导语

声速是生物组织的重要物理参数，与组织的密度、弹性、微观结构密切相关。肿瘤、纤维化、脂肪肝等病变都会引起局部声速变化。然而，如何在光声成像系统中实现定量声速成像，一直是个难题。近日，南方医科大学戚力教授和南方医院刘习强主任医师团队在《Journal of Innovative Optical Health Sciences》上发表了一项创新研究：利用线阵式光声成像系统与一个可移动的被动靶标，成功实现了高精度的声速分布断层重建。该方法不依赖全角度测量，具有良好的应用转化前景。

图1：线阵光声系统与被动靶标扫描示意图。

Danni Wang, Jingqi Yao, Chaobin Hu, Yi Zhou, Qing Wang, Xiqiang Liu, and Li Qi.Quantitative speed-of-sound imaging by using a linear array-based photoacoustic system and a passive target.Journal of Innovative Optical Health SciencesOnline ReadyOpen Access

https://doi.org/10.1142/S1793545826400043

研究背景

传统超声成像通常假设声速均匀（如1540 m/s），这会导致折射伪影、分辨率下降和结构失真。虽然已有超声计算机断层扫描（USCT）等方法可用于声速成像，但系统复杂、计算成本高。

光声成像（PAT）结合了光学对比度与超声成像深度，具有独特的分子功能成像能力。然而，现有光声成像方法无法对组织声学特性进行刻画，尤其是在基于线性探测器阵列的光声成像系统上，对组织声速的成像能力较为欠缺。

为此，研究团队提出了一种基于线阵光声和被动靶标的扫描式声速成像方法，实现对声速分布的定量断层重建。

方法原理

研究团队所提方法的成像原理在于：

• 在成像目标下方放置一根黑色细线（直径0.2 mm）作为被动靶标，其具有较强的光声吸收，并可在平移台驱动下水平移动。

• 激光脉冲同时激发靶标与上方的组织，靶标产生的光声信号穿过组织后被线阵探头接收。

• 组织内部声速不均会导致靶标信号的飞行时间（TOF）发生变化。

• 通过提取靶标信号的TOF，建立TOF变分与声速分布的线性模型，并利用迭代优化方法求解声速图。

图2：扫描装置实物图

图3：声速重建算法概念图

实验验证

1. 模拟仿真实验

在K-Wave工具包中构建含不同大小（4-8 mm）圆形高声速区域（1650 m/s）的模型，靶标扫描位置数从3个到61个。结果显示：

• 靶标扫描位置越多，重建图像越清晰、伪影越少。

• 61个扫描位置时，8 mm靶区的声速误差仅1.4%。

• 两个相邻4 mm靶区仍能清晰分辨。

图6：单目标仿真：不同扫描密度下的声速重建结果

图7：双目标仿真：相邻高声速区域的重建能力验证

2. 仿体实验

制备琼脂-甘油仿体，中心嵌入不同直径（4、6、8 mm）的高声速圆柱区（~1750 m/s）。实验结果表明：

• 重建的声速图准确反映仿体结构。

• 8 mm和6 mm区域的声速重建值接近理论值，4 mm区域因部分容积效应略有偏低。

• 半高全宽（FWHM）误差最小可达0.13%（8 mm区域，31个扫描位置）。

图8：仿体实验：不同大小圆柱目标的声速重建与剖面分析

3. 离体组织实验

以猪肚组织为样本（预期声速1530-1550 m/s），嵌入琼脂仿体中进行成像。结果显示：

• 声速图清晰区分组织与水介质，边界分明。

• 重建的组织区域平均声速为1543.6 m/s，与预期一致。

• 声速图与超声图像结构特征良好对应。

图9：离体组织实验：猪肚组织的声速图（SOS）与超声图像（US）及声速直方图

主要创新点

• 基于线阵光声的声速成像方法：突破传统方法对环形阵列的依赖，适配更常用的线阵探头。

• 被动靶标扫描策略：用一个简单的吸光细线作为“声速探针”，无需复杂的外部超声发射装置。

• 高精度定量SOS重建：梯度下降求解线性逆问题，声速误差可控制在2-3%以内。

• 与光声/超声成像兼容：可在同一系统中同步实现超声结构成像、光声分子成像与声速定量成像。

应用前景

该技术有望在以下领域发挥重要作用：

• 肿瘤鉴别：恶性肿瘤与良性病变的声速可能存在差异，提供新的影像生物标志物。

• 肝脏纤维化与脂肪肝评估：声速变化可反映组织硬度和脂肪含量。

• 光声图像校正：利用重建的声速分布校正传统光声图像中的声学畸变。

研究团队指出，未来可进一步利用肿瘤周围血管作为“天然内源性靶标”，无需外置靶标，实现真正的无创在体声速成像。

结语

这项研究为定量声速成像提供了一条全新的技术路径。它巧妙地将简单的物理靶标与光声系统结合，在线阵探头的有限角度测量结构下，实现了高精度的声速分布重建，有望成为光声/超声一体化成像系统的重要拓展功能成像模块。

通讯作者简介

戚力，南方医科大学生物医学工程学院教授。主要研究方向包括：光声断层成像、光学相干断层成像、生物医学光学图像分析等。

更多详情见https://portal.smu.edu.cn/swyxgcxy/info/1020/1188.htm

刘习强，南方医科大学南方医院增城院区副院长、主任医师、教授，主要从事口腔颌面肿瘤的临床诊疗与交叉学科研究。

更多详情见https://yjsxt.smu.edu.cn/Open/TeacherInfo.aspx?id=N6atSWn168iNDxt4Ouyahg==

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