新知丨电话,光话,光声成像

作者: 邵鹏

来源: 中科院之声

发布日期: 2016-03-24 10:10:37

本文讲述了电话发明的历史背景,并详细介绍了光声效应这一电话发明过程中的“副产品”技术。文章还探讨了光声成像技术的原理、优势及其在生物医学领域的应用前景。

2016年是电话这一人类历史上最重要的发明之一问世140周年。这是因为1876年3月10日,亚历山大·格雷海姆·贝尔验证了他发明的电话。今天,人们普遍把贝尔作为电话的发明人。而事实上,电话的发明是从久远的古代起许多发明家、工程师共同努力的结果。本文的目的不是厘清这一争议,而是讲述另一个有趣的故事,介绍一个电话发明过程中的“副产品”技术——光声效应。

贝尔发明的“光话”装置原理图上面这张图是出现在贝尔学术论文里的“光话”装置。这种装置利用的是太阳光。上图左边的人是声音的发送者。他的面前是一面镜子,用来将阳光反射至右边的接听者。在镜子与太阳之间,还有光学装置——一组透镜,用来将原本朝着各个方向传播、并且发散的的太阳光校准成近似不发散的平行光束,便于使用。镜子的背面,连接着一个阔口的话筒。画面右边的接听者,手持一个听筒,对准迎面射来的太阳光。

听筒的内部被涂成对光线吸收能力较强的深颜色。

这个装置看起来很简单,有些让人摸不着头脑。但奇妙地是,当左边的人讲话的时候,在另一端的接听这居然可以听到他(她)的声音。就这样,光束,居然能“带着”声音从讲话者那里,跑到听筒的一端。这个装置的工作原理是什么?贝尔当时推断,实际上声音并不是被阳光“带”到了接听者的一方,而是在他那里被“复原”了出来。他的推断是正确的。

利用今天的知识我们知道,这种而声音的复原,是基于听筒对于光的吸收作用。左边的人对着话筒说话,他的声音使得空气发生振动,进而引起镜面发生振动。这种振动导致在接听方,光线被快速的“打断”,或者接通,形成光的“脉冲”。而瞬时的光吸收导致听筒里材料的分子发生瞬时膨胀,产生了与光“脉冲”频率相关联的机械波,进而传到到接听者的耳朵里。

今天的光声成像技术里,通常会用时长为纳秒级别的激光脉冲照射到生物体。在光线所达之处,生物组织由于瞬时受热,吸收的光能导致生物体局部温度瞬时上升,并导致其发生瞬间膨胀,产生频率在超声波范围的机械波。与所有的成像技术一样,人们接受到这种与生物体发生了互动的波动之后,利用各种技术反推回去,可以“猜想”生物体内部的结构或者功能信息,实现内部信息的“可视化”,从而看到这些信息。

作为一种“混搭”的技术,光声成像与光学技术和声学技术相比结合了两者的优势。它可以获得比声学方法更高的分辨率,又能为人们提供成像对象光学性质的空间分布。更为重要的是,由于要接收的信息载体——超声在软组织中的散射比光子低了几个数量级,这种成像方法与传统的光学方法相比,在获得较高的空间分辨率的同时,可以达到更深的穿透深度。

这种技术还有一个重要的优势,就是能够利用对光的汇聚实现不同穿透深度及分辨率的多尺度成像,实现不同分辨率上的可视化。

到今天,光声技术已经是一个很大的研究领域。研究者遍布北美、欧洲和亚洲。如今该领域里每年文献发表数量已经是上世纪80年代的十倍以上。除了继续在基础研究中发挥作用,许多研究人员的努力方向已经朝着临床应用的方向在努力。潜在的应用方向包括(不局限于):癌症的检测,脑部成像,淋巴及神经系统成像,组织切片成像,治疗效果监测(光动力学、热疗),血流,血氧饱和度检测等等。

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