生物光声层析成像中不均匀和不稳定照明解决方法

在生物组织光声层析成像(Photoacoustic Tomography,PAT)算法中,为了简化问题,通常假设在均匀和稳定照明的理想情况下,重建组织的初始声压分布图、光吸收能量分布图和光学特性参数分布图。但在实际应用中,当光在生物组织中传播时,会出现光衰减和光通量分布不均匀的情况,导致重建精度下降。本文对非理想条件下用于补偿由不均匀和不稳定照明所致PAT成像误差的主要方法进行归纳和总结,讨论不同方法的优势和不足。     

利用近红外光激发的光声血管造影成像

利用近红外光结合对应波长的光吸收增强对照剂来实现在体小鼠脑皮层血管的光声成像.近红外光在生物组织上有较深的穿透能力;而作为光吸收增强剂的外源染料吲哚菁绿注射到血液系统后则增加了血管对光的选择性吸收,从而增强了血管光声信号的强度.实验在不破坏脑头皮和头盖骨的前提下,通过静脉注射吲哚菁绿,获得小鼠脑皮层血管的光声造影成像.光声重建的血管网络与小鼠脑部解剖照片相当符合.实验结果证明近红外光结合光吸收增强剂的光声血管造影技术对于开展光声脑功能成像,光声分子成像提供了潜在的可行性. 关键词： 光声成像 光吸收增强剂 血管造影 光声信号     

基于探测超声的新型生物组织光声层析成像

利用一束单频探测超声穿过由脉冲激光照射产生的光声激发区域，使之与光致声场产生相互作用，光声信号将耦合到探测束上，再解调探测超声来重建光吸收区域的图像，可以得到丰富的组织信息.该信息不仅反映了组织中光吸收的特性，也反映了组织的声学特性.实验中，通过旋转超声探测器进行数据采集，并利用滤波反投影算法重建图像，可得到高信噪比的光声层析图像.由于激光的窄光谱线宽，其吸收是特征分子选择性的，所以此方法既是一种无损伤的结构层析成像方法，也可用于组织的功能成像.     

高频高灵敏光声探头的光声内窥成像

光声内窥成像技术具有高分辨、高精准、功能成像等优点,是目前临床新型成像诊断技术研究的热点。然而,光声内窥成像技术受激光器安全能量阈值和光声换能器灵敏度的制约,现有的光声内窥成像技术大多无法兼顾高成像信噪比和小尺寸要求。为了解决光声信号回波能量低、光声图像信噪比差的问题,该文采用一种带有集成前端放大器的小尺寸的光声探头设计方案,其中心频率达到30 MHz,直径小于2.5 mm,通过仿体实验证明其仿体中的成像深度可达6.5 mm,横向成像分辨率可达144.9μm,纵向分辨率为111.1μm,尤其是,成像信噪比相较于对照组的传统光声换能器提高了11.5 dB。该文研究表明,前端集成放大光声探头能有效提高光声成像信噪比,改善成像质量,为提高光声内窥临床诊断精准度提供了新方法。     

基于声透镜的三维光声成像技术

基于声透镜的光声成像系统中, 由样品的光声压分布等效样品的吸收分布, 进行光声像重建, 但之前的这种等效是一种近似, 理论上并不准确. 本文阐述了声透镜三维光声成像的基本原理, 揭示了声透镜像面上光声压信号的时间分布与样品轴向吸收分布之间的关系; 提出用积分法和希尔伯特变换提取光声信号瞬时值法, 解调样品吸收系数分布并重建光声像; 实验上, 对不同样品分别用积分法和希尔伯特变换法获取样品的吸收系数, 重建光声像的横向和轴向分辨率均约为1 mm, 实现了真正的三维快速光声成像.     

