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.     

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。     

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.     

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     

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...     

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.     

定量光声层析成像的研究进展

光声层析(Photoacoustic tomography,PAT)成像结合了超声成像的高分辨率和光学成像的高对比度的优势,是一种新型的生物医学成像模式。PAT成像算法包含两个逆问题,即根据组织产生的光声信号构建初始声压分布图(即图像重建)以及在此基础上估算成像区域的光学特性参数。后者是一个非线性的不适定问题,通常称为定量光声层析(Quantitative photo-acoustic tomography,q PAT)成像。本文在介绍光声成像原理的基础上,对主要的q PAT算法进行综述,讨论各自的优势和不足,并对未来可能的发展方向进行展望。     

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     

时域光声谱技术及其在生物组织检测中的应用

当强度调制的光束照射于吸收物质,周期性热流使周围的介质热胀冷缩而激发声波,这种将光能转化为声能的现象称为光声效应。基于光声效应的时域光声谱技术将光学和声学有机地结合,为生物组织的无损检测技术提供了新的检测手段。该技术能够实现类似光学技术的高对比度和近似于声学技术的高精度和穿透深度,在生物医学检测中具有广阔的应用前景。文章介绍时域光声谱技术的原理及其在生物组织成分检测和层析成像检测中的应用。     

利用维纳滤波改善声透镜光声成像系统的分辨率

为了克服衍射效应对光声成像系统分辨率的限制,需要采用逆卷积方法进行图像反演.从理论上分析了声透镜成像原理,模拟仿真了声透镜的点扩展函数对声透镜成像系统分辨率的影响和维纳滤波解卷积方法复原光声成像的过程,并利用自搭建的声透镜光声成像系统进行了深入的实验研究,得到了物平面上相距4 mm和3 mm的两个黑胶带点的直接成像光声...     

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.     

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.     

Multiple information extracted from photoacoustic radio-frequency signal and the application on tissue classification

Photoacoustic imaging is a hybrid biomedical imaging technique, combining rich optical contrasts and good acoustic resolution in deep tissues. As a noninvasive and nonionized imaging method, photoacoustic imaging has shown great potentials in biomedicine in the past decade. In this review, we give a brief introduction of the physical principle and three major implementations of photoacoustic imaging. Then, we present pictures of some recent progress about the extraction of new imaging parameters from photoacoustic radio-frequency signals. These parameters are highly associated with the tissue microstructure characteristics, including characteristic size, number density, and elasticity. This information could give us insight into various properties of tissue in-depth and be applied to tissue classification for basic research and clinical settings.     

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     

基于OPO脉冲激发的血糖光声检测影响因素研究

构建了一套基于侧向模式的光学参数振荡(optical parameter oscillator,OPO)脉冲激光激发-超声传感的血糖光声检测系统,并且将激发波长、激光能量、探测频率和温度等对血糖光声检测的影响,在系统结构上进行了有效融合。然后,以不同浓度的葡萄糖溶液作为测试样品,实验研究了几个因素(激发波长、激光能量、探测频率和温度等)对葡萄糖光声检测和浓度预测的影响。实验得到了不同浓度葡萄糖溶液在不同影响因素条件下的葡萄糖实时光声信号和光声峰峰值,同时,为了得到不同因素对葡萄糖光声值和浓度预测的影响规律,通过线性回归算法建立了葡萄糖光声峰峰值与各因素变化,以及不同因素下光声峰峰值与浓度梯度的映射关系模型。实验和模型预测结果表明：相比1 200和1 300 nm波长而言,1 064 nm波长下的葡萄糖光声峰峰值与浓度梯度模型预测效果最好,模型相关系数达到0.986;葡萄糖光声峰峰值随着脉冲激光输出能量的增大呈线性增大趋势,且葡萄糖浓度预测准确度随着激光输出能量增大有所提高;根据不同探测频率的超声探测器捕获的葡萄糖光声峰峰值与浓度梯度建模效果来看,响应频率为1 MHz的超声探测器相比2.5和10 MHz的超声探测器,在葡萄糖光声信号探测上具有更好的探测效果;最后,实验发现,葡萄糖光声峰峰值随着温度和浓度的增大均呈线性增大趋势,且浓度预测误差随着温度的升高逐渐增大。     

Noncontact photoacoustic imaging achieved by using a low-coherence interferometer as the acoustic detector

We report on a noncontact photoacoustic imaging (PAI) technique in which a low-coherence interferometer [(LCI), optical coherence tomography (OCT) hardware] is utilized as the acoustic detector. A synchronization approach is used to lock the LCI system at its highly sensitive region for photoacoustic detection. The technique is experimentally verified by the imaging of a scattering phantom embedded with hairs and the blood vessels within a mouse ear in vitro. The system's axial and lateral resolutions are evaluated at 60 and 30?μm, respectively. The experimental results indicate that PAI in a noncontact detection mode is possible with high resolution and high bandwidth. The proposed approach lends itself to a natural integration of PAI with OCT, rather than a combination of two separate and independent systems.     

Feasibility of photoacoustic tomography for ophthalmology

For the eyeball composed of membrane and liquid, the contrast of ultrasound imaging is not high due to its small variance in acoustic impedance. As a new imaging modality, photoacoustic tomography combines the advantages of pure optical and ultrasonic imaging together and can provide high resolution, high contrast images. In this paper, the feasibility of photoacoustic tomography for ophthalmology is studied experimentally. A Q-switched Nd:YAG pulsed laser with 7-ns pulse width is used to generate photoacoustic signal of a porcine eyeball in vitro. The two-dimensional (2D) optical absorption image of the entire eyeball is reconstructed by time-domain spherical back projection algorithm. The imaging results agree well with the histological structure of the eyeball and show a high imaging contrast.