邵鵬的博文電話，光話，光聲成像.

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)明之一問世140周年。

這是因為1876年3月10日，亞歷山大?格雷海姆?貝爾（AlexanderGraham Bell， 1847-1922）驗證了他發(fā)明的電話。據(jù)說貝爾對著電話筒同另一端的搭檔說第一句話是，“沃森先生，來這里，我想見你（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。而事實上，電話的發(fā)明是從久遠的古代起許多發(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。圍繞這一爭議的討論非常多。本文的目的不是厘清這一爭議。而是講述另一個有趣的故事，介紹一個電話發(fā)明過程中的“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，其分比率在微米級別。左邊圖片中的彩色對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）。你會覺得這漂亮的圖片會和電話又什么關(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 ）

廣泛使用的電話機的原理今天已經(jīng)為大眾熟知：電話機的接收器——話筒，接收由于人聲產(chǎn)生的機械振動信號，并將其轉(zhuǎn)化為電流信號。電信號被傳送至另一端，再次被轉(zhuǎn)化接聽人能聽到的機械振動信號。發(fā)明家們很早就意識到，要想實現(xiàn)聲音的遠距離傳輸，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，比如隨處可見的，光。這種裝置被稱作photophone，直譯過來，和電話（telephone）類似，就是“光話”。是不是聽起來有點兒瘋狂？

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，用來將陽光反射至右邊的接聽者。在鏡子與太陽之間，還有光學(xué)裝置——一組透鏡，用來將原本朝著各個方向傳播、并且發(fā)散的的太陽光校準(zhǔn)成近似不發(fā)散的平行光束，便于使用。鏡子的背面，連接著一個闊口的話筒。畫面右邊的接聽者，手持一個聽筒，對準(zhǔn)迎面射來的太陽光。聽筒的內(nèi)部被涂成對光線吸收能力較強的深顏色。

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

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

貝爾針對這一技術(shù)反復(fù)進行了實驗，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這個詞，由Photo（光）和Acoustic（聲）組成，簡單又貼切。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《美國科學(xué)雜志（AmericanJournal of Sciences）》，和《哲學(xué)雜志（Philosophical Magazine Series）》上。

不過這種通訊技術(shù)最終還是沒有能夠被采納，因為它的弊端顯而易見：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傳播距離僅僅800多米，因為在當(dāng)時光傳播的條件太過苛刻：不能被遮擋。別說雨雪冰雹，就是陰著天刮個小風(fēng)，也會然這個裝置失效。

于是，這個技術(shù)在當(dāng)時唯一貢獻，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)者對此感興趣，比如倫琴和英國物理學(xué)家約翰?坦德爾。但由于實驗條件的限制，他們的實驗精度很差，最終也不得不放棄了相關(guān)的工作。在此后的半個世紀(jì)里，這個有趣的技術(shù)逐漸被人們遺忘，大概沒有多少人關(guān)注過他們的研究。

直到上個世紀(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（時間、空間）且能量足夠高的光源，帶動了一大批研究領(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。在實驗過程中，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，通常會用時長為納秒級別的激光脈沖照射到生物體。在光線所達之處，生物組織由于瞬時受熱，吸收的光能導(dǎo)致生物體局部溫度瞬時上升，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（interactions）的波動之后，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。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數(shù)量級，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，可以達到更深的穿透深度。這種技術(shù)還有一個重要的優(yōu)勢，就是能夠利用對光的匯聚實現(xiàn)不同穿透深度及分辨率的多尺度成像，實現(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，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（光動力學(xué)、熱療），血流，血氧飽和度檢測等等。

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)依然在今天的先進成像技術(shù)里占有重要的位置。也許不久的將來，這種發(fā)端于電話的發(fā)明的有趣技術(shù)，會廣泛地出現(xiàn)在臨床應(yīng)用里。