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.     

基于声透镜成像系统的光声层析成像

光声成像是采用“光激发-超声波成像”的新型成像技术，它是检测强散射介质内部光吸收分布的一种有效医学影像技术.用短脉冲激光照射强散射介质(如生物组织)，强散射介质由于光声效应产生超声信号，使用具有成像能力的声透镜把声压分布成像于像面上，然后利用具有空间分辨能力的阵列光声传感器，把同一像面上的光声信号强度记录下来，最后根据光声信号强度的空间分布进行图像重组.根据成像系统物像共轭原理，同一物平面的光声信号到达像面的时延相等，而不同物面的光声信号到达同一个探测器平面的时延各不相同，因此，利用BOXCAR的门控积分 关键词： 光声层析成像 声透镜 光声信号     

基于长焦区聚焦换能器的扫描光声乳腺成像技术

报道了一种利用长焦区聚焦超声换能器检测光声信号的扫描光声乳腺成像系统.通过增加聚焦换能器焦区的长度,该技术可以快速实现对大块组织(如乳腺)的光声成像.测试结果表明,该实验系统能够对大块模拟样品中吸收体的位置、尺寸以及光能量吸收情况实现较为准确的成像.另外,实验中,该系统还可便捷地与传统的超声技术相结合,从而实现多模式复合的乳腺癌诊断.初步结果显示了该技术路线在乳腺癌早期诊断应用上的前景. 关键词： 乳腺癌诊断 光声成像 扫描光声层析术 脉冲回波法     

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。     

结合小波分析法与导数光声光谱技术测量弱光谱信号的实验研究

结合导数光声光谱技术与小波分析方法,精确测量了光声光谱中的弱光谱信号.首先利用自己设计的仪器装置实现光声光谱的一阶导数,在此基础上,根据导数光声光谱的数据选择合理的分析小波,将光声光谱信号分解为不同频率信号的叠加,被分解的信号满足线性性质且原信号的峰值信息保持不变,由频率的差异可区分出光声信号和噪声信号,从而提取出光声光谱中的弱光谱信号.结合物理方法与软件方法的分析结果,准确地测量了氙灯的输出光声光谱中3个不明显的弱峰值,位置分别为699.7nm、753.4nm和776.5nm.该方法可以更准确地提取出光声光谱的峰值信息,有效地提高了光声光谱的测量精度,为光声光谱分析法在生物医学及化学分析中的应用提供了一种更精确的分析方法.     

基于柱弥散光源体内辐照的前列腺扫描光声成像仿体实验

光声成像技术是一种非常有前景的前列腺早期检测与成像的新技术. 在现有前列腺光声成像技术中, 通常采用的腺体外光源辐照方式由于受外围组织的影响, 容易减弱深部前列腺组织的光能量吸收, 导致辐照范围减小, 引起光声成像深度不足, 难以实现无损前列腺癌的检测. 本文基于前列腺组织的结构特征, 依据一种以柱状弥散光纤在尿道对前列腺实施光辐照、并利用外置于直肠内的长焦区聚焦式超声换能器检测光声信号的前列腺光声扫描成像技术, 构建了光声成像实验系统, 开展了仿体实验. 测试结果表明, 系统能够实现样品中吸收体的定位和成像, 结合柱弥散光源体内辐照可使成像深度提高, 同时侧向成像范围也较大. 初步结果表明, 借助柱弥散光源进行体内光辐照的光声信号新激发方式结合长焦区超声探头在前列腺癌早期无创诊断上具有潜在的应用前景.     

基于不同频率成份衰减矫正的光声成像方法

根据超声衰减理论,研究了光声信号不同频率成份随距离的衰减差异,及其对光声图像重建的影响;提出了对光声信号不同频率成份进行衰减矫正的成像方法,此方法增强了光声信号的高频成份,突出了吸收体的边界变化和细微的结构特征,提高了成像系统分辨率,实验结果显示系统分辨率由0.3 mm提高到0.2 mm.实验所用的光源为YAG激光器,波长为1064 nm,重复频率为20 Hz,脉宽为6 ns,探测器为针状的PVDF膜水听器,接收面积的直径为1 mm.     

