「聆聽」光的聲音之血氧飽和度的檢測

索引

1.血氧飽和度檢測的重要性

2.血氧飽和度的傳統檢測

3.光聲成像檢測血氧飽和度

3.1光聲成像的原理

3.2用光聲成像檢測血氧飽和度

4. 小結

本期話題：

如何在進行光聲成像的同時測量血管內血氧飽和度

壹 血氧飽和度檢測的重要性

構成生物體的成萬上億個細胞都需要氧氣進行代謝，承擔氧氣運送任務的就是紅細胞。紅細胞就像穿梭在血管里的「外賣小哥」，在氧氣濃度高的地方吸收氧氣，釋放二氧化碳氣體；在氧氣濃度低的地方釋放氧氣，吸收細胞代謝產生的二氧化碳。

圖1 敬業的「外賣小哥」

紅細胞之所以能實現這種功能歸功於血紅蛋白的存在。我們把載有氧氣的血紅蛋白稱為氧合血紅蛋白（HbO2），把沒有攜帶氧氣的叫作脫氧血紅蛋白。

圖2 血紅蛋白載氧示意圖[1]

血液中，氧氣濃度一般用血氧飽和度來衡量，其定義為氧合血紅蛋白的濃度比上血紅蛋白總濃度：

血氧飽和度越高，說明組織血氧供應充足，組織代謝正常。人體正常組織的血氧飽和度在94% - 100%之間。

圖3 人類紅血細胞形態簡圖。a.從頂面上觀察；b.從側面觀察，多個紅血細胞堆積在一起，形成錢串狀；c.在水中吸水脹大；d.在鹽溶液中失水萎縮。(from wikipedia)

通常，我們分析組織的血氧飽和度可以用於研究心血管疾病[2]，判斷組織的炎症情況，和進行腫瘤的早期診斷，以及神經活動和大腦損傷評估[3]等。

貳 血氧飽和度的傳統檢測

目前，血氧飽和度的檢測主要有電化學分析和光學測量兩種方法。電化學法血氧飽和度測量要先進行人體血液採集，再利用血氣分析儀進行電化學分析，可以精確測量出血氧飽和度(SaO2)。由於這種方法需要進行血樣採集，會給病人造成痛苦，且不能連續監測。

圖4 血管中的血紅蛋白

光學法是一種連續無損傷血氧測量方法，可用於急救病房、手術室、恢復室和睡眠研究中。目前採用最多的是脈搏血氧測定法(Pulse Oximetry)，其原理是檢測血液對光吸收量的變化，測量氧合血紅蛋白(Hb02)佔全部血紅蛋白的百分比，從而直接求得SaO2。

圖5 光學方法檢測血氧濃度

圖6 目前市場現有設備

該方法的優點是可以做到對人體連續無損傷測量，且儀器使用簡單方便。但由於組織對光有強烈的散射，且表層黑色素對光有顯著的吸收，因此光學法測量的血氧飽和度存在一定的誤差。

圖7 兇殘的癌細胞

以上兩種測量方法都是對一定部位的整體進行血氧飽和度測量，但如果有一種方法既可以對組織的血管進行成像，又能對血管內血液的血氧飽和度進行測量，這對腦功能的研究，腫瘤診斷和炎症分析有著重要的意義。

叄 光聲成像檢測血氧飽和度

光聲成像是一種利用光聲效應進行成像的技術。光聲效應最開始由貝爾發現，經過反覆研究，在此基礎上貝爾還發明了光聲電話。光聲效應，簡單來說，就是物質受熱膨脹產生聲波的現象[4]。

圖8 貝爾當時發明的光聲電話機

當光的強度受到一定波形調製，照射到物質上後。物質會因為吸收光能，並轉換為熱量，引起熱膨脹。這樣，貝爾就巧妙地把信息載入到光的強度調製上，最後以聲波的形式「反演」出來。

3.1光聲成像的原理

不同於貝爾時期使用強度調製的白光源，當前光聲成像普遍使用脈衝激光來激發超聲波。由於生物組織內不同生色素的吸收光譜差異明顯，改變激發光的波長，可以對感興趣成分進行成像。由於激光的脈衝時間極短，相應的，組織也在極短時間內發生熱膨脹，產生超聲波。常用激發光的脈衝寬度在納秒級，可以激發出幾百兆帶寬的超聲信號。

光聲效應引起的初始超聲波的強度滿足以上方程。c為組織中聲速，Cp為組織比熱容，b為組織的絕熱體積膨脹係數，ma為生色素的吸光係數，F為光照強度。考慮其他條件不變，光聲信號的強度與生色素的吸光係數成正比[5]。

圖9 光聲成像原理圖

以上可見，光聲成像和超聲成像有類似的地方，都是通過接收超聲波進行成像，不同的是，光聲成像採用激光激發超聲波，是一個單向接收超聲波的過程。不同超聲成像利用組織阻抗差異進行成像，光聲成像的對比度表現在組織吸光係數的顯著差異上。

