光聲遙感彈性成像檢測支氣管纖維化生物力學特性

中圖分類號：0436 文獻標志碼：A DOI：10.3969/j.issn.1007-7146.2025.03.006

Abstract：Obstructivebronchitis isafibrotic diseaseofthelungs thatoccurs inresponse to inhalationofnoxious gases， immune dysfunctionandlungorbone marrowtransplantation.Fibrosisisapathologicalhallmarkofobstructivebronchiis，nd alterations initsmechanicalpropertiesplayakeyroleinunderstandingthepathologicalprogressionofobstructivebronchitis. Duetothelackofstudiesrelatedtothemechanical propertiesofobstructivebronchitis，litleisknownabout thepathological mechanismsinthisarea.Therefore，inthispaper，toadresstheaboveproblem，photoacousticremotesensingelastographywas usedtoimagethebiomechanicalpropertiesofbronchialfibrosis.Theresultsshowedthattherisetimesofphotoacousticsignals correspondingtonormalbronchialtubesaswellasbronchialtubesintheearlymiddle，ndlatestagesoffibrosis were113ns， 107ns，96nsand7Onsespectielyndasortrisetieresultedinalargeelasticmodulus;theelasticmodusootic bronchialubes waslarger thanthatofnormalbronchialtubes，andtheelastic modulus inthethreestagesoffibrosisincreased sequentiall fromtheearlystage tothelate stage.Inthis paper，thechangesofbronchial mechanical properties during the processofobstructive bronchitis were investigatedandtherelativevaluesofelastic modulus were extractedtoproposea new reference for the graded diagnosis and prevention of obstructive bronchitis.

Key words： biological optics; photoacoustic imaging; elastic imaging; photoacoustic remote sensing; bronchial fibrosis

（ActaLaser BiologySinica，2025，34（3）：239-245）

閉塞性支氣管炎（bronchiolitisobliterans，BO）是一種以小氣道狹窄和阻塞為特征的纖維化肺部疾病[1]，最常見于肺移植或骨髓移植的患者，但也有患者因職業原因暴露于活性揮發性化學物質而發病。BO的病理過程較為復雜，包括小氣道炎癥、狹窄、閉塞等多種變化，纖維化是BO較為嚴重的一種病理表現。此外，BO的臨床表現和病理改變存在個體差異，疾病的進展速度和嚴重程度各不相同。因此，對BO的分級診斷尤為重要，可能有助于阻止或延緩纖維化的發生。

肺組織生物力學特性的變化是肺纖維化進程中重要的特點，對于治療肺纖維化和臨床診斷具有關鍵作用[2]。在過去的幾十年中，超聲彈性成像[3]和磁共振彈性成像[4已被開發用于診斷乳腺癌、肝纖維化和胰腺炎，通過測量剪切波的傳播速度或變形來估計組織的機械特性[5-7]。這些模式已用于臨床應用和相關疾病的診斷。然而，由于其空間分辨率有限，無法在微觀視角研究肺纖維化的機械力學特性的變化。原子力顯微鏡通過測量細胞在外力作用下的靜態變形來測量彈性[8]，然而機械加載可能會對樣品造成一定的損傷，且速度和適用場景受限。光聲（photoacoustic，PA）技術是一種混合成像模式，通過納秒短脈沖激光激發熱彈性膨脹產生超聲波，兼具高分辨率和成像深度[910]。之前的光聲彈性成像（photoacoustic elastography，PAE）技術是利用熱彈性變形來研究組織的機械特性，但這種模式無法提供定量的彈性信息[1]。所以，之后我們提出了一種新的PAE技術，通過探索PA響應的時間和相位特征來獲取定量的黏彈性信息。雖然這些技術是研究組織彈性信息的新型方法，但它們對傳統接觸式壓電傳感器的依賴限制了其應用[12-13]。此外，壓電傳感器有限的帶寬會扭曲初始PA信號，這給后續圖像重建帶來了一些挑戰[14]。因此，我們提出了全光學非接觸式相域光聲彈性成像（all-opticalnoncontact phase-domain photoacoustic elastography，NPD-PAE）[15]，這是一種利用表面PA位移的時間響應特性，使用光學干涉檢測方法計算體彈性模量的新方法。然而，這種方法對于光的散射和不相關的表面振動極其敏感，需要苛刻的試驗環境[16]。光聲遙感（photoacoustic remote sensing，PARS）[i7-21|成像是一種新興的非接觸、非干涉、全光學PA模式，具有高檢測靈敏度和高分辨率，在生物醫學影像領域和材料、氣體成分探測等領域具有廣闊的應用前景。當脈沖激光照射到生物組織上某一區域時，這一區域就會因吸收激光能量而產生微小溫升及瞬間熱膨脹，從而產生超聲波，即光聲信號。光聲遙感彈性成像（photoacoustic remote sensing elastography，PARSE）[22]是一種基于聲壓監測的彈性成像模式，通過獲得激光誘導的光聲壓力時間響應特性，使用全光學非接觸和非相干強度監測方法獲得激光誘導的光聲壓力時間響應特性，進而提取樣本彈性對比度信息，其既具有光學檢測的靈敏性又避免了相干檢測方式對苛刻環境的要求。

