皮肤病的多光谱光声成像研究

先进的激光设计通过加快扫描时间、提高分辨率和提供更多数据，为皮肤病的无创诊断带来了新的面貌。

光学皮肤镜检查是当今实现早期检测的医学标准，允许有经验的皮肤科医生可靠地发现患者皮肤潜在疾病的表面变化。但该方法对早期诊断皮肤深层的突变结构无效。直到最近，这种诊断还需要对活检进行组织学评估，这可能给患者带来疼痛和疤痕，而组织学的评估结果通常也要等上好几天才能获得。

图1：有黑色素瘤的皮肤组织（暗区）和周围的极细血管结构。多光谱光声成像技术是一种非侵入性技术，具有极大的穿透深度和高分辨率

超声波可以产生皮肤表面以下各种结构密度的图像，但分辨率不足以显示皮肤上层的微血管。在像黑色素瘤等肿瘤微环境中，这些血管的数量和密度是诊断患者疾病进展的衡量指标，细小、细分支血管中的氧饱和度对诊断和治疗前景很重要。

一个更引人注目的替代方案是多光谱光声成像。与超声波相比，它提供了更高的空间和时间分辨率。此外，多光谱光声成像的穿透深度达几毫米，优于其他光学技术。多光谱光声成像采用穿透组织的短激光脉冲，吸收光辐射并热塑性膨胀以产生超声波形式的响应。与传统超声仪器产生的信号不同，光声成像会使生物结构自身产生超声波，而传统的超声设备产生的信号会与生物结构产生“回声”，并由探测器采集。

这使得光声方法不仅可以识别血液微血管，还可以获得功能和代谢信息。发射的超声信号的强度取决于激光波长，而激光波长又决定了被检查组织中目标发色团的光学吸收能力。在皮肤层中发现的典型发色团，包括黑色素、氧化和脱氧血红蛋白、胶原蛋白、脂质和水。

组织鉴定

为了清楚地区分生物成分，多光谱光声成像依赖于它们在不同波长下表现出最大吸收的事实。例如，脱氧血红蛋白在555nm处表现出最大吸收，而氧化血红蛋白表现出局部吸收最小。在579nm处这种关系被颠倒，而在606nm处两种血红蛋白的吸收都很低，黑色素占主导地位。

图2：典型皮肤和血液成分的吸收线。脱氧血红蛋白（Hb）的最大吸收波长为555nm，氧合血红蛋白（HbO2）的最大值为579nm，黑色素的最大值在606nm

当前应用这种多光谱方法的光声成像系统，例如位于德国慕尼黑的iThera Medical的RSOM系统，通过使用上述激光波长连续扫描组织来收集吸收的光谱数据。通过使用光栅扫描光声成像系统（RSOM），该系统以介于宏观和微观成像之间的分辨率实现细节。与固定的单点光学系统相比，RSOM技术在组织表面上顺序扫描激光束，以提供更大的检查区域。

直到最近，光声成像被业界认为是一种很有前途的临床前实验室技术，适用于愿意从单个组件组装系统的用户。随着商业RSOM系统的出现，现成的解决方案可以进一步适用于临床研究的复杂软件。

快速扫描避免运动伪影

早期的多光谱光声成像系统依赖于调谐范围限制在约30nm的染料激光器，并且只能非常缓慢地在波长之间切换。在切换到另一个波长开始第二次扫描之前，这种系统可能需要几分钟来完成一个波长的扫描。但该技术不适用于活体检查，因为运动伪影会导致测量不一致，患者很难忍受如此长的测量时间。

图3：光栅扫描光声成像系统采用了一种光声成像技术，在组织上扫描多光谱激光系统，使检查区域最大化

今天的RSOM系统通过使用二极管泵浦固态（DPSS）激光器来克服过去的扫描困难，该激光器在5ns以下产生短脉冲，以提供高达20µJ的高能量。这些激光器能够在关键的四个波长（532nm、555nm、579nm和606nm）发出快速交错的激光脉冲，以高帧速率几乎同时在每个像素处实现多光谱吸收测量。结果，系统大大减少或消除了运动伪影。

拉曼位移增加了更多波长

这些RSOM系统依赖于1064nm的Q开关DPSS泵浦激光器，其输出通过二次谐波发生器转换为532nm。

532nm激光束被引导到由L形腔中的钨酸钆钾（KGW）晶体组成的拉曼位移单元上，以精确地产生拉曼位移。
拉曼位移单元输出处的激光束包含所有四个波长，包括532nm基波，加上第一、第二和第三斯托克斯波长，分别为555nm、579nm和606nm。然而，为了清楚地分配超声响应，每个波长必须与组织快速连续地相互作用。这需要一个解决方案，以分离并按顺序将波长输送到系统的输出。