圖10 生物組織不同成分的吸收光譜

在生物組織光學窗口（600-900nm），血紅蛋白和黑色素是主要的生色素。考慮到黑色素含量遠小於血紅蛋白含量，生物組織產生的光聲信號主要由血紅蛋白產生，所以光聲成像非常適合用於血管成像，本文主要介紹，如何在進行光聲成像的同時測量血管內血氧飽和度。

3.2用光聲成像檢測血氧飽和度

當用一定波長的光照射血管時，其產生的光聲信號強度主要是氧合血紅蛋白（HbO）和脫氧血紅蛋白（Hb）的光聲信號的疊加。細緻的分析Hb與HbO的吸收光譜發現，兩種物質的光譜線有著明顯的差異[6]。

圖11 HbO和Hb的光譜曲線

如果我們使用相同強度，不同波長的激光照射血管，產生的光聲信號強度也將跟著變化。式1結合Lambert–Beer定律可以推導出，兩種波長光照射下測量得到的血氧飽和度公式[7]。

其中 eHbli為血紅蛋白的摩爾消光係數，mli 為血紅蛋白的吸光係數，DeHbli為氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白的摩爾消光係數的差值。為了提高光聲成像檢測血氧飽和度的精度，往往使用兩個波長以上的激光照射組織，並做擬合計算。

圖12 卡通版血紅蛋白

圖13是利用561nm和570nm的激發光計算重構出來的血氧飽和度光聲圖像。從圖13可以清晰看見小鼠耳朵上的血管分布，以及血管中血氧的含量。可以顯著分辨出流入和流出血管[8]。

圖13 活鼠耳朵血氧飽和度光聲圖像

如果組織中存在血氧含量很低的血管，就要考慮該部位是否存在炎症或者腫瘤。因為炎症和腫瘤，都會提高局部代謝水平，消耗掉過多的氧氣，導致血氧濃度的降低。

圖14是一隻大腦移植過膠質母細胞瘤的裸鼠。對裸鼠大腦內血氧濃度進行光聲成像，可以清晰看到大腦右上部分血氧濃度偏低，這主要是因為腫瘤消耗大部分氧氣所致。

圖14 U57膠質母細胞瘤異種移植[9]

另一方面，神經活動也會消耗掉大量氧氣，對大腦血氧飽和度的測量，可以得到神經活動的信息，對研究大腦活動有著重要意義。

肆 小結

通過改變激發光的波長，使用光聲成像可以在看清血管的同時，測量出血管的血氧飽和度，這對研究微區組織代謝有著重要意義。但是，通過光聲測量血紅蛋白濃度仍然面臨以下幾個挑戰：

縮短光聲血氧測量的時間，做到實時血氧濃度檢測；

1

結合血流流速多普勒成像，實現多模成像；

2

進一步提高血氧濃度光聲測量精度。

3

注意，以上三個問題中，尤其是第一個問題的解決尤為重要。

參考文獻：

[1] https://pmgbiology.com/tag/haemoglobin/

[2] Hoke T R, Donohue P K, Bawa P K, et al. Oxygen saturation as a screening test for critical congenital heart disease: a preliminary study[J]. Pediatric cardiology, 2002, 23(4): 403-409.

[3] Toet M C, Flinterman A, Van De Laar I, et al. Cerebral oxygen saturation and electrical brain activity before, during, and up to 36 hours after arterial switch procedure in neonates without pre-existing brain damage: its relationship to neurodevelopmental outcome[J]. Experimental brain research, 2005, 165(3): 343-350.

[4]Bell A G. On the production and reproduction of sound by light[C]//Proc. Am. Assoc. Adv. Sci. 1881, 29: 115-136.

[5] Hoelen C G A, De Mul F F M. A new theoretical approach to photoacoustic signal generation[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1999, 106(2): 695-706.

[6]Alles E J, Papaevangelou E, Bamber J C. In vivo photoacoustic oxygen saturation imaging without the need for fluence estimation[C]//Ultrasonics Symposium (IUS), 2014 IEEE International. IEEE, 2014: 1284-1287.

[7]Yin G, Xing D, Yang S. Dynamic monitoring of blood oxygen saturation in vivo using double-ring photoacoustic sensor[J]. Journal of Applied Physics, 2009, 106(1): 013109.

[8]Hu S, Maslov K, Wang L V. Second-generation optical-resolution photoacoustic microscopy with improved sensitivity and speed[J]. Optics letters, 2011, 36(7): 1134-1136.

[9]Yang X, Maurudis A, Gamelin J K, et al. Photoacoustic tomography of small animal brain with a curved array transducer[J]. Journal of biomedical optics, 2009, 14(5): 054007.

作者：魯強兵

責編：Jane Chou

圖：魯強兵 MengZ Jane Chou

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