单波长光声光谱血氧饱和度检测技术研究

血氧饱和度(SO₂)为临床观察病情变化提供了有意义的指标。传统血氧饱和度检测研究工作多采用双光源和多光源光电容积脉搏波描记法实现无创检测来减少病人痛苦。通过研究生物组织对光的吸收和散射特性,将光谱学和光声技术相结合提出了一种无创式单光源检测血氧饱和度(SO₂)、脱氧血红蛋白浓度[HBR]和氧合血红蛋白浓度[HbO₂]的新方法。该方法基于血液对光信号的吸收和散射理论基础和光声信号呈现吸收线形关系建立单波长光声光谱血氧饱和度检测技术,不仅可以进行指标性参数分析还可以对组织成像。为了验证该技术可行性,在实验中采用单波长激光脉冲光源,以绿色和红色墨水的混合液体作为含有脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的血液模型注入软管模拟人体血液环境。其中红色墨水的含量类比于血液中含氧血红蛋白含量,从而可通过测量计算出红色和绿色墨水浓度来表征伪血氧饱和度(poseudo-SO₂)。实验结果表明,所测的伪血氧饱和度与实际浓度误差不超过6.97%,采用该方法量化血氧饱和度是可行的;同时利用实验结果,结合光声成像技术完成了对伪血液中单圆管截面成像。该方法替代多波长光谱分析的方法能显著降低激光系统和便携式实现成本。     

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     

基于维纳滤波反卷积的光声成像

为了提高光声成像(PAT)的对比度和分辨率,需对组织样品的光声(PA)信号进行基于探头脉冲响应的滤波反卷积以恢复其频谱特性.对宽带光声信号而言,由于带通滤波的截止频率由人为确定,噪声不能得到有效抑制,很难获得稳定的反卷积结果.针对此问题,提出了基于维纳滤波反卷积的光声成像方法,利用点光声源获得超声探头的脉冲响应.利用维纳滤波抑制反卷积过程中噪声的影响,滤波器参数由离散小波变换(DWT)动态估计,样品光声图像由时域后向投影算法重建.数值模拟与成像实验均表明该方法有效地抑制了噪声对反卷积的影响,提高了光声成像的对比度和分辨率.     

光声内窥镜系统在人体直肠癌离体组织中的实验研究

研制了基于4阵列传感器的光声内窥镜探头,并基于此搭建了光声内窥镜成像系统,开展了仿体实验成像研究,通过内窥镜探头4个阵元位置激光吸收强度的变化情况来分析仿体中吸收体的位置,论证了其定位能力,利用光声内窥镜系统对人体离体的正常组织、直肠癌早期组织进行成像研究;通过对不同阵元位置的光吸收强度分布进行统计分析,证明了光声内窥镜对早期直肠癌组织和正常组织的辨别能力,此项技术有望提高直肠癌早期诊断的准确率,具有潜在的临床应用前景。     

光声池中微弱光声信号检测

大气中的污染源气体含量很少, 用光声光谱对其进行监测得到的光声信号极其微弱. 本文首先分析微弱信号产生机理, 在分析Holmes Duffing方程的基础上, 提出了适合光声池微弱信号检测的变尺度差分方法. 该方法通过对信号进行尺度变换, 再做差分来检测微弱信号. 理论分析和实验表明, 变尺度差分方法能很好地抑制系统相空间的共模噪声, 而且能很好地凸显混沌状态临界值. 变尺度差分方法测出的信号相对误差都小于5%, 说明其可以用于较高频率、 相位和频率都未知的微弱光声信号幅值检测. 关键词： 光声光谱 微弱信号 幅值 Duffing     

High-contrast imaging based on wavefront shaping to improve low signal-to-noise ratio photoacoustic signals using superpixel method

