)。 1000 500 2000 Zhang等首次提出了光声功能显微成像 波长/nm (PAM)的概念,基于AR-PAM系统,采用578、584、590 图17生物组织中主要内源性对比剂的吸收谱同 和596mm4个波长对小鼠背部皮下血管进行血氧饱和 Fig 17 Absorption spectra of major endogenous ontrast agents in biological tissue a) 度功能成像,在微血管水平上实现了高氧、常氧和缺氧 状态下血氧饱和度变化的测量,此后,众多PAM测量血 氧饱和度的研究被报道邸刎。由于多数疾病的发生都会对血液流动产生不良影响,破坏细胞正常的氧 代谢活动,结合血流速度测量则可进一步获取组织的氧代谢率(MR2)功能参数。Yao等在此基础上 提出基于电机双向扫描的光声多普勒频带展宽血液流速测量方法,实现了小鼠胶质瘤血氧饱和度和氧 代谢率的监测,如图18所示,图18(a)为耳部血氧饱和度测量结果;图18(b)为血流速度测量结果,红色 箭头所示为正向;图18(c)为小鼠耳部胶质瘤生长第7天的光声显微图像;图18(d)结果表明肿瘤具有高 代谢特征,第7天的氧代谢率较第0天增加了1倍;并且,肿瘤内部的平均血氧饱和度水平高于肿瘤外 部,如图18(e)所示。 此外,脑功能成像对于神经科学研究和包括阿尔兹海默症、抑郁症、癫痫等脑疾病的研究至 关重要62叫,是多参量光声显微功能成像的另一个热门应用方向。传统成像技术中,正电子发射 层析成像(PET)能够量化脑氧代谢率绝对值,但空间分辨率较差;激光散斑成像只能在介观水 平上定性测量脑氧代谢阿;功能超声成像能够对啮齿动物全脑血流进行高分辨率成像,但无法获 取血氧饱和度的功能信息。PAM能够解决以上弊端,在同一时空尺度下测量脑血红蛋白质量张建辉 等：光声显微成像技术的研究进展 嘴唇和舌头部位血管成像，进一步证明了该显微成像系统临床应用的可能性。 4. 2 多参量功能成像 光声信号的产生是基于样本中光吸收物质对光能 量的吸收，生物组织中不同物质成分存在不同的光吸收 谱，即不同的物质成分对不同波长的光吸收强度有所区 别[23] ，图 17 所示为生物组织中常见内源性分子的光吸收 谱[53] 。根据物质的吸收谱，采用多波长激发光的多光谱 PAM 技术可以解析出特定目标成分的相对含量[54] ，以此 来获取生物组织结构信息以外的多参量生理功能信息， 如 通 过 解 析 含 氧 血 红 蛋 白（HbO2 ）和 脱 氧 血 红 蛋 白 （HbR）在血液中的相对含量可以计算血氧饱和度（sO2 ）。 Zhang 等[55‐56] 首 次 提 出 了 光 声 功 能 显 微 成 像 （fPAM）的概念，基于 AR‐PAM 系统，采用 578、584、590 和 596 nm 4 个波长对小鼠背部皮下血管进行血氧饱和 度功能成像，在微血管水平上实现了高氧、常氧和缺氧 状态下血氧饱和度变化的测量，此后，众多 PAM 测量血 氧饱和度的研究被报道[57‐60] 。由于多数疾病的发生都会对血液流动产生不良影响，破坏细胞正常的氧 代谢活动，结合血流速度测量则可进一步获取组织的氧代谢率（MRO2 ）功能参数。Yao 等[61] 在此基础上 提出基于电机双向扫描的光声多普勒频带展宽血液流速测量方法，实现了小鼠胶质瘤血氧饱和度和氧 代谢率的监测，如图 18 所示，图 18（a）为耳部血氧饱和度测量结果；图 18（b）为血流速度测量结果，红色 箭头所示为正向；图 18（c）为小鼠耳部胶质瘤生长第 7 天的光声显微图像；图 18（d）结果表明肿瘤具有高 代谢特征，第 7 天的氧代谢率较第 0 天增加了 1 倍；并且，肿瘤内部的平均血氧饱和度水平高于肿瘤外 部，如图 18（e）所示。 此 外 ，脑 功 能 成 像 对 于 神 经 科 学 研 究 和 包 括 阿 尔 兹 海 默 症 、抑 郁 症 、癫 痫 等 脑 疾 病 的 研 究 至 关 重 要[62‐64] ，是 多 参 量 光 声 显 微 功 能 成 像 的 另 一 个 热 门 应 用 方 向 。 传 统 成 像 技 术 中 ，正 电 子 发 射 层析成像（PET）能够量化脑氧代谢率绝对值，但空间分辨率较差[65] ；激光散斑成像只能在介观水 平上定性测量脑氧代谢[66] ；功能超声成像能够对啮齿动物全脑血流进行高分辨率成像，但无法获 取血氧饱和度的功能信息[67] 。PAM 能够解决以上弊端 ，在同一时空尺度下测量脑血红蛋白质量 图 16 肿瘤血管生成的 PAM 监测[52] Fig.16 In vivo PAM monitoring of mouse LS174T tumor angiogenesis[52] 图 17 生物组织中主要内源性对比剂的吸收谱[53] Fig.17 Absorption spectra of major endogenous contrast agents in biological tissue[53] 781