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邵鵬的博文：電話(telephone)，光話(photophone)，光聲成像(photoacoustic)

2016年是電話這一人類歷史上最重要的發(fā)明之一問(wèn)世140周年。

這是因?yàn)?876年3月10日，亞歷山大?格雷海姆?貝爾（AlexanderGraham Bell， 1847-1922）驗(yàn)證了他發(fā)明的電話。據(jù)說(shuō)貝爾對(duì)著電話筒同另一端的搭檔說(shuō)第一句話是，“沃森先生，來(lái)這里，我想見(jiàn)你（Mr. Watson, come here, I want to see you）”

今天，人們普遍把貝爾作為電話的發(fā)明人。而事實(shí)上，電話的發(fā)明是從久遠(yuǎn)的古代起許多發(fā)明家、工程師共同努力的結(jié)果。即使是嘗試和今天想近的原理的人們也不止貝爾一個(gè)。圍繞這一爭(zhēng)議的討論非常多。本文的目的不是厘清這一爭(zhēng)議。而是講述另一個(gè)有趣的故事，介紹一個(gè)電話發(fā)明過(guò)程中的“副產(chǎn)品”技術(shù)——光聲效應(yīng)（Photoacousticeffect）。下面這張圖片是華盛頓圣路易斯大學(xué)工學(xué)院的研究者獲得的一幅小鼠耳部黑色素瘤周圍的毛細(xì)血管圖像，其分比率在微米級(jí)別。左邊圖片中的彩色對(duì)比度顯示了血管在組織中的深度。右圖中為腫瘤圖像，下圖是兩條血管中的血液的氧飽和度（SO2）。你會(huì)覺(jué)得這漂亮的圖片會(huì)和電話又什么關(guān)聯(lián)嗎？

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 ）

廣泛使用的電話機(jī)的原理今天已經(jīng)為大眾熟知：電話機(jī)的接收器——話筒，接收由于人聲產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。電信號(hào)被傳送至另一端，再次被轉(zhuǎn)化接聽(tīng)人能聽(tīng)到的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)。發(fā)明家們很早就意識(shí)到，要想實(shí)現(xiàn)聲音的遠(yuǎn)距離傳輸，必須依靠某種能量載體——比如這里的電流。

除了用電，貝爾還曾經(jīng)考慮利用其它的能量，比如隨處可見(jiàn)的，光。這種裝置被稱作photophone，直譯過(guò)來(lái)，和電話（telephone）類似，就是“光話”。是不是聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)兒瘋狂？

貝爾發(fā)明的“光話”裝置原理圖

上面這張圖是出現(xiàn)在貝爾學(xué)術(shù)論文里的“光話”裝置。這種裝置利用的是太陽(yáng)光。上圖左邊的人是聲音的發(fā)送者。他的面前是一面鏡子，用來(lái)將陽(yáng)光反射至右邊的接聽(tīng)者。在鏡子與太陽(yáng)之間，還有光學(xué)裝置——一組透鏡，用來(lái)將原本朝著各個(gè)方向傳播、并且發(fā)散的的太陽(yáng)光校準(zhǔn)成近似不發(fā)散的平行光束，便于使用。鏡子的背面，連接著一個(gè)闊口的話筒。畫(huà)面右邊的接聽(tīng)者，手持一個(gè)聽(tīng)筒，對(duì)準(zhǔn)迎面射來(lái)的太陽(yáng)光。聽(tīng)筒的內(nèi)部被涂成對(duì)光線吸收能力較強(qiáng)的深顏色。

這個(gè)裝置看起來(lái)很簡(jiǎn)單，有些讓人摸不著頭腦。但奇妙地是，當(dāng)左邊的人講話的時(shí)候，在另一端的接聽(tīng)這居然可以聽(tīng)到他（她）的聲音。就這樣，光束，居然能“帶著”聲音從講話者那里，跑到聽(tīng)筒的一端。

這個(gè)裝置的工作原理是什么？貝爾當(dāng)時(shí)推斷，實(shí)際上聲音并不是被陽(yáng)光“帶”到了接聽(tīng)者的一方，而是在他那里被“復(fù)原”了出來(lái)。他的推斷是正確的。利用今天的知識(shí)我們知道，這種而聲音的復(fù)原，是基于聽(tīng)筒對(duì)于光的吸收作用。左邊的人對(duì)著話筒說(shuō)話，他的聲音使得空氣發(fā)生振動(dòng)，進(jìn)而引起鏡面發(fā)生振動(dòng)。這種振動(dòng)導(dǎo)致在接聽(tīng)方，光線被快速的“打斷”，或者接通，形成光的“脈沖”。而瞬時(shí)的光吸收導(dǎo)致聽(tīng)筒里材料的分子發(fā)生瞬時(shí)膨脹，產(chǎn)生了與光“脈沖”頻率相關(guān)聯(lián)的機(jī)械波，進(jìn)而傳到到接聽(tīng)者的耳朵里。