改进的同步迭代算法在光声血管成像中的应用

光声成像结合了光学成像和声学成像的优点，是一种高分辨率，高对比度的无损伤医学成像技术.一种改进的同步迭代算法应用于光声图像重建.仿真和模拟结果表明，与传统的代数迭代算法相比，在90°，135°，180°的有限场光声成像中，此算法对测量误差的校正和迭代次数的收敛上具有较大的优势，图像重建的速度和成像质量都有了明显的提高.实验中，一种圆形扫描结构的光声成像装置，用于180°的有限场扫描，利用改进的同步迭代算法，重建出了高对比度和高分辨率（60μm）的鸡胚胎光声血管图像.实验证明，这种算法的应用，大幅度减少了数据采集时间，为光声成像技术运用于实时监测血流灌注和肿瘤光动力治疗的血管损伤效应提供了潜在的应用价值. 关键词： 光声成像 有限角度 代数迭代算法 光声血管成像     

考虑超声探测器脉冲响应和方向性的光声图像重建方法

在光声成像中,假设超声探测器为具有全向响应的理想点探测器通常会导致图像分辨率下降。为了解决探测器效应引起的图像质量下降问题,提出一种考虑探测器特性的光声图像重建方法,建立包含探测器方向性和脉冲响应的前向成像模型,通过迭代求解前向模型的逆问题,实现光吸收能量分布图的高质量重建。仿真和仿体实验结果表明,与未考虑或未充分考虑探测器特性的传统重建方法和其他重建增强方法相比,所提方法可以显著提高图像分辨率和对比度,改善图像质量。     

基于字典学习的稀疏角度采样光声信号重建

光声成像兼具光学成像的高对比度和超声成像对深层组织的高分辨率等优点,在生物医学成像领域具有巨大的潜力,而且发展十分迅速;光声成像通过在多个角度进行光声信号的采集,可以获得生物组织的二维或三维光学吸收分布图像;但实际的光声成像往往因硬件条件和成像时间的制约而难以采集角度足够多的光声信号;在信号采样不足的情况下,光声图像的重建质量会严重下降,出现大量伪迹。针对该问题,提出了一种基于字典学习与稀疏表示的恢复重建算法,采用该算法对光声信号进行预处理,并进行仿真实验。结果表明:与不经过光声信号超分辨率重建的时间反演法图像重建结果相比,经所提算法处理后的光声重建图像的伪迹显著减少,细节更加清晰,峰值信噪比提高了8 dB左右;不同信噪比下的仿真实验验证了所提出算法具有良好的稳健性。     

滑动焦点光声显微成像方法

在高分辨光声显微成像系统中,只有在有限焦深范围内的吸收体可以获得高分辨率高信噪比的成像,而实际的生物组织往往具有不规则的轮廓,导致成像结果分辨率和信噪比不均匀。提出了一种基于稀疏扫描轮廓的滑动焦点光声显微成像方法,首先在固定的焦点上稀疏扫描轮廓,人工选择轮廓点获取轮廓的稀疏矩阵,然后通过双调和(Biharmonic)插值获取完整的轮廓矩阵,并将轮廓矩阵转化为焦点位置移动矩阵,最后进行二次扫描,根据焦点位置移动矩阵在每次扫描之前调整焦点位置,使得在整个扫描过程中,样品始终处于焦深的范围,从而获得分辨率和信噪比均匀的光声显微图像。通过模型实验和在体皮下血管成像、颅下血管成像,证明了该方法可以有效地提高光声成像的质量。     

双即插即用能谱计算机断层重建算法

为降低X射线辐射剂量和提高成像效率,开发准确和高效的多能谱成像方法,提出一种具有双即插即用（PnP）框架的图像重建方法。该方法引入两个PnP正则化能量函数,分别对多通道图像内蕴低秩性与通道内图像稀疏性进行度量。首先以多通道图像间的相似块构造高维张量,然后引入张量加权核范数对张量低秩性进行刻画,并结合图像梯度域L0（伪）范数对通道内图像稀疏性进行刻画,最后设计基于交替方向乘子法的高效求解算法。为验证算法的可行性,开展模拟多通道光子计数采样图像重建实验。实验结果表明：与现有代表性方法相比,所提方法的峰值信噪比提升0.067 dB～1.89 dB,时间消耗约为代表性方法的25%;所提方法具有抑制伪影干扰和改善图像质量的优势,并且计算效率得到显著提升。     