在本文中，我們利用PARSE分析纖維化程度。首先，我們搭建了PARSE系統，其成像分辨率為3.02μm ，并通過具有不同彈性模量的生物樣本驗證了系統可視化組織彈性的能力；然后，利用BO動物模型進行了天狼星紅染色切片試驗，并對生物切片進行PARSE試驗，證明該技術在BO纖維化分級中的應用潛力。

1 材料與方法

1.1 生物材料及試劑

彈性驗證試驗中的器官切片和BO大鼠造模都來源于SD大鼠（SpragueDawleyrats）。器官切片由武漢賽維爾生物科技有限公司加工，SD大鼠由廣

東省醫學實驗動物中心提供。用于BO大鼠造模的二乙酰（diacetyl，DA）由上海麥克林生化科技股份有限公司提供。

1.2成像原理及系統

圖1a顯示了PARSE的檢測機制：短脈沖激光誘導光聲壓力波，改變介質的折射率，引起探測光反射光強的變化，即反射光強隨時間的函數可用于描述光聲信號波形[16]

在線性、各向同性和黏彈性介質中，光吸收熱彈性膨脹引起的位移場 u（t） 遵循納維方程：

其中 P₀ 為初始光聲壓力， ρ 為吸收體密度， Γ 是格魯尼森參數， f（t） 是方波輪廓的脈沖時間函數， R 是高斯光束的束腰半徑， x 是徑向位置。 μ_a 是光吸收系數， μ_att 是光衰減系數， t 和 z 分別是時間坐標和軸向坐標。

對于吸收體上的點激發光源，激光焦點（ z=0 x=0 ）處的位移可以用傅里葉變換和漢克爾變換描述：

公式（2）顯示了與機械參數高度相關的位移時間響應特性。在激光激發下，壓力場使得吸收器周

圍的熱彈性位移增大。熱彈性位移最初會增大，然后在一段時間達到最大值。

熱彈性位移（稱為上升時間 t_max ）與體積模量 E 成反比。因此，彈性可計算為 E=M?ρR²/t_max² ，其中M 是由系統和平衡溫度決定的常數。通過公式（3）可以得出結論：當信號積分達到最大值時，樣品的熱彈性位移達到最大值。如圖1b所示：彈性較大的材料可以更快地對外部刺激做出反應（紅色曲線）；較軟的材料（藍色曲線）通常會表現出較長的上升時間，圖中紅、藍色虛線表示光聲信號。

PARSE試驗系統如圖2a所示。簡而言之，該系統包括兩個主要子系統：基于PARSE原理的激發系統和探測系統。激發系統包含一個脈沖激光器（DTL319QT，Laser-export），工作波長為 532nm 脈寬為 9ns 。激光束經透鏡擴束準直后垂直穿過二色鏡（DMLP1000，Thorlabs）和物鏡（PAL-5-NIR，OptoSigma）到達樣品表面。探測光使用的是1310nm 連續超級發光二極管光源（SLD），其線寬為 15nm （IPSDS1302C，INPHENIX）。使用90：10分光鏡（TW1300R2A1，Thorlabs）對光束進行分光。光的 10% 部分通過單模可變光衰減器（VOA50APC，Thorlabs），然后連接到平衡光電二極管（PDB420C-AC，Thorlabs）的參考端口。 90% 的光束通過1/4波片和偏振分束器構成的反射光路，后通過擴束準直將光斑放大至充滿物鏡的后背孔徑并將反射光返回到 75MHz 帶寬平衡光電二極管（PDB420C，

（a）PARSE原理示意圖；（b）生物組織機械響應。 （a）Schematic diagramof the PARSE principle;（b）Mechanical response of biological tissues.

