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.     

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.     

基于聚焦光声层析技术的甲状腺离体组织成像

对人体甲状腺内的病变组织进行定位和成像对于准确诊断和有效治疗甲状腺疾病是至关重要的. 本文评估了利用光声层析技术对离体甲状腺组织进行成像的可行性, 并利用基于30 MHz超声换能器的聚焦光声成像系统对甲状腺进行扫描成像. 实验中成像系统的横向分辨率和纵向分辨率分别达到了350 μupm和74 μupm. 分别对正常离体甲状腺组织和模拟病变甲状腺组织进行光声成像. 实验结果表明, 本成像系统能够有效区分和鉴别正常甲状腺组织和病变组织. 此项技术有望进一步提高甲状腺疾病诊断的准确率, 以便更为有效地指导疾病的治疗, 具有潜在的临床应用前景.     

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.     

利用k-Wave计算超声在腹壁组织的声辐射力*

随着科学技术的发展,声辐射力在生物医学领域得到了更为广泛的应用,尤其是在弹性成像领域。为了使弹性成像技术更加精准,对声辐射力的预测至关重要。该文基于腹壁组织图像,利用k-Wave对超声波在腹壁组织区域传播时的声场进行数值模拟,获得了其声场分布,进而求得了组织中声辐射力分布情况,同时对面阵换能器的阵元宽度、间距、阵元个数以及工作频率等参量对声辐射力的影响进行了计算与分析。结果表明,腹壁组织的声场分布受其非均匀性的影响,声辐射力的分布情况依赖于换能器参量的选择。该研究为声辐射力在弹性成像技术中的应用奠定了基础,为其技术的改进提供了重要依据。     

基于光声谱的生物组织“指纹”光声诊断术*

肿瘤诊断主要采用医学影像结合组织活检病理予以确诊,但尚未实现高效的早期肿瘤筛查,现有影像术的诊断信息不全面和病理的有创、耗时长是关键问题。近年来快速发展起来的新型生物医学光声成像和光声谱分析技术,对生物组织的分子、化学和功能信息高度灵敏,可实现组织"指纹"的量化检测,且实时、无放射性、无电离性,与其他影像技术融合后具有实现无创"质谱"检测的巨大潜力。该文基于光声信号在光学和声学两个维度的谱分析,实现多种肿瘤和正常组织的光声组织"指纹"成像;提取的量化参数对肿瘤、癌前病变和正常组织进行了有效区分。这项技术有望实现高效、无创、低价的在体早期肿瘤筛查。     

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。     

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     

水下声成像中旁瓣抑制方法及其实验研究

提出了一种近场条件下采用不等间隔阵并进行孔径变迹处理的水下声成像旁瓣抑制方法,并进行了理论和实验研究。考虑以球面波传播理论为基础的聚焦波束形成,首先通过阵元位置微调,设计了可实现低旁瓣的不等间隔阵,从单程波束响应上降低旁瓣;然后,将孔径变迹处理方法应用于水下声成像中,全部阵元用于接收,部分阵元用于发射,从双程波束响应上进一步降低旁瓣。通过水池实验对所提出的方法进行了验证。结果表明:采用不等间隔阵并进行孔径变迹处理可以更为有效地降低旁瓣,而主瓣仅有小量展宽,且该方法工程应用简便易行,在改善成像质量的同时降低了系统复杂度。      

高分辨率快速数字化光声CT乳腺肿瘤成像

提出了一种基于聚焦线性阵列探测器的快速光声计算机断层成像技术（光声CT）.在光声二维图像重建中,根据阵列探测器机械扫描和电子扫描相结合的组合扫描模式,提出了改进的有限场滤波反投影重建算法.一方面该算法适合多元探测器旋转扫描模式,另一方面探测器的指向性函数作为反投影的权重因子提高了系统的横向分辨率.同时,该成像系统还利用柱面声透镜实现Z轴方向上的聚焦扫描以实现三维层析成像.实验中,这套成像系统空间分辨率达到0.2mm,Z轴方向分辨率为1.5mm,扫描一幅二维图像仅需150s,得到 关键词： 光声CT 有限场滤波反投影算法 声透镜聚焦 乳腺肿瘤检测     

Simulation of light delivery for photoacoustic breast imaging using the handheld probe

The photoacoustic tomography by using the handheld probe has a great potential in clinical breast imag- ing. However, tile shape of the probe limits the choice of light delivery in this setup. In this letter, we study two commonly used illumination types for handheld probe： bright-field illumination and dark-field illumination. Our results demonstrate several parameters have important impact on the photon fluence in deep breast tissue. The results will help to optimize the design of the photoaeoustie breast imaging system with a handheld probe.     

