光聲效應及其在生物醫學上的應用

光聲效應(photoacoustic/ optoacoustic effect)及其在生物醫學上的應用

台大皮膚科  王修含 醫師

         光聲效應(又稱為「光音效應」，photoacoustic effect)來自受測物吸收電磁波（如radiofrequency或optical energy）後，因受熱變形產生的聲波，收集此聲波，可得光聲信號。早在西元1880年，Alexander Graham Bell就已注意到物體在受太陽光照射後，可產生人耳可察覺之聲音頻域，因而發現光聲信號的存在。光聲效應可應用於許多與物理、化學、工業的研究，而與生物醫學有關的應用，在近年來亦逐漸受到研究者的注意。

在二十世紀時，光聲效應已廣泛運用在吸收光譜之研究，而光聲技術(optoacoustic technique)已應用於許多生醫領域，包括乳癌造影、腦部功能性與結構性造影(functional and structural imaging)、即時血氧(blood oxygen)監測、血紅素濃度(hemoglobin concentration)量測、腫瘤之血管新生(tumor angiogenesis)等，近年來亦有研究者運用此技術於監測冷凍治療(cryotherapy)時的組織溫度變化，同樣的原理亦可施用於熱治療(thermal therapy)的溫度監控。

上圖：光聲效應之實驗設備-結合銣雅各雷射Nd:YAG laser與高頻超音波探頭

         (操作者: 魏振瑋 & 王修含，攝於台大奈米中心李百祺教授之實驗室)

光聲影像是目前與光聲效應相關，最受矚目的研究方向之一。光聲影像（photoacoustic imaging）是基於光聲效應的造影方式，它是利用受測物吸收電磁能量(例如雷射光、微波)之後，產生聲波，然後偵測此聲波，利用超音波的成像原理，組合出受測物內部構造之影像。光聲影像之信號具有光學之高對比與聲學之低散射性質，可運用於生醫影像之研究。

           與光聲影像相關的斷層掃描技術(tomography)，稱為photoacoustic tomography (PAT)，並根據使用的能量不同，分為optoacoustic tomography (OAT)，著重於以「光」、「雷射」產生的光聲信號，與thermoacoustic tomography (TAT)，係以radiofrequency wave或microwave所產生的光聲信號。

光聲影像結合光學或射頻之電磁能量與聲學之性質，可適用於具有非均質性光學或射頻吸收(inhomogeneous optical or rf absorption)，但聲學性質較均勻的生物組織造影；超音波則主要運用在聲學異質性高(acoustic heterogeneity)的組織造影，因此，光聲影像比超音波較能容忍組織的音波速度差異(sound speed variation)。此外，光聲影像不會有「斑點效應」(speckle effect)，但傳統的超音波則會有斑點雜訊(speckle artifacts)。

光聲影像具有電磁能量(光學)與聲學之優點，但同時也有來自這兩方面的限制。例如硬質構造會造成強烈的超音波傳遞偏差，故不適用於堅硬組織，無法穿透頭蓋骨，所以不易進行大腦斷層造影；此外，光聲影像也需與組織接觸，以利聲學匹配(acoustic coupling)；光學特性也造成較強的散射(scattering)，使得光聲信號的動態範圍(dynamic range)相當寬廣，所以不易對深層的微小腫瘤造影。