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.     

声速不均匀介质热声成像的声场仿真

为了精确表示声速不均匀介质热声成像的声场,提出了一种时域有限差分(FDTD)仿真方法.先用FDTD将热声成像的基本方程离散化,给出描述热声成像的离散差分方程;再对电磁波脉冲进行两次修正,以消除高频电磁波引入的计算误差.计算机仿真研究的结果表明:当介质声速不均匀时,FDTD仿真方法其准确度高于目前常用的飞行时间法.在仿真实验条件下,当介质的声速差异大于50%时,FDTD法的误差比飞行时间法小十倍以上.可见,FDTD方法是一种有效的热声成像声场仿真方法,可以为声速不均匀介质热声成像算法的研究提供理论基础.     

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。     

大尺寸弹性材料中声速的实验室测量方法研究

针对大尺寸弹性材料中声速的测量问题,将传统穿透测量法与分层介质中的射线声学理论相结合,设计了一种在水池中反演测量材料中纵、横波声速的方法.该方法使用水听器接收透过待测材料后到达的高频水声信号,依据实测信号传播时间与理论值比较代价函数,最终利用寻优算法计算材料中的两类声速。本方法既克服了传统方法不能同时获得材料内纵、横波声速的缺点,又可保证待测材料的完整性。利用开发的测量系统,水池实际测量结果的不确定度小于3.5%      

基于频域辐射传输模型的光学成像研究

本文以超短脉冲激光照射参与性介质的光学成像为研究背景,分别构建了短脉冲激光在参与性介质内的频域辐射传输正问题模型和根据边界探测所得频域信号重建介质内部光学参数的逆问题模型。在瞬态辐射传输方程的基础上,利用傅里叶变换得到频域辐射传输方程,采用有限体积法求解频域传输方程,模拟超短脉冲激光在二维参与性介质内传输的过程,得到介质边界的出射频域辐射信号。选取共轭梯度法作为反演算法,采用伴随差分模型求解目标函数梯度,重建了二维非均匀参与性介质内不同位置内含物的光学参数分布。结果表明,基于频域辐射传输方程的伴随差分模型能够较为准确地反演多维参与性介质内的光学参数。     

谱域光学相干层析系统中基于解卷积方法的像质优化

谱域光学相干层析（spectral domain optical coherence tomography, 简记为SD-OCT）系统的轴向点扩散函数（point spread function, 简记为PSF）并不具备空不变特性,无法直接应用于解卷积运算.为实现SD-OCT系统成像质量基于解卷积算法的优化,本文采用数值校正后的轴向扫描信号和轴向有效PSF来实施基于Lucy-Richardson算法的解卷积运算,进而实现了SD-OCT系统中图像质量尤其是轴向分辨率的改善.本文理论分析了SD-OCT系统中导致轴向有效PSF随成像深度增大而下降和图像模糊的因素,阐述了利用解卷积算法实现图像质量优化的过程,基于建立的SD-OCT系统实施了不同成像深度位置处PSF的标定,并利用离散轴向位置处PSF的峰值拟合了轴向有效PSF的调制函数.利用调制函数对所有轴向扫描信号进行数值校正,然后根据轴向有效PSF进行解卷积算法.典型样品的解卷积图像重建结果表明,提出的解卷积方法能有效提高系统的轴向分辨率,同时有效抑制系统灵敏度随成像深度增大而下降的趋势.     

谱域光学相干层析系统中基于解卷积方法的像质优化

谱域光学相干层析（spectral domain optical coherence tomography, 简记为SD-OCT）系统的轴向点扩散函数（point spread function, 简记为PSF）并不具备空不变特性,无法直接应用于解卷积运算.为实现SD-OCT系统成像质量基于解卷积算法的优化,本文采用数值校正后的轴向扫描信号和轴向有效PSF来实施基于Lucy-Richardson算法的解卷积运算,进而实现了SD-OCT系统中图像质量尤其是轴向分辨率的改善.本文理论分析了SD-OCT系统中导致轴向有效PSF随成像深度增大而下降和图像模糊的因素,阐述了利用解卷积算法实现图像质量优化的过程,基于建立的SD-OCT系统实施了不同成像深度位置处PSF的标定,并利用离散轴向位置处PSF的峰值拟合了轴向有效PSF的调制函数.利用调制函数对所有轴向扫描信号进行数值校正,然后根据轴向有效PSF进行解卷积算法.典型样品的解卷积图像重建结果表明,提出的解卷积方法能有效提高系统的轴向分辨率,同时有效抑制系统灵敏度随成像深度增大而下降的趋势. 关键词： 谱域光学相干层析 Lucy-Richardson解卷积 有效点扩散函数     

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.     