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     

Endoscopic optical probe with a PZT actuator and MR tracker

A miniaturized optical probe with a magnetic-resistance (MR) position tracker and piezoelectric-transduce (PZT) mirror system was developed for endoscopic optical imaging. All of the optical components such as collimation and focal lenses, reflection mirror, PZT linear actuator and MR sensor were wholly packaged in a single scanning probe with a volume of 3.57 cm³. This endoscopic probe has the advantages of having a small volume, extended stroke length (4.5 mm), high scanning speed (18.2 mm/s), efficient recoupling ratio (78.3%) and high spatial resolution (11.7 μm) compared to conventional endoscopes. Consequently, it showed the potential for improving the endoscopic imaging system and utilizing the image-guided robotic surgery system.     

Evaluation of bladder microvasculature with high-resolution photoacoustic imaging

We explored the potential of an emerging laser-based technology, photoacoustic imaging (PAI), for bladder cancer diagnosis through high-resolution imaging of microvasculature in the bladder tissues. Imaging results from ex vivo canine bladders demonstrated the excellent ability of PAI in mapping three-dimensional microvasculature in optically scattering bladder tissues. By comparing the results from human bladder specimens affected by cancer to those from the normal control, the feasibility of PAI to differentiate malignant from benign bladder tissues was also explored. The distinctive morphometric characteristics of tumor microvasculature can be seen in the images from cancer samples, suggesting that PAI may allow in vivo assessment of neoangiogenesis that is closely associated with bladder cancer generation and progression. By presenting subsurface morphological and physiological information in bladder tissues, PAI, when performed in a similar way as in conventional endoscopy, provides an opportunity for improved diagnosis, staging, and treatment guidance of bladder cancer.     

Noninvasive photoacoustic angiography of animal brains in vivo with near-infrared light and an optical contrast agent

Optical contrast agents have been widely applied to enhance the sensitivity and specificity of optical imaging with near-infrared (NIR) light. However, because of the overwhelming scattering of light in biological tissues, the spatial resolution of traditional optical imaging degrades drastically as the imaging depth increases. Here, for the first time to our knowledge, we present noninvasive photoacoustic angiography of animal brains in vivo with NIR light and an optical contrast agent. When indocyanine green polyethylene glycol, a novel absorption dye with prolonged clearance, is injected into the circulatory system of a rat, it obviously enhances the absorption contrast between the blood vessels and the background tissues. Because NIR light can penetrate deep into the brain tissues through the skin and skull, we are able to successfully reconstruct the vascular distribution in the rat brain from the photoacoustic signals. On the basis of differential optical absorption with and without contrast enhancement, a photoacoustic angiograph of a rat brain is acquired that matches the anatomical photograph well and exhibits high spatial resolution and a much-reduced background. This new technology demonstrates the potential for dynamic and molecular biomedical imaging.     

Viscoelasticity imaging of biological tissues with phase-resolved photoacoustic measurement

A method for noninvasive viscoelasticity imaging of biological tissues using phase-resolved photoacoustic measurement is presented. We deduced the process of photoacoustic effect on the basis of thermal viscoelasticity theory, and established the relationship between the photoacoustic phase delay and the viscosity-elasticity ratio for soft solids. Agar phantoms with different densities and different absorption coefficients were used to verify the dependence of photoacoustic phase-resolved viscoelasticity measurements. Moreover, viscoelasticity imaging of tissues was obtained with a photoacoustic point scanning system. The photoacoustic phase-resolved method provides a basis for viscoelasticity imaging, which can potentially be used for detection of viscoelastic properties and lesions of biological tissues.