光声成像:把光吸收“听”出来
一瞬间的激光照射后,吸收光的组织短暂升温、热弹性膨胀并发出超声。探头接收这些声音,再定位声源,形成吸收体的图像。
p₀ = Γ μₐ Φ · t = d / c
p₀ 是短脉冲且满足热/应力约束时的初始声压;光声从血管到探头是单程传播,飞行时间是 d/c,不是脉冲回波的 2d/c。
实验 1 · 一束短光脉冲怎样变成声音?
激光只在按下按钮后闪一下。吸收体不是被持续照明;短暂的能量沉积先于向外传播的声波。
初始声压 p₀(短脉冲近似)
单程飞行时间
脉冲通常越短,越容易在热量扩散、组织膨胀之前完成能量沉积,也能保留较高声学频率。但在相同光通量下,一旦已充分满足热约束和应力约束,继续缩短脉宽不会无限增大 p₀;还要考虑探头带宽与激光安全限值。本动画把纳秒过程放慢,供肉眼观察。
激光 · 吸收体 · 水听器
实验 2 · 用血红蛋白为器官里的血管成像
器官组织被短光脉冲照射。血管内的血红蛋白吸收光,比周围组织产生更明显的光声波;上方的超声探头阵列接收声波,逐次重建血管图。
血红蛋白吸收(相对)
接收信号(相对)
血管处光通量(相对)
已发射光脉冲0 / 12
教学重点:图中的亮血管来自血红蛋白的光吸收,而声波由血管本身产生,并非超声照射后反射回来。多波长信号还受组织内局部光通量影响,不能仅凭幅值直接读出血氧。右下方是简化的逐步重建示意,不是严格的声学反投影。