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radiofrequencyoptical 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(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 wavemicrowave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。

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  • 銀色大道
  • <p>王醫師你好:</p>
    <p>請問您覺得hydroquine變色後還會有效嗎? arbutin也有變色的問題?也會一樣有效或失效?</p>
    <p>                                                                          祝blog人氣旺旺!</p>
    [版主回覆09/02/2008 13:05:06]銀色大道您好:<br>hydroquinone(對苯二酚)在空氣中進行氧化,外觀變成褐色,會影響它的有效濃度。<br>arbutin與hydroquinone結構相似,只是將其中一個-OH基置換為糖基,所以它的別名又叫做arbutoside hydroquinone β-D-glucopyranoside,它們皆有類似的問題。<br>謝謝您的來訪!<br>