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光声科普 | 光声信号原理及常见显影剂

发布日期:2023/1/28 8:53:48

背景

尽管光声现象早在19世纪80年代便已发现,但直到近几十年才作为一种分子成像(Molecular imaging)方式渐渐为大家所了解。在光声成像(Photoacoustic imaging)之前,分子成像方法层出不穷,如计算机辅助断层扫描(Computed tomography,CT)、核磁共振成像(Magnetic resonance imaging,MRI)、正电子放射断层扫描(Positron emission tomography,PET)等,一定程度上减慢了光声成像的发展。但近年来,因为上述技术的某些不足,如PET空间分辨率较差、CT仅提供解剖信息且具有辐射危险,所以兼具光学和声学成像优势的光声逐渐被重视。下文将简要介绍光声的产生机理以及常见的显影剂。
光声信号产生机理

光声现象是指物体接收脉冲光后,产生声信号的现象。正是因为信号最终以声波形式发出被设备接收,用于激发信号的光源通常为脉冲激光,以此保证声波持续、稳定地产生。

整个现象过程可分为三个步骤:光吸收、光热转换和热声转换(图1)。

图1 光声现象三步骤

  • 步骤一:光吸收。作用于目标的脉冲激光能量被目标吸收。

  • 步骤二:光热转换。被吸收的能量通过光热转换效应转换为热能,因而导致目标温度升高。

  • 步骤三:热声转换。升温的组织通过热塑性膨胀效应(Thermoelastic expansion effect)和震动弛豫(Vibration relaxation)产生声波,通过目标组织传递出去,被光声设备接收,形成信号。


在实际应用中,成像对象通常为小动物,目标组织也往往深入皮肤内部,因此脉冲激光免不了遭受反射、散射等负面作用。如果使用的是外源性显影剂,则同时受内源性发光团的干扰,降低信噪比(图2)。尽管存在上述问题,由于最终获得的是声信号,与干扰的光信号冲突较少,因此只要保证目标部位接收足够的脉冲激光能量产生声信号,即可保证获取的信息具有较高分辨率。


图2 脉冲激光衰减和背景干扰

光声常用显影剂

光声现象产生于特定的物质,因此为了应用于特定场景,需要使用显影剂(或称造影剂、对比剂)获得光声信号。显影剂种类繁多,分类方法也多种多样。下面是4种常见分类方法。


一、显影剂来源。一些动物体内的物质本身具有光声信号,称为内源性显影剂(Endogenous PA contrast agent)。常见的有血红蛋白、肌红蛋白、脂质、黑色素、编码荧光蛋白等。得益于这些内源性显影剂,科研工作者可以在保证安全、高生物兼容性的情况下获得光声信号。同时,也由于存在于体内多处,其特异性和信噪比均较差。与之相对的是各类外源性显影剂(Exogenous PA contrast agent),如金属纳米材料、过渡金属硫族化合物(Transition metal chalcogenides)、碳纳米材料、石墨烯类似物(Graphene analogues)、聚合物纳米材料、有机染料、有机纳米颗粒等。尽管这些材料有更好的特异性和更高的信噪比,却不得不面临毒性大、容易光漂白等问题。因此显影剂的开发仍有很大空间。


二、靶向性。非靶向性显影剂通常用于血管造影、体内分布监测、药物代谢评估等全身性成像目的。而靶向性显影剂通常由靶向单元(Target unit)和光声信号基团组成。常见的靶向单元有适配子(Aptamer)、抗体(Antibody)、多肽(Peptide)、小分子配体(Ligand)等。通过连接靶向单元,可使非靶向性显影剂具有靶向性,如结合抗体的金属纳米颗粒、结合环状三肽或叶酸的单壁碳纳米管(cRGD-SWNTs、folate-SWNTs)、结合抗体的有机纳米颗粒等。


三、激发波长。常见的光声显影剂激发波长在近红外一区(700 – 1000 nm)。近年来,越来越多激发波长在近红外二区(1000 – 1700 nm)的显影剂被报道。相较于前者,近红外二区的显影剂光散射作用更小,能提升成像深度,同时组织吸收更少,能提升信噪比。


四、信号状态。传统的光声显影剂为常开(Always On)状态,即不论是否在目标位置,只要有对应激光脉冲,就会产生光声信号。这意味着可能无法真实展示目标组织的变化,且通常有强烈的背景信号,因而导致信噪比的降低。面对这一问题,近年来陆续有多种新型显影剂出现,其最大的区别在于可激活(Activatable),通常由靶向基团和光声信号基团组成,一旦与靶向目标结合,就会改变光声信号的表现,达到开、关或成比例的信号表达。

在实际成像需求中,科研工作者可直接使用这些常见的显影剂,也可根据需求自行设计、优化。

参考文献

[1] Yongchao Liu, Lili Teng, Baoli Yin, Hongmin Meng, Xia Yin, Shuangyan Huan, Guosheng Song, and Xiao-Bing Zhang Chemical Reviews 2022 122 (6) , 6850-6918.


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