小波变换的红外焦平面阵列非均匀性校正算法

红外焦平面阵列(IRFPA)的非均匀性是其应用中必须解决的技术难题之一。基于小波理论,提出了一种基于成像场景的红外焦平面非均匀性校正算法。该算法选择合适的小波函数对红外成像序列进行小波分解,而后对分解的信号计算出相应的统计量,从而得出红外焦平面非均匀性校正的偏置和增益校正系数,以此最终实现非均匀性校正。对真实红外序列图像的处理效果验证了该算法可较好地实现非均匀性校正。此外该算法对慢变化量具有较好的自适应性,可较好地抑制一般基于场景统计的非均匀性校正算法中出现的"人工虚影"的现象。     

声速不均匀介质的光声成像重建算法

为提高声速不均匀介质的光声成像精度,提出一种基于反卷积的光声成像重建算法.本算法不需预先知道介质的声速分布.先通过探测到的光声信号构造出一个新函数,并用不同位置探测到的光声信号间的相关性来估计空间两点间的声波传播时间,以补偿声速的不均匀性.然后基于反卷积方法由该函数解出待测组织内的电磁波吸收分布.仿真研究结果表明,当介质声速差异在10%以内时,重建图像能正确反映待测目标的大小、位置和电磁波吸收系数,算法具有良好的抗噪性能.由于生物软组织内的声速差异一般小于10%,因此本算法是一种有效的光声成像重建算法.     

基于块稀疏贝叶斯的生物发光断层重建

生物发光断层成像(BLT)是一种非侵入、高灵敏度的光学分子影像技术,可以通过探测生物体表面的光信号重建出生物体内部光源的三维分布情况。由于光在组织中传播时,散射占据主导作用,导致BLT重建问题的病态性,给光源重建带来巨大的挑战。在BLT重建中,基于光源稀疏分布的特征,稀疏正则化方法相比于传统的L2范数正则化取得了显著进展。更进一步,由于生物发光光源的分布具有的空间聚集特征,利用该特征将有助于进一步提高BLT重建的准确性。相比于传统的针对求解域中所有未知量进行稀疏重建的算法,探索了利用块稀疏进行生物发光断层成像重建的可行性,首先通过对系统矩阵进行相关系数分析将求解域划分成一系列数据块,然后利用块稀疏贝叶斯算法对生物发光光源的分布进行三维重建。通过仿真实验与小鼠活体实验,并与传统稀疏重建算法L1-LS进行了比较,结果表明该方法可以有效缓解BLT重建问题的病态性,抑制噪声,并且可提高重建结果的准确性。     

高超声速流场成像质量特性及校正方法

光学成像制导飞行器在大气层中以高超声速飞行时，其成像窗口附近强压缩流场的气动光学效应会导致成像过程出现抖动、偏移和模糊，影响制导精度.为研究该问题，搭建了基于高超声速（Ma = 6.0）炮风洞的气动光学地面模拟平台.利用高速摄像机获取了多种喷流压比状态下光学头罩成像图片，研究了成像特性.基于背景纹影技术（background oriented schlieren，BOS）直接获取气动光学畸变的点扩散函数信息，结合Wiener滤波方法对地面模拟平台获取的成像畸变结果进行了校正，并结合灰度分布、峰值信噪比（peak signal-to-noise ratio，PSNR）和结构相似度（structural similarity，SSIM）对校正结果进行了定性和定量评价.成像结果表明，头罩无冷却喷流时成像质量最好，在压力匹配附近头罩成像质量相对于欠压喷流和过压喷流成像质量较好.图像校正结果表明，风洞运行过程中采集的时间序列图像在校正之后所对应的灰度分布情况、PSNR和SSIM都得到提高.      