Thorlabs）的另一個端口。激發光束和檢測光束通過二向色鏡組合，通過微調激發光發散角保證激發光和探測光共焦點，然后在二維電機平臺上掃描樣品。為了驗證其成像能力，對 7.00μm 的碳纖維絲進行了成像（圖2b），通過對刀片進行掃描測得系統分辨率為 3.02μm （圖2c）。

2 結果與分析

2.1器官切片驗證彈性成像的分辨能力

為了驗證PARSE對不同硬度的生物組織彈性成像的能力，我們制備了4種不同膠原纖維含量的器官（心臟、腎臟、肝臟和肺）切片來進行彈性測量，這些器官都來源于SD大鼠。為了給PARS成像提供吸收對比度，對切片進行了蘇木精和伊紅染色，這些切片仍能體現生物力學特性[23]。

圖3a和圖3b分別顯示了PARS圖像和PARSE圖像。在PARS圖像中，4張切片的信號幅度相似；而PARSE圖像則能提供不同的組織屬性細節：彈性模量從大到小依次為心臟、腎臟、肝臟和肺。試驗結果與已知的醫學發現一致[24]。圖3c顯示了提供PA初始壓力的4種器官切片各120個樣本的PARS信號強度。熱彈性位移是PA壓力在時域的積分。

公式（3）表明，彈性模量較大的樣品對外部刺激的反應速度更快。在圖3c的光聲信號強度圖中，難以分辨各個器官。圖3d顯示了4個器官組織信號各120個樣本的上升時間，可以觀察到隨著組織彈性模量的增加，上升時間顯著縮短，這與理論預測非常吻合。數據顯示，心臟、腎臟、肝臟和肺的信號的平均上升時間依次為72、91、102ns和 116ns 。PARSE可以在時域上清楚地區分4個器官之間的差異，這反映了PARSE的檢測靈敏度。

2.2BO大鼠造模以及試驗結果分析

DA是人造黃油香精的主要揮發性成分，在微波爆米花[25-27]、香精[28]和DA生產行業[29]的工人長時間吸入這種氣體從而引起BO。與這些臨床報道一致，SD大鼠急性吸入DA會導致鼻腔和上呼吸道上皮細胞發炎和壞死[30]。DA的氣管內灌注（intratrachealinstillation，ITI）會誘發嚴重的上皮損

（a）PARSE系統示意圖。PC：電腦;BPD：平衡光電探測器;R1、R2、R3：鏡面反射器;C1、C2：準直器;BS：分光鏡;PBS：偏振分束器;L1、L2、

L3、L4：聚焦透鏡;OL：物鏡;BC：合束器;QWP：四分之一波片;VOA：單模可變光衰減器；（b）使用電機掃描的碳纖維網絡圖像；（c）線擴散函數（LSF）和邊擴散函數（ESF）。（a）SchematicafEsColtedodeeto：c;：

Collimators;elOOesCo

Quarter-waveplate;VAingleodeablticaleators;agfhabetkusieaaaginspadfunction （LSF） and edge spread function （ESF）.

傷和異常修復，從而導致BO的發生。因此，我們采用在支氣管針管滴注DA的方法造模。在灌注后3、7d和14d，對BO大鼠分組進行脫頸，以進行下文所述的切片分析。

前面在對SD大鼠器官切片的彈性檢測中，對正常肺的彈性進行了檢測，測得正常肺葉支氣管的上升時間為 113ns 。圖4a分別顯示了BO大鼠3個階段的天狼星紅染色切片、PARS圖像和PARSE圖像。天狼星紅染色切片有助于觀察病理組織的纖維化結構，這些切片仍能體現生物力學特性。觀察天狼星紅染色切片可以看出，隨著天數的增長，支氣管膠原纖維細胞，即切片中紅色纖維狀細胞顯著增多，這導致支氣管增厚，內壁變窄。3個支氣管膠原纖維厚度在顯微鏡下測量分別為 （42.64±5.00）μm 、（24號 （65.27±10.00）μm 和 （103.65±10.00）μm 。切片中白色染色的細胞分別為纖毛細胞和杯狀細胞，這兩種細胞的彈性模量小于膠原纖維細胞，通過PARSE圖像可以直接觀察到。在PARSE圖像中，由于彈性提取過程中噪聲較大，所以采用三三中值濾波的方法提高圖像分辨率，這將導致背景信號略微增大，但這并不影響提取研究區域的彈性信號。圖4b顯示了BO大鼠3個階段的熱彈性位移時間分布圖，可以看出，隨著DA灌注時間增長，支氣管纖維化程度加重，彈性模量增加，從而使上升時間顯著縮短。圖4c顯示了圖4a中PARSE圖像中紅色線框內各120個采集信號的上升時間。數據顯示，BO大鼠3個階段的平均上升時間分別為107、96ns和70ns 。PARSE可以在時域上清楚地區分BO大鼠的3個階段之間的差異，這能為支氣管纖維化分級提供可靠的依據。

