Noninvasive photoacoustic tomography of human peripheral joints toward diagnosis of inflammatory arthritis

The feasibility of photoacoustic tomography (PAT) in imaging human peripheral joints in a noninvasive manner was demonstrated through studies of cadaver human fingers. Based on the intrinsic optical contrast, intra- and extra-articular tissue structures in the finger at the levels of the joints were visualized successfully with satisfactory spatial resolution. The imaging depth of PAT in the near-infrared region enables the cross-sectional imaging of a human finger as a whole organ. As a novel technology with unique advantages, PAT holds promise for early diagnosis of inflammatory joint disorders and accurate monitoring of disease progression and response to therapy.     

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...     

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     

In Vivo Monitoring of Neovascularization in Tumour Angiogenesis by Photoacoustic Tomography

Photoacoustic tomography （PAT） is presented to in vivo monitor neovascularization in tumour angiogenesis with high resolution and high contrast images in a rat. With a circular scan system, the photoacoustic signal, generated by laser pulses at a wavelength of 532nm from a Q-switched Nd：YAG laser is captured by a hydrophone with a diameter of 1 mm and a sensitivity of 850nV/Pa. The vascular structure around the rat tumour is imaged clearly, with optimal contrast, because blood has strong absorption near this wavelength. Serial noninvasive photoacoustic images of neovascularization in tumour angiogenesis are also obtained consecutively from a growing tumour implanted under the skin of a rat over a period of two weeks. This work demonstrates that PAT can potentially provide a powerful tool for tumour angiogenesis detection in cancer research. It will bring us closer to clinical applications for tumour diagnosis and treatment monitoring.     

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.     

Dual-modal photoacoustic/CT imaging system

Photoacoustic(PA) tomography(PAT) breaks the barrier for high-resolution optical imaging in a strong lightscattering medium, having a great potential for both clinical implementation and small animal studies. However,many organs and tissues lack enough PA contrast or even hinder the propagation of PA waves. Therefore, it is challenging to interpret pure PAT images, especially three-dimensional(3 D) PA images for deep tissues, without enough structural information. To overcome this limitation, in this study, we integrated PAT with X-ray computed tomography(CT) in a standalone system. PAT provides optical contrast and CT gives anatomical information. We performed agar, tissue phantom, and animal studies, and the results demonstrated that PAT/CT imaging systems can provide accurate spatial registration of important complementary contrasts.     

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.     

Reflection-mode photoacoustic microscopy using a hollow focused ultrasound transducer for in vivo imaging of blood vessels

A reflection-mode photoacoustic microscope using a hollow focused ultrasound transducer is developed for highresolution in vivo imaging.A confocal structure of the laser and the ultrasound is used to improve the system resolution.The axial and lateral resolutions of the system are measured to be ～ 32 μm and ～ 58 μm,respectively.Ex vivo and in vivo modes are tested to validate the imaging capability of the photoacoustic microscope.The adjacent vein and artery can be seen clearly from the reconstructed photoacoustic images.The results demonstrate that the reflectionmode photoacoustic microscope can be used for high-resolution imaging of micro-blood vessels,which would be of great benefit for monitoring the neovascularization in tumor angiogenesis.     

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.     

Photoacoustic image reconstruction based on Bayesian compressive sensing algorithm

The photoacoustic tomography (PAT) method, based on compressive sensing (CS) theory, requires that, for the CS reconstruction, the desired image should have a sparse representation in a known transform domain. However, the sparsity of photoacoustic signals is destroyed because noises always exist. Therefore, the original sparse signal cannot be effectively recovered using the general reconstruction algorithm. In this study, Bayesian compressive sensing (BCS) is employed to obtain highly sparse representations of photoacoustic images based on a set of noisy CS measurements. Results of simulation demonstrate that the BCS-reconstructed image can achieve superior performance than other state-of-the-art CS-reconstruction algorithms.     

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。     

声透镜对多层样品的光声层析成像

由于光声效应产生光声压分布图像,所以当强散射介质中的模拟吸光组织在受到短脉冲激光照射时,该声压分布会经声透镜成像在像平面上。在像平面上利用线性超声探测器阵列获取光声信号并传递给高速数据采集卡进行数据采集,可由程序重构出光声图像。设计的光声层析成像系统可以采集记录一定深度的数据,成像时只要在所采集到的数据中选取不同列数即可同时获得强散射介质多层样品不同层面的光声图像。实验成功地获得了强散射介质内多层样品不同层面的光声层析图像。该成像方法无需进行复杂的算法重建,且可以同时实现多层样品不同切面的光声成像。     

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     

光声内窥镜系统在人体直肠癌离体组织中的实验研究

研制了基于4阵列传感器的光声内窥镜探头,并基于此搭建了光声内窥镜成像系统,开展了仿体实验成像研究,通过内窥镜探头4个阵元位置激光吸收强度的变化情况来分析仿体中吸收体的位置,论证了其定位能力,利用光声内窥镜系统对人体离体的正常组织、直肠癌早期组织进行成像研究;通过对不同阵元位置的光吸收强度分布进行统计分析,证明了光声内窥镜对早期直肠癌组织和正常组织的辨别能力,此项技术有望提高直肠癌早期诊断的准确率,具有潜在的临床应用前景。     

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。     

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.     

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...     

共焦扫描光声层析成像技术的研究

报道了一种新的光声层析成像技术－光声傅里叶变换共焦扫描成像技术，并用该技术获得了强散射物质（生物组织）的层析图像，纵向分辨能力小于0．1mm，横向分辨率小于4mm。