声光可调谐滤波器非常好地解决了这一问题。该滤波器由光学晶体组成，换能器将声波耦合到光学晶体中，声波反过来将通过晶体的各个光波长偏转一个确定角度。该滤波器的换能器是通过射频电信号控制的，其频率决定了偏转光分量的波长。

由于基础物理学的原因，移位单元输出的各种拉曼波长显示出不同的脉冲能量。在这里，声光可调谐滤波器提供了一个补救措施：除了要偏转的波长外，还可以为每个波长选择了一个衰减幅度，以便所有四个波长都以相同的能量出现在输出端，这是正确测量的要求。

通过在DPSS激光器内部巧妙地安排光路，只有光的轻微偏转部分到达激光器的输出端，在那里它被耦合到光纤中，引导它到要扫描的组织进行检查。

大多数用于连续、多光谱光声成像的系统，使用了基于光参量振荡器的可调谐激光器来连续输出各种波长，这使得波长切换频率仅在100Hz至200Hz的区域内。AMS Technologies的激光开发人员实现了高达2kHz的开关频率，比基于光参量振荡器的系统快了约10倍，而且成本效益更高。

图4：DPSS激光器包括一个基本的泵浦激光器（1064nm）频率加倍为532nm的光束，然后泵浦一个L型腔中的钆钨酸钾（KGW）晶体，分别产生555nm、579nm和606nm的第一、第二和第三斯托克斯输出。然后，一个声光可调谐滤波器（AOTF）每次将一个波长的信号传递给输出

为了获得良好的、高分辨率的光声图像，所发射的激光脉冲的能量应该很高。但能量不能超过规定限度，以避免组织损伤和病人受伤。尽可能短的脉冲持续时间对所产生的超声图像的质量和分辨率也至关重要。事实证明，Q开关DPSS激光器的设计能够满足必要的要求，其光脉冲能量在10µJ至22µJ之间，脉冲持续时间短于5ns。

高分辨率的短脉冲

光声成像的检测带宽和分辨率受限于入射激光脉冲的有限时间。基于光声效应的理想测量的边界条件是由所谓的应力约束定义的，在这种情况下，刺激的激光脉冲比体素的声学松弛的典型时间常数短得多。然而，如果脉冲持续时间在这个时间常数的范围内，有限的脉冲持续时间代表一个低通滤波器。脉冲越长，低通滤波器的截止频率就越低。

例如对于需要检查的组织，一个7ns激光脉冲会产生一个截止频率为63MHz的低通滤波器，结果是这个范围及以上的脉冲会被这种低通行为扩大，这又会降低图像的分辨率。DPSS激光器发射的脉冲低于5ns，产生的超声波脉冲的截止频率超过100MHz。因此，该激光器确保了一个宽的检测带宽和高的空间分辨率，轴向为10μm，横向为40μm，深达2mm至3mm。

为了探测这个宽广的超声波频段，一个RSOM系统可以使用一个球形聚焦的压电宽带超声波传感器，能够在50MHz左右的中心频率下探测超宽带宽超过100%的声学信号。在后处理过程中，信号被分割成多个彩色编码的频段，让检测人员可以清楚地看到不同大小的独立结构。再加上激光的短脉冲时间，产生了很高的内在光学组织对比度。

结论和展望

目前，多光谱光声成像技术已经进入临床试验阶段。与其他方法相比，它表现出许多优势。这种非侵入性技术具有很大的穿透深度和高分辨率。发射波长精确匹配的极短脉冲的激光源有助于大大改善图像数据，可以提供更多关于检查组织的信息。

该技术的进一步应用包括各种临床前的研究项目。例如，伦敦国王学院的科学家将532nm的DPSS激光器设计用于一个小型化、超薄的高速内窥镜，打算将光声成像用于临床诊断和手术指导。

基于多模光纤，这种内窥镜可以集成在20号医疗针头的套管内，包括通过使用带有平面凹陷微谐振器的单模光纤实现的超声检测器。通过使用一个数字微镜装置来塑造波前，可以在多模光纤的远端对聚焦的光点进行快速光栅扫描，以便进行组织询问。由此产生的超薄光声内窥镜探头通过实时提供组织的功能、分子和微观结构信息，显示出指导微创手术的前景。

作者：Keith Oakes（AMS Technologies董事，负责激光器开发）

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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