“聆听”光的声音之血氧饱和度的检测

构成生物体的成万上亿个细胞都需要氧气进行代谢，承担氧气运送任务的就是红细胞。红细胞就像穿梭在血管里的“外卖小哥”，在氧气浓度高的地方吸收氧气，释放二氧化碳气体；在氧气浓度低的地方释放氧气，吸收细胞代谢产生的二氧化碳。

图1  敬业的“外卖小哥”

红细胞之所以能实现这种功能归功于血红蛋白的存在。我们把载有氧气的血红蛋白称为氧合血红蛋白（HbO2），把没有携带氧气的叫作脱氧血红蛋白。

图2 血红蛋白载氧示意图[1]

血液中，氧气浓度一般用血氧饱和度来衡量，其定义为氧合血红蛋白的浓度比上血红蛋白总浓度：

血氧饱和度越高，说明组织血氧供应充足，组织代谢正常。人体正常组织的血氧饱和度在94% - 100%之间。

图3 人类红血细胞形态简图。a.从顶面上观察；b.从侧面观察，多个红血细胞堆积在一起，形成钱串状；c.在水中吸水胀大；d.在盐溶液中失水萎缩。(from wikipedia)

通常，我们分析组织的血氧饱和度可以用于研究心血管疾病[2]，判断组织的炎症情况，和进行肿瘤的早期诊断，以及神经活动和大脑损伤评估[3]等。

目前，血氧饱和度的检测主要有电化学分析和光学测量两种方法。电化学法血氧饱和度测量要先进行人体血液采集，再利用血气分析仪进行电化学分析，可以精确测量出血氧饱和度(SaO2)。由于这种方法需要进行血样采集，会给病人造成痛苦，且不能连续监测。

图4 血管中的血红蛋白

光学法是一种连续无损伤血氧测量方法，可用于急救病房、手术室、恢复室和睡眠研究中。目前采用最多的是脉搏血氧测定法(Pulse Oximetry)，其原理是检测血液对光吸收量的变化，测量氧合血红蛋白(Hb02)占全部血红蛋白的百分比，从而直接求得SaO2。

图5 光学方法检测血氧浓度

图6 目前市场现有设备

该方法的优点是可以做到对人体连续无损伤测量，且仪器使用简单方便。但由于组织对光有强烈的散射，且表层黑色素对光有显著的吸收，因此光学法测量的血氧饱和度存在一定的误差。

图7  凶残的癌细胞

以上两种测量方法都是对一定部位的整体进行血氧饱和度测量，但如果有一种方法既可以对组织的血管进行成像，又能对血管内血液的血氧饱和度进行测量，这对脑功能的研究，肿瘤诊断和炎症分析有着重要的意义。

光声成像是一种利用光声效应进行成像的技术。光声效应最开始由贝尔发现，经过反复研究，在此基础上贝尔还发明了光声电话。光声效应，简单来说，就是物质受热膨胀产生声波的现象[4]。

图8 贝尔当时发明的光声电话机

当光的强度受到一定波形调制，照射到物质上后。物质会因为吸收光能，并转换为热量，引起热膨胀。这样，贝尔就巧妙地把信息加载到光的强度调制上，最后以声波的形式“反演”出来。

3.1光声成像的原理

不同于贝尔时期使用强度调制的白光源，当前光声成像普遍使用脉冲激光来激发超声波。由于生物组织内不同生色素的吸收光谱差异明显，改变激发光的波长，可以对感兴趣成分进行成像。由于激光的脉冲时间极短，相应的，组织也在极短时间内发生热膨胀，产生超声波。常用激发光的脉冲宽度在纳秒级，可以激发出几百兆带宽的超声信号。

光声效应引起的初始超声波的强度满足以上方程。c为组织中声速，Cp为组织比热容，b为组织的绝热体积膨胀系数，ma为生色素的吸光系数，F为光照强度。考虑其他条件不变，光声信号的强度与生色素的吸光系数成正比[5]。

图9 光声成像原理图

以上可见，光声成像和超声成像有类似的地方，都是通过接收超声波进行成像，不同的是，光声成像采用激光激发超声波，是一个单向接收超声波的过程。不同超声成像利用组织阻抗差异进行成像，光声成像的对比度表现在组织吸光系数的显著差异上。

图10 生物组织不同成分的吸收光谱

在生物组织光学窗口（600-900nm），血红蛋白和黑色素是主要的生色素。考虑到黑色素含量远小于血红蛋白含量，生物组织产生的光声信号主要由血红蛋白产生，所以光声成像非常适合用于血管成像，本文主要介绍，如何在进行光声成像的同时测量血管内血氧饱和度。

3.2用光声成像检测血氧饱和度

当用一定波长的光照射血管时，其产生的光声信号强度主要是氧合血红蛋白（HbO）和脱氧血红蛋白（Hb）的光声信号的叠加。细致的分析Hb与HbO的吸收光谱发现，两种物质的光谱线有着明显的差异[6]。

图11 HbO和Hb的光谱曲线

如果我们使用相同强度，不同波长的激光照射血管，产生的光声信号强度也将跟着变化。式1结合Lambert–Beer定律可以推导出，两种波长光照射下测量得到的血氧饱和度公式[7]。

其中 eHbli为血红蛋白的摩尔消光系数，mli 为血红蛋白的吸光系数，DeHbli为氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白的摩尔消光系数的差值。为了提高光声成像检测血氧饱和度的精度，往往使用两个波长以上的激光照射组织，并做拟合计算。

图12  卡通版血红蛋白

图13是利用561nm和570nm的激发光计算重构出来的血氧饱和度光声图像。从图13可以清晰看见小鼠耳朵上的血管分布，以及血管中血氧的含量。可以显著分辨出流入和流出血管[8]。

图13 活鼠耳朵血氧饱和度光声图像

如果组织中存在血氧含量很低的血管，就要考虑该部位是否存在炎症或者肿瘤。因为炎症和肿瘤，都会提高局部代谢水平，消耗掉过多的氧气，导致血氧浓度的降低。

图14是一只大脑移植过胶质母细胞瘤的裸鼠。对裸鼠大脑内血氧浓度进行光声成像，可以清晰看到大脑右上部分血氧浓度偏低，这主要是因为肿瘤消耗大部分氧气所致。

图14  U57胶质母细胞瘤异种移植[9]

另一方面，神经活动也会消耗掉大量氧气，对大脑血氧饱和度的测量，可以得到神经活动的信息，对研究大脑活动有着重要意义。

通过改变激发光的波长，使用光声成像可以在看清血管的同时，测量出血管的血氧饱和度，这对研究微区组织代谢有着重要意义。但是，通过光声测量血红蛋白浓度仍然面临以下几个挑战：

   参考文献：

[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.