提供详细图像
如果光能穿过物体，而非反射回来，则人们就可通过“光线电话”进行交谈了。1880年，亚历山大·G·贝尔（Alexander G.Bell）曾当众表演借助光束通话的装置。贝尔的发明源自他的一项发现：将某些物质暴露在聚焦的闪烁光束下，这些物质就会发出声来――现在称之为光声效应。
这可谓是世界上首次的无线声频传送，当时贝尔把这种光线电话视为他最重要的发明。可惜在光学纤维研发出来之前此项技术无法付诸应用，因此贝尔转而集中于他的更有成效的想法――电话的研究。但是一个多世纪后的今日，光声效应东山再起，并正在重塑生物医学成像领域。
最新研发的一种结合光学与超声成像、被称为光声断层扫描成像的新技术，理论上可以提供堪与磁共振成像（MRI）或X线计算机断层成像（CT）相媲美的深度扫描，而价格和便利程度与手持扫描仪不相上下。由于该项技术可对几厘米深处的部位发挥作用，其倡导者希望它有助于指导活组织探针检查，协助胃肠内镜检测身体，并测定血管和淋巴结中的含氧量和确定癌症患者是否患有恶性肿瘤，甚至还可以用光声成像监测脑部活动和细胞中的基因表达。
将激光脉冲照射在被扫描的组织上就可进行光声成像。组织稍被加热――仅升高千分之几度尽管绝对安全，但足以引起细胞相应的胀缩，便会发出波长为超声范围内的声波。当分布在皮肤上的一系列传感器接收到这些声波后，计算机则启动三角测距程序，将该超声信号转变为二维或三维图像。
较之共焦显微镜或光学相干断层摄影等光学成像技术，该技术“窥视”组织的深度可达7厘米，前两者仅能透入皮下1毫米左右。然而特定波长的光被接收取决于组织的类型，对于血液来说，含氧量的多少，或是富氧或是脱氧，类似于一组天然对照剂。如果被用来探查静脉等器官的详细特性，它就优于单独的超声检查。
华盛顿大学圣路易斯分校的光声学研究人员王立红称，虽然MRI和CT也能提供这些细节特性，但它们通常需要在血流中注入对照剂，而CT扫描还涉及有害的电离辐射。MRI和CT的扫描费用很昂贵，所用仪器也往往价值百万元，此外，还需要有献身精神的工作人员去维护这些仪器。相比之下，光声断层摄影术只需类似于超声扫描用的手持器具即可操作，门诊医师可以很便利地进行诊断和检测。密歇根州的Eadra医学成像公司的迈克尔·桑顿（Michael Thornton）称：“相比其他一些技术而言，光声学可以在更低成本上提供更多的机会”。
应用诊断癌症
获得图像
1980年代末，苏联科学院的亚历山大·奥拉叶夫斯基（Alexander Oraevsky）是该技术的倡导者之一。他曾指出,激光是分解组织的一种手段，在试验过程中，他发现标本产生了超声，于是便开始探索把这一效应应用于成像的可能性。此后，该技术取得了可喜进展，尤其在毫微秒（10-9秒）脉冲激光器开发之后，能够给被成像的标本发送如此短暂脉冲的能量，有助于改进最终影像的分辨率。
光声学最有可能应用于诊断癌症。王立红指出，血细胞是光的天然吸收剂，因此光声学特别适合提供有关血管生成的高对比度影像并检测增进的代谢活动（代谢亢进），两者均为是否患有癌症的标志。目前的临床研究正在探索把该技术用于监测乳腺癌的发生并鉴定其扩散程度。
即便应用乳房X线摄影和超声检查（乳腺癌筛分的黄金标准），如果缺乏创新诊断或依旧沿用高成本的活组织检查，医师还是不能辨明肿瘤是否良性或恶性。目前就职于休斯敦Fairway医学技术公司的奥拉叶夫斯基说：“经过活组织检查的患者约有八成得到的回答是否定的”。因此光声断层摄影术有望在妇女进行乳腺癌手术前诊断使用。
位于纽约菲利普斯研究院的超声显像和超声疗法的负责人迈克尔·普什莱（Michael Pashley）正在研发一种混合型超声扫描器，它既能产生光声影像，又能产生超声回波显像。他指出，理论上说，这两种影像甚至可以叠置。普什莱说，目前与王立红进行的合作主要用于监测已经确诊的乳腺癌。如果证实该技术确有成效，他希望应用到初诊阶段。
对乳腺癌的富氧与脱氧的血液具有不同的吸收特性，尽管光声断层摄影术类形天然对照剂，但这一方法仍存在局限性。目前一些公司正在探索应用光声学结合人工对照剂的方法。多伦多的VisualSonic超声影像公司研制的由附着在抗体上的金纳米微粒组成的对照剂，该抗体能与癌细胞中特定的标靶结合（超声技术已经应用于检测这种对照剂），但是其目前的分辨率只能检测出血管的结构。王立红认为，如果超声技术无法检测到汇入患者血液中的对照剂，就可用光声成像检测到这些对照剂。此外，还有可能弄清对照剂堆积的部位，从而确定肿瘤的大小。他认为，一旦研制出与基因标靶相结合的对照剂，此项技术也可用于基因表达。
存在改进余地
尽管有很大的潜力，也有很多优点，但光声成像目前仍面临一些难以解决的的困难――一旦光线深入组织，超声信号就会减弱。原因在于有些光被部分组织吸收的同时，产生色散和反向散射的缘故（这取决于光声成像探索的深度)。王立红说，将来有可能会更深入一些，但不会差很多，“如果从组织的两边同时发送光波，深达10厘米的组织就有可能展现出来”。
图为在光声断层扫描成像的基础上研制出的便携式手术探针
骨组织成为该技术的另一障碍，但或许有人认为这不成问题，因为激光通常很容易穿过骨组织，但声波则不然。相比较软组织，声波在骨组织中的传播速度有所差异（当声波由一个介质传到下一个介质时会出现“变形”）。王立红说，这是由于存在于人体内的许多“空气腔”引发的。
即使如此，VisualSonic等公司仍然热衷于探索光声学在神经成像领域的应用。王立红说，这些困难并非不可克服，他正在研究一项模仿头颅的技术，以便通过软件预测并排除其对超声波的影响，从而恢复信号的明晰度。如果他这一步能够成功，那么未来数年内将会极大地推进光声成像技术的变革。外科医师们不仅可以轻松地诊断癌症，而且还能进行脑部扫描。
资料来源 The Economist
责任编辑 绍 衡