视与声：光声技术如何颠覆癌症检测与监测

剑桥大学卡文迪许实验室正在庆祝其150周年，并将在不久之后搬迁至新址——雷·杜比（Ray Dolby）中心。卡文迪许实验室是世界上最具传奇色彩的物理实验室之一。在这里，人们发现了电子、中子以及DNA的结构。迄今为止，已有30位卡文迪许研究人员获得了诺贝尔奖。

尽管卡文迪许实验室主攻物理学，目前，研究人员也在致力于揭开癌症的谜团。这其中包括同时在卡文迪许实验室和英国癌症研究中心（CRUK）剑桥研究所工作的莎拉·伯恩蒂克（Sarah Bohndiek）教授。

莎拉·伯恩蒂克

该团队的一个关键项目涉及光声成像技术，这是一种结合光和超声波的技术。普通的超声扫描仪向体内发出声波，测量的是回声。而光声成像系统则测量的是当分子吸收光并升温时产生的超声波。

光声图像显示了体内分子的变化情况，尤其适用于测量血氧水平。伯恩蒂克教授团队的助理研究员托马斯·埃尔斯（Thomas Else）表示：“这一点对癌症监测很有用。由于癌细胞生长迅速，其含氧水平往往低于健康组织。”

目前最常用于检测和监测癌症的设备，如核磁共振成像（MRI）和乳腺X射线检查机器，都笨重且昂贵，另外乳腺X光检查使用了电离辐射，患者需要承受挤压乳房带来的疼痛。

“光声成像不使用电离辐射，这使其更安全且适合长期监测，并且可以像超声波一样在床边生成高对比度图像，”埃尔斯说，“光声系统的成本也比MRI机器低，机器也更便携，这使其拥有更广阔的医疗应用场景，成为一种有价值的癌症监测技术。”

光声成像已经在欧洲获得CE认证，并在美国获得FDA批准用于乳腺癌检测，这可能成为替代传统乳腺X线的一个高性价比方案。

然而，与其他基于光的医疗技术一样，光声成像在应用中面临着一个挑战：它在肤色较深的人群中检测表现不佳。影响肤色的主要色素——黑色素会吸收光，这意味着能够通过皮肤被测量到的光会减少。

通常，光声成像使用的是从可见光谱的红色端到红外线的光波，波长大约在700到900纳米之间。在这个范围内，血液中的血红蛋白是主要的对比源。但在肤色较深的患者中，黑色素可能会掩盖血红蛋白的信号。

“皮肤中的黑色素会阻挡一些光线，阻碍其深入组织并到达我们想要显像的癌症或器官，”埃尔斯说，“我们希望研究基于光的成像技术在有色人种中表现不佳的物理原因，这可能有助于我们解决这一问题。”

白化小鼠和有色小鼠脾脏和肾脏的光声图像

在最近发表在《生物医学光学杂志》上的一项研究中，埃尔斯和他的同事们使用具有不同色素沉着程度的皮肤计算机模型来模拟光声图像。他们在具有不同色素沉着模式的小鼠和模拟不同肤色的凝胶模型（称为“幻影”）中验证了这些结果。

为了应对这些差异，研究人员正在与癌症早期检测联盟合作，与阿登布鲁克医院的志愿者一起进行进一步研究，目的在于完善这项技术并确保其在不同肤色中的有效性。

伯恩蒂克教授的团队还在探索使用光声技术来定制放射治疗。通过使用光声技术来了解癌症对治疗的反应，由此临床医生可更有效地定制辐射剂量。

研究人员还在探索其他光基技术，如脉搏血氧仪和智能手表，这些设备在黑人患者中的血氧读数都存在偏差。他们的目标是开发能够不受肤色影响提供准确测量的可穿戴设备。

只要直面解决这些偏差，研究人员相信他们可以创造出更好、更具包容性的医疗设备，这不仅可以改进癌症的检测和监测，还能提升医疗技术的整体质量和可及性。