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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）驗證了他發明的電話。據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明人。而事實上，電話的發明是從久遠的古代起許多發明家、工程師共同努力的結果。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，介紹一個電話發明過程中的“副產品”技術——光聲效應（Photoacousticeffect）。下面這張圖片是華盛頓圣路易斯大學工學院的研究者獲得的一幅小鼠耳部黑色素瘤周圍的毛細血管圖像，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聯嗎？

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為大眾熟知：電話機的接收器——話筒，接收由于人聲產生的機械振動信號，并將其轉化為電流信號。電信號被傳送至另一端，再次被轉化接聽人能聽到的機械振動信號。發明家們很早就意識到，要想實現聲音的遠距離傳輸，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？

貝爾發明的“光話”裝置原理圖

上面這張圖是出現在貝爾學術論文里的“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，還有光學裝置——一組透鏡，用來將原本朝著各個方向傳播、并且發散的的太陽光校準成近似不發散的平行光束，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，對準迎面射來的太陽光。聽筒的內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生振動，進而引起鏡面發生振動。這種振動導致在接聽方，光線被快速的“打斷”，或者接通，形成光的“脈沖”。而瞬時的光吸收導致聽筒里材料的分子發生瞬時膨脹，產生了與光“脈沖”頻率相關聯的機械波，進而傳到到接聽者的耳朵里。

貝爾針對這一技術反復進行了實驗，印證了被反復、快速阻斷的光線照射在深顏色的物質上，能夠產生聲音的現象——光聲效應（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，撰寫了學術論文，于1880年和1881年發表在《美國科學雜志（AmericanJournal of Sciences）》，和《哲學雜志（Philosophical Magazine Series）》上。

不過這種通訊技術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，也會然這個裝置失效。

于是，這個技術在當時唯一貢獻，就是讓貝爾教授多發表了兩篇論文。這兩篇論文隨即成為“睡美人”論文。也有一些其他的學者對此感興趣，比如倫琴和英國物理學家約翰?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的工作。在此后的半個世紀里，這個有趣的技術逐漸被人們遺忘，大概沒有多少人關注過他們的研究。

直到上個世紀60年代之后，激光技術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域的飛速發展。光聲技術又“復活”了。

亞歷山大?奧利弗斯基（Alexander Oraevsky）博士是最早進行生物醫學光聲成像技術的科學家之一。上世紀80年代，亞歷山大在莫斯科蘇聯科學院從事利用激光去除生物組織的研究工作。在實驗過程中，他發現被激光脈沖照射的軟組織周圍出現了超聲波，于是繼續研究這一有趣的現象。從此，利用接收到的超聲波對生物體組織成像的方法出現了。

今天的光聲成像技術里，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，吸收的光能導致生物體局部溫度瞬時上升，并導致其發生瞬間膨脹，產生頻率在超聲波范圍的機械波。與所有的成像技術一樣，人們接受到這種與生物體發生了互動（interactions）的波動之后，利用各種技術反推回去，可以“猜想”生物體內部的結構或者功能信息，實現內部信息的“可視化”，從而看到這些信息。

作為一種“混搭”的技術，光聲成像與光學技術和聲學技術相比結合了兩者的優勢。它可以獲得比聲學方法更高的分辨率，又能為人們提供成像對象光學性質的空間分布。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量級，這種成像方法與傳統的光學方法相比，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。這種技術還有一個重要的優勢，就是能夠利用對光的匯聚實現不同穿透深度及分辨率的多尺度成像，實現不同分辨率上的可視化。

到今天，光聲技術已經是一個很大的研究領域。研究者遍布北美、歐洲和亞洲。如今該領域里每年文獻發表數量已經是上世紀80年代的十倍以上。除了繼續在基礎研究中發揮作用，許多研究人員的努力方向已經朝著臨床應用的方向在努力。潛在的應用方向包括（不局限于）：癌癥的檢測，腦部成像，淋巴及神經系統成像，組織切片成像，治療效果監測（光動力學、熱療），血流，血氧飽和度檢測等等。

當然，任何一種工程技術手段都有它的局限性。即便如此，光聲技術依然在今天的先進成像技術里占有重要的位置。也許不久的將來，這種發端于電話的發明的有趣技術，會廣泛地出現在臨床應用里。