光声成像

光声成像之前的成像方式对比
X射线成像：
优点：能对骨头和硬组织进行深度成像，有着很强的对比度和极高的分辨率
缺点：对软组织成像很差，能反映的功能信息少，对人体有伤害
超声成像（USI）
优点：安全、费用低、易于携带、分辨率高。陈横向深度深、对声阻抗匹配好的组织灵敏度高，对软组织成像对比度高
缺点：骨头和气腔会阻碍超声传播，对探测肿瘤的灵敏度低。
磁共振：（MRI）
优点：由于对水分子有很高的灵敏度，对软组织的成像有很高的对比度，对深度成像有很高的分辨率，而且对人体没有伤害
缺点：价格昂贵，探测肿瘤时还要用造影剂以增加对比度。

1.光声成像简介

在宏观尺度上，许多方法，包括磁共振成像，X射线计算机断层扫描和超声成像，对于解剖成像实现了极好的穿透。正电子发射断层扫描和单光子发射计算机断层扫描实现了深度穿透，并对放射性标记的分子探针表现出高灵敏度。在微观尺度上，光学显微镜可以在浅表深度处详细描述具有亚细胞和亚细胞分辨率的生物现象。然而，这些成像工具的不同成像对比机制和长度尺度阻碍了生物学问题的相关多尺度研究。因此，必须在生命科学中建立从微观到宏观成像的连续体。
在过去十年中，光声成像已被证明能够进行多尺度成像，并具有一致的对比机制;因此，它很好地桥接了生命科学中的微观和宏观领域。 PAT是一种混合成像模式，通过光声（PA）效应在声学上检测光学吸收对比度，这是一种将吸收的光能转换为声能的物理现象。

光声效应
光声效应指目标组织吸收通过其的光而发出声波。当采用激光照射目标物体时，目标物体会吸收激光的能力，导致其温度上升，从而使目标组织体积发生变化，即发生热胀冷缩现象。而当目标被周期性强度调制的激光照射时，会发生周期性的热胀冷缩，从而激发目标发出超声波，当停止激光照射时，目标恢复原状。

光声成像检测的是组织受光激发而产生的超声信号。在成像过程中，组织受电磁照射后产生热膨胀，在组织内部形成一个初始声场。超声换能器在组织周围接收到传播出来的声波，利用声波信号和相应的重建算法，反向重建出初始声场，从而得到组织的电磁吸收分布重建。

光声成像的目标就是从传感器接收到的声信号计算目标组织的光吸收分布。超声波换能器探测到光声波后，就可采用相应的图像重建算法计算出组织内部的光吸收分布图像。由于样品内部不同深度位置的声信号到达样品表面的超声信号存在时间差异，因此，利用时间分辨技术可以获得不同层析面的光声信号，从而获得组织的三维光声图像。（由于样品介质的散射作用，使得样品内部目标组织被均匀照射）

光声成像原理
成像过程通常以在生物组织中发射的短激光脉冲开始。随着光子传播到组织中，一些被生物分子吸收（例如，血红蛋白，DNA-RNA，脂质，水，黑色素和细胞色素）。 PAT中的各种吸收机制包括（但不限于）电子吸收，振动吸收，受激拉曼吸收和表面等离子体共振吸收。吸收的光能通常通过激发分子的非辐射弛豫部分或完全转化为热量。热感应压力波作为超声波在组织中传播。通过超声换能器或换能器阵列在组织外部检测超声波，以形成映射组织内原始光能沉积的图像。 PAT对光吸收的微小变化具有100％的相对灵敏度，这意味着光吸收系数的给定百分比变化产生PA信号幅度的相同百分比变化。

光声成像主要组成部分
典型光声成像系统的主要组成部分包括短脉冲激光器（例如，纳秒Q开关Nd：YAG激光器），用于有效的宽带PA信号发生;用于信号检测的宽带超声换能器或换能器阵列;用于信号放大和数字化的数据采集系统;以及用于系统同步，数据收集和图像形成的计算机。换能器的带宽应与来自所需深度的小型光学吸收器的PA信号的带宽相匹配，并且能够承受组织的频率依赖性声学衰减。匹配宽带检测可优化信噪比，从而优