导语

在生物医学成像领域，如何在无需外源性对比剂的情况下，实现对深层组织的高对比度、非侵入性成像，一直是一个重要挑战。光声成像（PAI）因其结合了光学成像的高对比度和超声成像的深穿透能力，正迅速发展为一类极具前景的成像模态。近期，天津大学李娇教授团队在《Journal of Innovative Optical Health Sciences》上发表综述论文，系统总结了基于波长依赖性内源性分子的全光谱PAI技术，涵盖从X射线到微波的七个光谱波段，展示了其在多种生物医学场景中的广阔应用前景。

Liwen Jiang, Yuanlin Chen, Pengwei Han, Hao Zhang, Jingran Shao, Zhen Tian, Feng Gao, and Jiao Li.Biomedical applications of full-spectrum photoacoustic imaging for wavelength-dependent endogenous molecules.Journal of Innovative Optical Health Sciences, Vol. 19, No. 04

https://doi.org/10.1142/S1793545826300028

正文

一、PAI基本原理

PAI基于光声效应：脉冲激光照射组织后，内源性发色团吸收光能并转化为热，引起瞬态热弹性膨胀从而产生超声波。通过检测这些声波，可重建组织内部的光吸收分布。由于不同内源性分子（如血红蛋白、黑色素、脂质等）具有独特的光吸收谱，PAI可实现无需标记的高对比度功能成像。

二、全光谱成像：七大波段各具特色

1.X射线波段：骨骼组织与辐射剂量成像

该波段主要利用组织密度差异与辐射电离效应进行声学重建。X射线声学计算机断层成像（XACT）可实现单次曝光下的三维骨成像；电离辐射声学成像（IRAI）则能实时、精准可视化放疗的三维剂量分布。

图2：X射线波段PAI应用实例。(a) 骨样本的XACT重建图；(b)结合CT解剖结构的IRAI放疗剂量分布图（红色线标示肝脏边界）(c) 基于IRAI测量的50%与90%等剂量曲线，与治疗计划高度一致。

2.紫外波段：细胞核高分辨成像

紫外波段以核酸分子（DNA与RNA）为核心内源性目标。利用其特征性光学吸收，PAI能对细胞核开展无标记、高分辨显微成像，结合无监督深度学习，可重建出质量媲美传统H&E染色的虚拟组织学图像。

图4：紫外波段PAI对细胞核成像。(a)紫外光声遥感成像原理示意图；(b, c) 乳腺组织虚拟组织学图像。

3.可见光波段：血红蛋白与黑色素分子功能成像

可见光波段PAI主要依赖血红蛋白与黑色素的高光吸收特性。利用血红蛋白的特征谱，PAI能开展无标记、高精度的血管形态、血氧饱和度和氧代谢水平等多参数功能成像；而对黑色素的灵敏追踪，则可用于眼部组织高对比度成像和黑色素瘤病灶的精准识别。

图5：可见光波段多参数功能成像。肿瘤区域内的多参数成像结果：(a) 血红蛋白浓度；(b) 血氧饱和度；(c) 血流速度；(d) 成像深度；(e) 血管直径；(f) 血管迂曲度。

4.近红外波段：血红蛋白、脂质与黑色素成像

在近红外波段（包含近红外一、二、三区窗口），PAI主要针对血红蛋白、脂质和黑色素等内源性分子进行成像。得益于该波段极佳的组织穿透深度与高透明度，PAI已成功应用于乳腺肿瘤监测和深层血管成像，并在早期黑色素瘤细胞检测以及脂质斑块边界勾勒等临床诊断中展现出巨大的潜力。

图6：近红外波段PAI应用。(a) 双波长光声流式细胞术结合激光治疗，实现循环肿瘤细胞成像与清除；(b) 聚焦超声换能器阵列用于血管网络评估示意图；(c) 胶原蛋白样品（小鼠跟腱）的有效光声吸收光谱。

5.中红外波段：葡萄糖、脂质与蛋白质分子成像

在中红外波段，PAI精准匹配血糖、脂质和蛋白质等生物大分子的特征振动峰，成功实现了活体细胞的无标记代谢成像、颈动脉粥样硬化的组织学分析以及无创血糖浓度检测。

图7：中红外波段光声显微成像。(a) 中红外光声显微镜图像：分别在2832 cm⁻¹、1053 cm⁻¹、1550 cm⁻¹波数下进行蛋白质成像，并在2850 cm⁻¹波数下进行脂质成像；箭头表示胆固醇结晶，星号表示脂滴；(b) 1053 cm⁻¹与2832 cm⁻¹叠加图，箭头示共定位信号；(c) 组织学切片（PAS-AB染色），作为对比参考，显示糖原和糖脂（紫色）及酸性黏多糖（蓝色）。

6.太赫兹波段：血液钠离子实时监测

在太赫兹波段，PAI精准匹生物分子离子的振动转动能级，利用生物分子离子在该波段的特异性吸收进行成像。天津大学科研人员通过创新性地利用水自身作为探测器，结合水静音技术成功克服了太赫兹波在水溶液和活体环境中被水分子强吸收的限制，不仅实现了针对多种水溶液体系的动态连续检测，更结合多光谱技术首次完成了活体血液中钠离子的无创、实时监测，其结果与临床生化分析高度一致。

图8：太赫兹波段血钠浓度实时监测。(a) 时域多光谱太赫兹PAI原理图；(b) 离体人血中Na⁺浓度监测结果；(c) 8°C下测得的血钠浓度与传统单电极分析仪结果对比，显示高度一致性。

7.微波波段：深层组织电导率成像

在微波波段，PAI主要利用体内水和离子的介电特性差异进行成像。得益于微波极强的组织穿透力，它不仅实现了乳腺肿瘤的实时三维成像，还成功应用于脑组织、手指关节以及血管等的深层无标记检测。

图9：微波波段斑马鱼胚胎的介观成像。(a) 明场显微照片；(b)PAI的最大强度投影图；(c) (a)与(b)的叠加图，显示电导率分布与组织结构高度相关。

三、现存挑战与未来方向

尽管全光谱PAI（PAI）在生物医学领域展现出巨大的应用潜力，但其全面普及仍面临三大关键挑战 ：

●波段发展不均衡；各光谱波段的技术成熟度差异显著，比如X射线与太赫兹波段的PAI发展相对迟缓；

●理想光源及硬件受限：例如，X射线波段亟需适配能量与重频的紧凑型光源；中红外波段常用的量子级联激光器（QCL）由于峰值功率较低，限制了信号强度；太赫兹波段则依赖复杂的激光系统与超材料滤波器，大幅增加了系统成本与设计复杂度；

●活体定量精度有限：在复杂的体内环境中，特定靶向分子的定量分析精度仍显不足，且常需在成像深度与分辨率之间做出妥协。此外，多波长成像虽能显著提升成像效能，但同时会延长扫描时间。

未来发展方向包括：推进滞后波段研究、优化光源与探测器性能、结合深度学习等算法优化图像重建质量、发展多波长成像策略等。

结语

全光谱PAI技术正在不断拓展其成像边界，从细胞核到骨骼，从血糖到血钠，从肿瘤到神经，展现出强大的生物医学应用潜力。随着光源技术、探测器性能与智能算法的持续进步，PAI有望在基础研究和临床诊疗中发挥越来越重要的作用。

通讯作者简介

李娇，天津大学精密仪器与光电工程学院教授，研究方向为光声成像；生物医学光子学；生物医学光学成像；生物医学测量方法与系统。

更多详情见https://jyxy.tju.edu.cn/cn/szdw/20130827/645.shtml

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