（a）BO大鼠3個階段的試驗結果圖。I＼～II：BO大鼠3個階段的天狼星紅染色切片， N～M ：BO大鼠3個階段的PARS圖像，VII＼～IX：BO大鼠 3個階段的PARSE圖像；（b）BO大鼠3個階段的位移時間分布圖；（c）BO大鼠3個階段的上升時間。

（a）PlotsoftheresultsoftetreephasesoftheexperimentinBOats.I＼～Il：SirusredstainedsectionsofthreestagesofBOrats， N～M PARS

imagesoftheegesofOatsVII：REimagsof testagsofOts;（b）Displacenttsbtiomapoatste stages;（c） The rise time ofBO rats in three stages.

3討論

本文利用PARSE對支氣管纖維化引起的彈性模量變化進行分析。首先，我們構建了PARSE的理論模型，并搭建了PARSE系統；然后，對正常的大鼠以及早期、中期和后期的BO大鼠的病理切片進行彈性成像。結果表明，PARSE技術可以將纖維化分級直觀地表現出來，為醫生診斷早期BO提供了可靠的依據，為BO患者的早期預防和治療提供了方案。

值得注意的是，在本項研究工作中，彈性估計的理論模型被簡化為非表面激發下的理想吸收點，所獲得的彈性信息是吸收點周圍生物組織的整體彈性信息，因此物體幾何形狀對PARSE信號時間輪廓的影響可以忽略不計。在今后的研究中，可以通過增大顯微鏡物鏡的數值孔徑來進一步減小這種影響。此外，彈性參數的精確值始終取決于測量系統的參數：激光光斑的大小、光電平衡探測器的帶寬等。為了消除這些試驗常數的影響，可以使用具有已知彈性模量的標準化彈性固體對該方法進行校準。總之，本文提供了一種從生物力學特性角度來研究支氣管纖維化的病理機制的新方法，但是由于成像深度有一定的限制，為了解決這個問題，我們下一步可以集成光路和系統，研發光聲彈性支氣管鏡用于在體試驗，這對于支氣管纖維化的臨床診斷具有重大意義。

參考文獻（References）：

[1] PALMER S M， FLAKEG P， KELLYF L， et al. Severe airway epithelialinjury，aberrantrepairand bronchiolitisobliterans developsafter diacetyl instillation inrats[J].PLoSOne，2011， 6（3）： e17644.

[2] 孫美好，金凡力，李建生，等.特發性肺纖維化的生物力學特 性[J].醫用生物力學，2023，38（1）：195-201。 SUN Meihao，JIN Fanli，LI Jiansheng，et al. Biomechanical characteristicsof idiopathicpulmonary fibrosis[J].Medical Biomechanics，2023，38（1）：195-201.

[3] QIANX，PEI J，ZHENG H， et al.Prospective assessment of breastcancer risk frommultimodal multiviewultrasound images via clinically applicable deep learning[J].Nature Biomedical Engineering，2021，5：522-532.

[4] BIELAJEWBJ，HU JC，ATHANASIOU K A， et al. Collagen： quantification biomechanics and role of minor subtypes in cartilage[J].NatureReviewsMaterials，2020，5：730-747.

[5] YANG F，CHEN ZJ， SHIY J，et al.Phase-domain photoacoustic mechanical imaging for quantitative elastography and viscography [J].Applied Physics Letters，2024，71（8）： 2330-2340.

[6] YANG F， CHEN Z，XING D. Single-cell photoacoustic microrheology[J].IEEE TransactionsonMedical Imaging，2020， 39（6）： 1791-1800.

[7] WANGQ，SHI YJ，YANG F，et al. Quantitative photoacoustic elasticity and viscosity imaging for cirrhosis detection[J]. Applied PhysicsLetters，2018，112（1）：211902.

[8] LEES，KWONO，JEONM，etal.Super-resolution visible photoactivated atomic force microscopy[J].Light， Scienceamp; Applications，2017，6（11）： e17080.

[9]JEONGWOO P， BYULLEE P， YEONG T K， et al. Quadruple ultrasound，photoacoustic，optical coherence，and fluorescence fusion imaging with a transparent ultrasound transducer[J]. Proceedingsof theNational Academy of Sciences of the United States of America，2021，118（11）： 1-12.

