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.     

生物医学光声成像的研究进展

光声成像是21世纪初发展起来的新兴的生物医学成像技术,它同时具备光学成像和声学成像两者的优点,因而备受关注。本文对生物医学光声成像的发展进行了综述。首先,介绍了光声成像的特点以及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,在成像原理上解释了光声成像优点的成因,并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技术;再次,详细介绍了多尺度的光声图像分辨率和成像深度,以及多信息维度的光声成像参数;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。     

生物医学光声成像

能够对组织体中的光学吸收体进行量化评估的光声成像(photoacoustic imaging)是一种有发展前景的医学成像模式.文章综述了处于快速发展阶段的光声成像技术.文章首先介绍光声成像的物理基础--光声效应.在此基础上,阐述光声成像技术的优势所在(与光学以及超声成像相比较).然后讨论目前该领域的主要技术路线,包括扫描层析术、计算机层析术以及原位探测成像技术.最后简要总结了光声成像技术在生物医学领域中的主要应用.     

基于光声成像的生物组织微结构定征研究进展*

光声成像是一种新兴的复合型生物医学成像技术,它既具有光学成像丰富的光学对比度,又具有声学成像成像深度深、深层组织空间分辨率高的优点。作为一种非侵入式的成像技术,光声成像逐渐显现出极大的生物医学应用潜力。该文首先介绍了光声成像的物理机制,以及光声显微镜和光声计算机断层成像这两种典型的光声成像技术;然后讨论了从光声射频信号中提取组织微结构的尺度、数量密度、弹性等特征参数的研究进展,并展望了其在组织定征和分类上的应用前景。     

光声信号的双谱分析方法研究

基于光声效应的光声光谱技术是光学与声学的有机结合, 可利用不同波长的入射光波, 产生不同的光声信号, 从而为组分识别、组织无损检测等提供高对比度图像, 是一种极具潜力的新型医学诊断技术.但光声光谱检测技术由于受检测方法的制约, 往往扫描时间较长, 而且信号的稳定性和图像识别的准确性也较差. 为了弥补单一光声光谱分析的局限性, 根据光声效应原理和振动理论, 提出了一种光声光谱与光声频谱相结合的双谱分析方法. 该方法通过光声频域信息的定量分析, 可以有效地提高不同组织的光声图像对比度, 从而提高光声成像的组分识别能力, 为光声频谱功能成像奠定理论基础. 实验结果显示, 光声光谱与光声频谱相结合的双谱分析方法可以较好地识别实验组织样品, 可实现高速、高分辨率的组分识别、组织探伤等, 具有广泛的应用前景和重要的临床诊断意义. 关键词： 光声成像 光声光谱分析 光声频谱分析     

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     

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.     

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。     

光声成像技术的最新进展

光声成像技术是生物医学领域中新兴的无损检测技术,具有对比度高、分辨率好、穿透能力强等优点.本文介绍了光声成像技术近年来的进展状况,主要涉及成像探测方式的改进、成像速度的加快、成像分辨率的提高以及图像重构算法的发展等.以该项技术在现代临床诊断中的应用为例,描述了其在生物医学领域中应用范围的拓宽.最后,总结了该项技术现存的...     

基于多元相控技术的一体化光声快速成像系统

利用多元相控技术发展了一体化光声快速成像系统,该成像系统集成了激光传输、光声激发和光声信号探测.多元线性阵列探测器以反射模式接收光声信号,并通过相控聚焦技术快速成像,得到了不同深度的猪油模拟样品的光声像和活体动物不同直径血管的光声像,系统的横向分辨率为0.5 mm,光声采集成像时间为5 s.该一体化光声快速成像系统与现有的光声成像系统相比,具有快速方便等特点.     

基于代数重建算法的有限角度扫描的光声成像

由于滤波反投影重建算法要求对成像区域进行全方位扫描以获取完全投影数据,它需要较长时间采集大量数据,使其在医学上的应用受到限制。研究了在有限角度下采用代数重建算法进行光声成像的方法,实验用的光源为YAG激光器,波长为1064nm,重复频率20Hz,脉宽为6ns,探测器为针状的磺化聚二氟乙烯(PVDF)膜水听器,接收面积的直径为1mm,从仿真和实验结果表明该方法适用于“非完备投影数据”的光声层析成像。从图像重建效果上与滤波反投影算法相比较,该成像算法提高了重建图像的分辨率和对比度。采用代数重建算法的有限角度的光声成像方法,对临床医学的无损伤检测,具有重要的意义。     

多模态光声分子成像进展*

现代的各种医学影像术,如射线成像、CT、正电子发射(PET)、磁共振(MR)、超声(US)、荧光(FL)等都各具特色,并成功地应用于多种疾病的诊疗。但每种影像术都不能对生物组织做出完整的描述。由若干个成像技术组成的多模态成像技术,是获得组织更多信息的有效途径。光声(PA)成像是能提供组织的成分和功能信息的新成像技术。它不仅灵敏,可以对较深层的组织进行实时、快速、安全的成像,而且可以利用光声光热造影剂实施非侵入的光热靶向治疗。因此,与光声成像相结合的多模态分子成像是实现精准诊疗的重要技术途径。该文以手持US-PA探头的双模态成像系统,直径为1 mm的血管內窥镜US-PA成像系统,可同时用于术前和术中的US-PA-FL三模态成像系统,以及采用外磁场可操控的磁共振-光声光热分子造影剂、进行MR-PA成像引导的光热治疗技术为例,对多模态光声分子成像系统在医学诊断、手术和光热治疗方面的进展做简单介绍。     

Tantalum Nitride Nanosheets for Photoacoustic Imaging-Guided Photothermal Cancer Therapy

In this study, the synthesis of TaN nanosheets and their application in theranostic agents is reported. After coating polyethylene glycol (PEG) on the TaN nanosheets, the as-synthesized PEG-modified TaN nanosheets (TaN-PEG) show good stability and biocompatibility. Because of their high absorbance in the near-IR region, TaN-PEG can be utilized as photoacoustic imaging contrast agents for tumor imaging. Moreover, TaN-PEG has significant photothermal conversion performance, exhibiting effective laser-induced tumor ablation capability. The TaN-PEG possessing excellent photoacoustic contrast effect and photothermal properties thus have great promise in theranostic applications, especially imaging-guided cancer treatment.     

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     

光声信号的声透镜层析成像研究

提出了一种用声透镜实现光声层析成像的新模式。从理论上计算出了声透镜的响应，测出了已知声场中标准物像面处的声场分布。考虑到圆形活塞振源的指向性，对代表物成像进行了理论修正，并与实验结果做了对比分析。研究表明，利用声透镜可以实现光声层析成像，并经图像重构得到了生物组织中异物的光声图像，横向、纵向分辨力较高。     

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.