基于双泽尼克多项式的多视场稀疏孔径成像

基于双泽尼克多项式推导稀疏孔径光学系统与视场相关的广义光瞳函数,以Golay3稀疏孔径成像系统为例,通过ZEMAX软件进行光学设计和数据拟合获得广义光瞳函数的双泽尼克多项式系数,根据傅里叶变换关系计算得到稀疏孔径光学系统的调制传递函数（MTF）,并针对不同视场稀疏孔径光学系统进行成像模拟和图像复原。结果表明,调制传递函数的理论计算结果与ZEMAX设计结果一致,利用双泽尼克多项式可以表示不同视场稀疏孔径光学系统的成像特性。构建与视场相关的维纳滤波器进行图像复原,可有效提高不同视场稀疏孔径光学系统的成像质量。     

一种基于控温黑体的红外实时校正技术

二代扫描型热像仪的非均匀性校正(NUC)通常采用定点两点温度校正法或定点多点温度校正法,采用定点校正无法适应时间或环境的变化对探测器带来的影响,造成校正偏离,空间噪声增大。通过在成像光路中设置2个可控温的黑体完成探测器的实时校正,保证在不同时刻以及不同应用环境下,黑体的温度始终实时地跟随场景温度,校正系数实时更新,使非均匀性校正的输出误差有效降低。通过实际多个场景对比试验,采用传统定点校正,非均匀性噪声约为4.0,而该方法的噪声不大于2,有效降低50%。     

声透镜对多层样品的光声层析成像

由于光声效应产生光声压分布图像,所以当强散射介质中的模拟吸光组织在受到短脉冲激光照射时,该声压分布会经声透镜成像在像平面上。在像平面上利用线性超声探测器阵列获取光声信号并传递给高速数据采集卡进行数据采集,可由程序重构出光声图像。设计的光声层析成像系统可以采集记录一定深度的数据,成像时只要在所采集到的数据中选取不同列数即可同时获得强散射介质多层样品不同层面的光声图像。实验成功地获得了强散射介质内多层样品不同层面的光声层析图像。该成像方法无需进行复杂的算法重建,且可以同时实现多层样品不同切面的光声成像。     

自适应多光谱光声成像技术研究

光声成像技术是利用激光照射组织产生超声波成像的新型医学影像技术.在传统光声成像中,由于组织体内复杂的成分与环境会对入射光波产生较大的扰动而导致波前畸变、图像分辨率下降,从而降低诊断的准确性.为了克服这一影响,本文提出了一种自适应多光谱光声成像技术.该技术利用自适应光学技术可有效地降低组织对光波扰动的影响,提高系统成像分辨率与图像对比度.此外,该系统还融合了多光谱成像技术,可在多种波长下对目标成像,从而更好地进行组织结构识别、组分分析等.实验结果表明,该系统十分适用于复杂的生物组织光声成像,可极大地增强光声成像性能,在生物医学领域具有广阔的应用前景.     

基于超声干涉测量的光声断层成像方法性能优化*

生物组织声学参数的不均匀性是光声断层成像技术面临的棘手问题,基于超声干涉测量的光声断层成像方法已被初步证明可以适用于声参数不均匀情形,但对如何取得最佳成像效果缺少深入研究。针对这一问题,该文将基于超声干涉测量的光声断层成像方法应用于同时含有声速不均匀和随机声散射现象的复杂成像媒质模型,并对如何优化成像效果开展相关研究。该文首先验证了该方法在数值模型中的有效性,随后针对相关测量参数与成像质量之间的关系开展定量研究,提出了优化成像效果的方法。结果表明,设计适合的波形滤波器、合理选择干涉测量过程中超声信号的中心频率均可优化成像效果,该文的相关研究结果可为进一步拓展基于超声干涉测量的光声断层成像的应用范围提供参考。     

多参量光声成像及其在生物医学领域的应用

光声成像兼具声学成像和光学成像两者的优点, 因而成为近十年来发展最迅速的生物医学成像技术之一. 本文介绍了光声成像的特点及其相对于广泛应用的光学成像技术和声学成像技术的优点; 其次, 解释了光声成像的成像原理, 在此基础上介绍了光声断层成像和光声显微镜这两种典型的光声成像方案, 并介绍了它们的技术特点; 然后, 介绍了光声成像对生物组织的生化特性、组织力学特性、血液流速分布、温度分布参数、微结构特性等多信息参量的提取能力, 及其在生物系统的结构成像、功能成像、代谢成像、分子成像、基因成像等多领域的应用; 最后, 展望了光声成像在生物医学领域的应用潜力并讨论了其局限性.