Photoacoustic(PA) imaging has drawn tremendous research interest for various applications in biomedicine and experienced exponential growth over the past decade. Since the scattering effect of biological tissue on ultrasound is two-to three-orders magnitude weaker than that of light, photoacoustic imaging can effectively improve the imaging depth.However, as the depth of imaging further increases, the incident light is seriously affected by scattering that the generated photoacoustic signal is very weak and the signal-to-noise ratio(SNR) is quite low. Low SNR signals can reduce imaging quality and even cause imaging failure. In this paper, we proposed a new wavefront shaping and imaging method of low SNR photoacoustic signal using digital micromirror device(DMD) based superpixel method. We combined the superpixel method with DMD to modulate the phase and amplitude of the incident light, and the genetic algorithm(GA) was used as the wavefront shaping algorithm. The enhancement of the photoacoustic signal reached 10.46. Then we performed scanning imaging by moving the absorber with the translation stage. A clear image with contrast of 8.57 was obtained while imaging with original photoacoustic signals could not be achieved. The proposed method opens new perspectives for imaging with weak photoacoustic signals.     

基于声学扫描振镜的超声/光声双模态成像技术

超声/光声双模态成像技术因其同时兼具超声的高分辨率结构成像和光声的高对比度功能成像优势,极大地推动了光声成像技术的临床应用推广.传统超声/光声双模态成像技术多基于超声成像所用阵列探头同时收集光声信号,系统结构紧凑且无需图像配准,操作便捷.但该类设备使用阵列探头和多通道数据采集,使得其成本较高;且成像结果易受通道一致性差异影响.本文提出了一种基于声学扫描振镜的超声/光声双模态成像技术,该技术采用单个超声换能器结合一维声学扫描振镜进行快速声束扫描,实现超声/光声双模态成像,是一种小型化、低成本的双模态快速成像技术.本文开展了系列仿体和活体成像研究,实验结果表明:系统有效成像范围为15.6 mm,超声和光声成像B扫描速度分别为1.0 s^–1和0.1 s^–1 (光声成像速度主要受制于脉冲激光器重复频率).基于本文所提技术研究,有助于进一步推动超声/光声双模态成像技术的临床转化和普及;也为基于超声信号检测的多模态成像技术提供了一种低成本、小型化和快速声信号检测的参考方案.     

一种实现光声光谱的导数光谱的新方法

提出了一种实现光声光谱的导数光谱的新方法,为了获得光声光谱的导数光谱,利用一台单色仪和一个分光棱镜研制成一个波长-光强分束器,并用这个波长-光强分束器同时获得两束光强相等而波长有微小差别的两束光,这两束光经过一个互补调制器调制后在光声探测器内叠加,可以实现光声信号的差分,扫描单色仪的波长,就可以获得光声吸收光谱的导数光谱。实验证明这种方法可以准确实现光声光谱的一阶导数光谱,而且导数光声光谱比光声吸收光谱具有更高的光谱分辨率。     

利用散射光增强弱吸收固体混合物中主要光吸收物质的光声光谱特征

在传统的透射和反射光谱中, 散射光通常是误差的主要来源之一, 然而对光声光谱, 散射光有可能成为促进光谱测量的积极因素. 本文研究了弱吸收固体混合物–-奥氮平药片及其粉末的光声光谱. 为了排除光声池吸收散射光所产生背景光声信号的干扰, 取试样与其空白物的差值谱进行碳黑归一化, 得到了只与试样自身性质相关的归一化光声光谱.实验发现通过将药片碾成粉末, 可以使奥氮平药片的主成分奥氮平原料药的光声光谱特征凸显出来. 分析表明光散射效应是这一现象产生的主要原因. 传统光谱技术的障碍–-散射光却能促进光声光谱测量, 这显示出光声技术在光谱测量领域的独特优势. 上述实验提供了一种初步快速鉴别弱吸收固体混合物中少量光吸收物质的新方法, 这一方法有望应用于固体药物、矿物和土壤分析等领域. 关键词： 光声光谱 散射光 弱吸收固体混合物 奥氮平     

光声成像研究进展

本文阐述了光声成像的工作原理,光声信号的产生,传播和探测过程,并总结了光声成像的研究进展,包括时域光声成像和频率域光声成像的研究进展、以及各自的特点,为光声成像领域的研究起到一定的借鉴作用。分析认为光声成像技术有着其他医学成像技术没有的诸多优点,如高分辨率、高对比度、成像深度深等具有广阔的应用前景和较高应用价值,是未来生物医学领域最重要的实时医学成像技术之一,因此得到了国际上的广泛关注。