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     

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     

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.     

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.     

声分辨扫描光声图像的优化处理

利用前期搭建的声分辨光声系统对小鼠耳朵进行扫描成像,获取的光声图像存在部分血管不连续、分辨率较低且边界不够清晰等问题。为了有效提高声分辨光声图像质量,采用连接断点、插值、小波去噪等方法进行预处理;针对插值带来的模糊边界、损失细节等问题提出一种模糊集与分数阶微分小波增强相结合的图像增强方法,设计对比实验,结合信息熵、对比度改善指数和平均梯度等评价指标进行评价。实验结果表明增强后的图像血管连接性好、分辨率更高、高频信息表现更丰富,所提增强方法对光声图像的优化处理有应用潜力。     

液体脉冲光声信号的增强

本文研究了用PZT传感器作液体脉冲光声信号增强的若干因素,其中包括PZT响应频率匹配,多层PZT积叠,光束聚焦及溶剂增强等。实验结果表明,这些措施都能使光声信号增强,有效地提高光声检测的灵敏度。     

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.     

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.     

吲哚菁绿对大鼠脑皮层血管近红外光学特性及光学相干层析成像的影响

研究观察了吲哚菁绿(ICG)对大鼠脑皮层血管近红外光谱学特性及光学相干层析成像(OCT)的影响。实验中,将SD大鼠颞部开颅,暴露并标记大脑中动脉,给予动物尾静脉注射ICG溶液,应用可见-近红外反射光谱仪和OCT系统检测脑皮层血管反射光谱的动态变化和衰减系数的特征性变化。结果显示,ICG注射后,大脑中动脉的反射光谱在ICG的吸收峰(800nm)左右出现一个特异性的低反射峰并随时间而逐渐变化;在注射ICG 3min时,本特异性低反射峰值达到最强,反射光谱的特征性变化可以为实现最佳OCT图像效果提供时间点。此外,ICG注射后的脑动脉OCT信号衰减系数为24.692±1.471,明显高于未注射ICG时15.088±1.602(p<0.01)。实验结果说明ICG可以增加血管对近红外光的吸收,为增强血管的检测能力提供理论参考,也为无损监测血管病变、肿瘤血管新生及血液动力学变化提供一种可行性检测手段。     

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.     

Spectral triangulation molecular contrast optical coherence tomography with indocyanine green as the contrast agent

We report a new molecular contrast optical coherence tomography (MCOCT) implementation that profiles the contrast agent distribution in a sample by measuring the agent's spectral differential absorption. The method, spectra triangulation MCOCT, can effectively suppress contributions from spectrally dependent scatterings from the sample without a priori knowledge of the scattering properties. We demonstrate molecular imaging with this new MCOCT modality by mapping the distribution of indocyanine green, a FDA-approved infrared red dye, within a stage 54 Xenopus laevis.     

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     

Three-dimensional laser-induced photoacoustic tomography of mouse brain with the skin and skull intact

Three-dimensional laser-induced photoacoustic tomography, also referred to as optoacoustic tomography, is developed to image animal brain structures noninvasively with the skin and skull intact. This imaging modality combines the advantages of optical contrast and ultrasonic resolution. The distribution of optical absorption in a mouse brain is imaged successfully. The intrinsic optical contrast reveals not only blood vessels but also other detailed brain structures, such as the cerebellum, hippocampus, and ventriculi lateralis. The spatial resolution is primarily diffraction limited by the received photoacoustic waves. Imaged structures of the brain at different depths match the corresponding histological pictures well.     

近红外光谱的阵列扫描式灵敏度法探测颅脑血肿

利用近红外光谱技术对脑组织进行检测实现脑血肿的定位一直以来都是无损光学诊断的研究热点。为了实现开放式全方位的精准探测,基于功能性近红外光谱技术提出一种新的方法-阵列扫描式灵敏度法,即建立全方位阵列探测器,通过单边阵列式扫描检测来获取不同探测位置的光通量,计算每个探测器的探测灵敏度,就能得到全方位的探测信息。首先,建立单层有限元模型,设置光学参数、光源、探测位置及边界条件,将仿真结果与蒙特卡洛的运行结果进行对比,验证有限元模型条件设置的准确性。其次,根据人脑组织结构建立脑部模型,在模型中插入血肿,选择波长为850 nm的近红外光作为光源,设置该波长下各层生物组织的光学参数,模拟光子在正常脑组织与含血肿脑组织中的传播,在距光源不同位置的探测器处检测到多组光通量数据,处理数据后发现有限元仿真软件在图像、数据方面反映了血肿对光的传播有极大影响。为研究探测到的光通量信息与血肿位置之间的关系,基于近红外光谱技术采用阵列扫描式灵敏度法分别改变组织内血肿的方位、横向位置与纵向深度,在距光源不同的探测位置处检测到多组光通量数据,处理数据后建立血肿位置与对应探测灵敏度之间的关系图进行分析。结果显示采用阵列扫描式灵敏度法,近红外光谱技术能准确探测血肿的方位信息与横向信息,且血肿位于源-探测距离中间时,探测效果最佳,而纵向深度只影响光子穿过较深层组织的概率,位置越深,光子的穿过率越小,探测灵敏度越小。由此得出,基于阵列扫描式灵敏度法可以实现颅脑组织内一定深度处血肿的快速准确定位,为近红外光谱技术的光学成像、检测组织内部肿瘤等提供了新思路和有效参考。     

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。     

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.