[10] HUANG GJ，LVJ，HEY，etal.Invivoquantitative photoacoustic evaluation ofthe liver andkidneypathologyin tyrosinemia[J]. Photoacoustics，2022，28：100410.

[1] NAOKI W.Non-restrained measurement of Young’smodulus for soft tissue using a photoacoustic technique[J].Applied Physics Letters，2014，105（10）：103707.

[12]ZHAO Y， YANG S H， CHEN C G， et al. Simultaneous optical absorption and viscoelasticity imaging based on photoacoustic lock-in measurement[J].Optics Letters，2014，39（9）：2565-2573.

[13]VANDENBERGPJ，DAOUDI K，STEENBERGENW，et al. Review of photoacoustic flow imaging：itscurrent state andits promises[J].Photoacoustics，2015，3（3）：89-99.

[14]YAO J J.When pressure meets light： detecting the photoacoustic effect at the origin[J].Light，Scienceamp;Applications，2017，6（6）： e17062.

[15]YANG F， CHEN Z J， XING D.Al-optical noncontact phasedomain photoacoustic elastography[J].Optics Letters， 2021， 46（19）： 5063-5066. forward-viewing photoacoustic probe for high-resolution 3D endoscopy[J].Light，Scienceamp;Applications，2018，7（12）：75.

[17]PARSIN H，WEI S，KRVANB，et al. Non-interferometric photoacoustic remote sensing microscopy[J].Light， Science amp; Applications，2017， 6（6）： e16278.

[18]LIANGSQ，ZHOUJS，YANGWZ，etal.Cerebrovascular imaginginvivo by non-contactphotoacoustic microscopy based on photoacoustic remote sensingwith a laser diode for interrogation[J].OpticsLetters，2022，47（1）：18-21.

[19] ZHOUJS，ZHOUJY，WANGW，etal.Miniature non-contact photoacoustic probe based on fiber-optic photoacoustic remote sensing microscopy[J].OpticsLetters，2021，46（22）： 5767-5770.

[20]CHENJJ，LI S，LONG Y，et al.Nondestructive inspection of metallic microstructure chips based on photoacoustic remote sensing microscopy[J].Applied Physics Letters， 2022，120（18）： 182201.

[21]HAVENNJM，BELLKL，KEDARISETTIP，etal.Ultraviolet photoacoustic remote sensing microscopy[J].Optics Letters， 2019，44（14）：3586-3589.

[22] YUAN Y C，WEN X，YUAN B，et al.Photoacoustic remote sensing elastography[J].OpticsLetters，2023，48（9）：2321-2324.

[23]HEO SJ，THAKUR S，CHEN XY， et al.Aberrant chromatin reorganization in cells from diseased fibrous connective tissue in response to altered chemomechanical cues[J]. Nature Biomedical Engineering，2023， 7（2）： 177-191.

[24] GUGLIELMOFF，VENKATESSK，MITCHELLDG.Liver MR elastography technique and image interpretation：pearlsand pitfalls [J].Radiographics：AReviewPublicationof theRadiological SocietyofNorthAmerica，2019，39（7）：1983-2002.

[25]KREISSK，GOMAAA，KULLMANG，et al.Clinical bronchiolitis obliterans in workers at a microwave-popcorn plant [J].The New England Journal of Medicine，20o2，347（5）： 330-338.

[26]LOCKEYJE，HILBERTTJ，LEVINLP，etal.Airway obstructionrelated todiacetyl exposure at microwave popcorn production facilities[J].The European Respiratory Journal，2009， 34（1）： 63-71.

[27] AKPINAR-ELCI M，TRAVIS WD，LYNCHD A，et al. Bronchiolitis obliterans syndrome in popcorn production plant workers[J].The European Respiratory Journal，20o4，24（2）： 298-302.

[28]KIM T J， MATERNA B L，PRUDHOMME J C，et al. Industry wide medical surveillance of california flavor manufacturing workers： crossectional results[J].American Journal of Industrial Medicine，53（9）：857-865.

[29]VANRF，ROOYACKERSJM，PROKOPM，et al.Bronchiolitis obliterans syndrome inchemical workers producing diacetyl for food flavorings[J].American Journal of Respiratory and Critical CareMedicine，2007，176：498-504.

[30]HUBBS AF，GOLDSMITH W T，KASHON ML，et al. Respiratory toxicologicpathology of inhaled diacetyl inspraguedawley rats[J].ToxicologicPathology，2008，36：330-344.