貝爾針對(duì)這一技術(shù)反復(fù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，印證了被反復(fù)、快速阻斷的光線照射在深顏色的物質(zhì)上，能夠產(chǎn)生聲音的現(xiàn)象——光聲效應(yīng)（photoacousticeffect）。Photoacoustic這個(gè)詞，由Photo（光）和Acoustic（聲）組成，簡(jiǎn)單又貼切。貝爾教授就這一效應(yīng)，撰寫了學(xué)術(shù)論文，于1880年和1881年發(fā)表在《美國(guó)科學(xué)雜志（AmericanJournal of Sciences）》，和《哲學(xué)雜志（Philosophical Magazine Series）》上。

不過(guò)這種通訊技術(shù)最終還是沒(méi)有能夠被采納，因?yàn)樗谋锥孙@而易見(jiàn)：不僅傳播聲音的效果差，而且受太多環(huán)境制約的影響。他們所能成功的最長(zhǎng)傳播距離僅僅800多米，因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)光傳播的條件太過(guò)苛刻：不能被遮擋。別說(shuō)雨雪冰雹，就是陰著天刮個(gè)小風(fēng)，也會(huì)然這個(gè)裝置失效。

于是，這個(gè)技術(shù)在當(dāng)時(shí)唯一貢獻(xiàn)，就是讓貝爾教授多發(fā)表了兩篇論文。這兩篇論文隨即成為“睡美人”論文。也有一些其他的學(xué)者對(duì)此感興趣，比如倫琴和英國(guó)物理學(xué)家約翰?坦德?tīng)枴５捎趯?shí)驗(yàn)條件的限制，他們的實(shí)驗(yàn)精度很差，最終也不得不放棄了相關(guān)的工作。在此后的半個(gè)世紀(jì)里，這個(gè)有趣的技術(shù)逐漸被人們遺忘，大概沒(méi)有多少人關(guān)注過(guò)他們的研究。

直到上個(gè)世紀(jì)60年代之后，激光技術(shù)使人們能夠精確地得到干凈、可靠、可控（時(shí)間、空間）且能量足夠高的光源，帶動(dòng)了一大批研究領(lǐng)域的飛速發(fā)展。光聲技術(shù)又“復(fù)活”了。

亞歷山大?奧利弗斯基（Alexander Oraevsky）博士是最早進(jìn)行生物醫(yī)學(xué)光聲成像技術(shù)的科學(xué)家之一。上世紀(jì)80年代，亞歷山大在莫斯科蘇聯(lián)科學(xué)院從事利用激光去除生物組織的研究工作。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，他發(fā)現(xiàn)被激光脈沖照射的軟組織周圍出現(xiàn)了超聲波，于是繼續(xù)研究這一有趣的現(xiàn)象。從此，利用接收到的超聲波對(duì)生物體組織成像的方法出現(xiàn)了。

今天的光聲成像技術(shù)里，通常會(huì)用時(shí)長(zhǎng)為納秒級(jí)別的激光脈沖照射到生物體。在光線所達(dá)之處，生物組織由于瞬時(shí)受熱，吸收的光能導(dǎo)致生物體局部溫度瞬時(shí)上升，并導(dǎo)致其發(fā)生瞬間膨脹，產(chǎn)生頻率在超聲波范圍的機(jī)械波。與所有的成像技術(shù)一樣，人們接受到這種與生物體發(fā)生了互動(dòng)（interactions）的波動(dòng)之后，利用各種技術(shù)反推回去，可以“猜想”生物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)或者功能信息，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部信息的“可視化”，從而看到這些信息。

作為一種“混搭”的技術(shù)，光聲成像與光學(xué)技術(shù)和聲學(xué)技術(shù)相比結(jié)合了兩者的優(yōu)勢(shì)。它可以獲得比聲學(xué)方法更高的分辨率，又能為人們提供成像對(duì)象光學(xué)性質(zhì)的空間分布。更為重要的是，由于要接收的信息載體——超聲在軟組織中的散射比光子低了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這種成像方法與傳統(tǒng)的光學(xué)方法相比，在獲得較高的空間分辨率的同時(shí)，可以達(dá)到更深的穿透深度。這種技術(shù)還有一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)，就是能夠利用對(duì)光的匯聚實(shí)現(xiàn)不同穿透深度及分辨率的多尺度成像，實(shí)現(xiàn)不同分辨率上的可視化。

到今天，光聲技術(shù)已經(jīng)是一個(gè)很大的研究領(lǐng)域。研究者遍布北美、歐洲和亞洲。如今該領(lǐng)域里每年文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量已經(jīng)是上世紀(jì)80年代的十倍以上。除了繼續(xù)在基礎(chǔ)研究中發(fā)揮作用，許多研究人員的努力方向已經(jīng)朝著臨床應(yīng)用的方向在努力。潛在的應(yīng)用方向包括（不局限于）：癌癥的檢測(cè)，腦部成像，淋巴及神經(jīng)系統(tǒng)成像，組織切片成像，治療效果監(jiān)測(cè)（光動(dòng)力學(xué)、熱療），血流，血氧飽和度檢測(cè)等等。

當(dāng)然，任何一種工程技術(shù)手段都有它的局限性。即便如此，光聲技術(shù)依然在今天的先進(jìn)成像技術(shù)里占有重要的位置。也許不久的將來(lái)，這種發(fā)端于電話的發(fā)明的有趣技術(shù)，會(huì)廣泛地出現(xiàn)在臨床應(yīng)用里。