基于光子散射的功能成像技术

阐述了基于光子散射模型下的功能成像技术.运用蒙特卡罗方法对光子在介质中的散射路径进行了模拟和分析,从而引入光子散射的概念.通过对光子散射方程的解释引入了散射光子密度波的概念.通过无限大模型下光子密度波的波方程,引出光子密度波的异质模型.建立了基于消元的奇异值弱化重建算法,完成了对病态方程的求解,实现了对内嵌于均匀介质中异质的吸收系数分布图像的重建.在基于光散射成像技术所开发的成像系统平台下实现了异质小球的成像实验,对多个不同浓度的物体完成了成像,探测到介质中由于微小浓度改变而引起的吸收系数变化.     

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。     

具有凝胶外壳金纳米管的可调节近红外光声转换效率

采用有限元方法建立了金属纳米颗粒的光声效应模型,可计算近红外光脉冲激励下不同颗粒的声信号随时间的变化特性。文中以包裹凝胶壳的金纳米管为例,研究凝胶外壳对声压信号的影响,指出凝胶壳能够有效提高金纳米管声压信号幅度,声信号最大可增长至包裹前的6倍左右。进一步研究表明,为获取最强声信号,必须调整金纳米管的结构参数使其表面等离激元共振波长与入射脉冲激光波长相匹配。本工作可以为红外光声造影剂的设计提供参考。      

光声光谱检测装置中光声池的数值计算及优化

利用光声光谱技术进行痕量气体的检测具有独特的优势,光声池是系统装置中最为重要的核心部件,它决定着整机性能的优劣.以一圆柱形共振型光声池为研究对象,基于声学与吸收光谱学的基本理论,建立了光声池声场激发的数学模型;利用数值模拟方法对光声池空腔结构进行了声学模态仿真,获得了前8阶声学模态值以及声压可视化振型;在考虑热黏性声学损耗的作用下,对光声池进行了热-声耦合多物理场仿真计算;将仿真结果与解析计算和实验结果进行对比,明确了利用数值模拟方法来计算光声池有关指标的可靠性与可行性;针对光声池的优化问题,提出了一种将响应面代理模型与遗传算法相结合的优化算法,在将原光声池中的谐振腔两端形貌更改为喇叭口形的情况下,通过优化算法获得了以光声池品质因数Q及池常数C_(cell)为最大值寻优的Pareto最优解集;选取一组解进行考察,结果表明,代理模型预测值与数值模拟值指标最大误差仅为1.3%,优化后的新型光声池Q较之前增长了48.9%, C_(cell)增长了34.4%.研究方法可为光声光谱中光声池的优化设计提供参考借鉴.     

纳秒脉冲激光特性对金纳米球光声响应的影响

由于局部表面等离激元共振现象,金纳米颗粒具有显著的光热效应,而近年来随着人们对精准医疗和非介入性组织成像的需要,作为纳米颗粒光热衍生效应的金纳米颗粒光声效应得到了人们的广泛关注.金纳米颗粒自身特性对其光声效应的影响目前已经得到一定的研究,而对于脉冲激光特性对其光声效应的影响尚缺乏深入探讨,因此,本文对金纳米球在不同脉冲...     

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     

Non-invasive and low-artifact in vivo brain imaging by using a scanning acoustic-photoacoustic dual mode microscopy

Photoacoustic imaging is a potential candidate for in vivo brain imaging, whereas, its imaging performance could be degraded by inhomogeneous multi-layered media, consisted of scalp and skull. In this work, we propose a low-artifact photoacoustic microscopy (LAPAM) scheme, which combines conventional acoustic-resolution photoacoustic microscopy with scanning acoustic microscopy to suppress the reflection artifacts induced by multi-layers. Based on similar propagation characteristics of photoacoustic signals and ultrasonic echoes, the ultrasonic echoes can be employed as the filters to suppress the reflection artifacts to obtain low-artifact photoacoustic images. Phantom experiment is used to validate the effectiveness of this method. Furthermore, LAPAM is applied for in-vivo imaging mouse brain without removing the scalp and the skull. Experimental results show that the proposed method successfully achieves the low-artifact brain image, which demonstrates the practical applicability of LAPAM. This work might improve the photoacoustic imaging quality in many biomedical applications which involve tissues with complex acoustic properties, such as brain imaging through scalp and skull.     

Photoacoustic and laser-induced evaporation effects in liquids

It is shown experimentally that the photoacoustic pressure response in absorbing condensed matter to laser pulses with high frequency modulation of intensity can be used to monitor displacement of the irradiated surface. Some aspects of the processes under investigation are also discussed, including acoustic diffraction effects, features of acoustic reflection from liquid–air and liquid–solid boundaries, explosive boiling, and interference between thermoacoustic and vaporization pressure signals.     

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。     

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.     

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.