新知丨电话，光话，光声成像
2016/3/24 中科院之声
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( Alexander Graham Bell， 1847-1922)验证了他发明的电话。据说贝尔对着电话筒同另一端的搭档说第一句话是，“沃森先生，来这里，我想见你( Mr. Watson, come here, I want to see you.)”
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。即使是尝试和今天想近的原理的人们也不止贝尔一个。围绕这一争议的讨论非常多。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( Photoacoustic effect )。下面这张图片是华盛顿圣路易斯大学工学院的研究者获得的一幅小鼠耳部黑色素瘤周围的毛细血管图像，其分比率在微米级别。左边图片中的彩色对比度显示了血管在组织中的深度。右图中为肿瘤图像，下图是两条血管中的血液的氧饱和度(SO2)。你会觉得这漂亮的图片会和电话又什么关联吗？
小鼠耳部和黑色素瘤血管成像
(http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-48/issue-03/features/deep-down-and-label-free-bioimaging-with-photoacoustics.html。Photo courtesy of Dr. Lihong V. Wang )
广泛使用的电话机的原理今天已经为大众熟知：电话机的接收器——话筒，接收由于人声产生的机械振动信号，并将其转化为电流信号。电信号被传送至另一端，再次被转化接听人能听到的机械振动信号。发明家们很早就意识到，要想实现声音的远距离传输，必须依靠某种能量载体——比如这里的电流。
除了用电，贝尔还曾经考虑利用其它的能量，比如随处可见的，光。这种装置被称作 photophone ，直译过来，和电话( telephone )类似，就是“光话”。是不是听起来有点儿疯狂？
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。
贝尔针对这一技术反复进行了实验，印证了被反复、快速阻断的光线照射在深颜色的物质上，能够产生声音的现象——光声效应( photoacoustic effect)。Photoacoustic 这个词，由 Photo (光)和 Acoustic (声)组成，简单又贴切。贝尔教授就这一效应，撰写了学术论文，于1880年和1881年发表在《美国科学杂志( American Journal of Sciences)》，和《哲学杂志( Philosophical Magazine Series )》上。
不过这种通讯技术最终还是没有能够被采纳，因为它的弊端显而易见：不仅传播声音的效果差，而且受太多环境制约的影响。他们所能成功的最长传播距离仅仅800多米，因为在当时光传播的条件太过苛刻：不能被遮挡。别说雨雪冰雹，就是阴着天刮个小风，也会然这个装置失效。
于是，这个技术在当时唯一贡献，就是让贝尔教授多发表了两篇论文。这两篇论文随即成为“睡美人”论文。也有一些其他的学者对此感兴趣，比如伦琴和英国物理学家约翰?坦德尔。但由于实验条件的限制，他们的实验精度很差，最终也不得不放弃了相关的工作。在此后的半个世纪里，这个有趣的技术逐渐被人们遗忘，大概没有多少人关注过他们的研究。
直到上个世纪60年代之后，激光技术使人们能够精确地得到干净、可靠、可控(时间、空间)且能量足够高的光源，带动了一大批研究领域的飞速发展。光声技术又“复活”了。
亚历山大?奥利弗斯基( Alexander Oraevsky )博士是最早进行生物医学光声成像技术的科学家之一。上世纪80年代，亚历山大在莫斯科苏联科学院从事利用激光去除生物组织的研究工作。在实验过程中，他发现被激光脉冲照射的软组织周围出现了超声波，于是继续研究这一有趣的现象。从此，利用接收到的超声波对生物体组织成像的方法出现了。
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( interactions )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。
当然，任何一种工程技术手段都有它的局限性。即便如此，光声技术依然在今天的先进成像技术里占有重要的位置。也许不久的将来，这种发端于电话的发明的有趣技术，会广泛地出现在临床应用里。
来源：邵鹏科学网博客
作者邵鹏，系哈佛大学医学领域研究人员
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