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。     

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.     

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。     

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.     

生物医学光声成像的研究进展

光声成像是21世纪初发展起来的新兴的生物医学成像技术,它同时具备光学成像和声学成像两者的优点,因而备受关注。本文对生物医学光声成像的发展进行了综述。首先,介绍了光声成像的特点以及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,在成像原理上解释了光声成像优点的成因,并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技术;再次,详细介绍了多尺度的光声图像分辨率和成像深度,以及多信息维度的光声成像参数;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。     

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.     

光学应用 光学生物学应用

Q333∥Q6322006054789光声成像及其在生物医学中的应用=Photoacoustic tomo-graphy and applications in medical clinic diagnosis[刊,中]/谷怀民(华南师范大学激光生命科学研究所.广东,广州(510631)),杨思华…//生物化学与生物物理进展.—2006,33(6).—431-437对光声成像技术的机理、光声成像技术和方法、光声图像重建算法以及光声成像在生物医学上的应用情况作了简单介绍,希望有助于推动我国在该领域的科研和开发应用工作的迅速发展。图3参38(严寒)Q3362006054790基于ICCD的快速荧光显微成像技术及在活细胞研究中的初步应用=ICCD-ba…     

荧光寿命显微成像技术及应用的最新研究进展

由于荧光寿命不受探针浓度、激发光强度和光漂白效应等因素影响,荧光寿命显微成像技术(fluorescence lifetime imaging microscopy, FLIM)在监测微环境变化、反映分子间相互作用方面具有高特异性、高灵敏度、可定量测量等优点,近年来已被广泛应用于生物医学等领域.然而,尽管FLIM的发明和发展已历经数十年时间,其在实际应用中仍然面临着许多挑战.例如,其成像分辨率受衍射极限限制,而其成像速度与成像质量和寿命测量精度则存在相互制约的关系.近几年来,相关硬件和软件的快速发展及其与其他光学技术的结合,极大地推动了FLIM技术及其应用的新发展.本文简要介绍了基于时域和频域的不同寿命探测方法的FLIM技术的基本原理及特点,在此基础上概述了该技术的最新研究进展,包括其成像性能的提升和在生物医学应用中的研究现状,详细阐述了近几年来研究者们通过硬件和软件算法的改进以及与自适应光学、超分辨成像技术等新型光学技术的结合来提升FLIM的成像速度、寿命测量精度、成像质量和空间分辨率等方面所做的努力,以及FLIM在生物医学基础研究、疾病诊断与治疗、纳米材料的生物医学研究等方面的应用,最后对其未来发展趋势进行了展望.     

光学相干断层扫描成像新技术OCT

光学相干层析成像技术（optical coherence tomography,简称OCT）是一种新型成像方法,在生物医学和材料等许多领域有广泛的应用。本文介绍了OCT的基本原理,并给出了用该装置对生物组织样品的成像结果。此外还用计算机图像处理的方法,使得图像分辨率得到了进一步提高。     

利用荧光CT实现生物医学样品内元素分布的无损成像

荧光CT是一种可无损重建元素空间分布的发射型断层成像技术,对生物医学研究具有重要意义.同步辐射的高通量、高准直和能量可调等特性使荧光CT的生物医学应用成为可能.文章通过优化设计,在上海同步辐射光源建立了一套用于生物医学样品微量元素分析的荧光CT成像系统.通过对实验装置的优化,提高了系统的数据采集速度和空间分辨率.将极大...     

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     

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.     

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.     

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。     

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.     

Photoacoustic microscopy

Photoacoustic microscopy (PAM) is a hybrid in vivo imaging technique that acoustically detects optical contrast via the photoacoustic effect. Unlike pure optical microscopic techniques, PAM takes advantage of the weak acoustic scattering in tissue and thus breaks through the optical diffusion limit (∼1 mm in soft tissue). With its excellent scalability, PAM can provide high‐resolution images at desired maximum imaging depths up to a few millimeters. Compared with backscattering‐based confocal microscopy and optical coherence tomography, PAM provides absorption contrast instead of scattering contrast. Furthermore, PAM can image more molecules, endogenous or exogenous, at their absorbing wavelengths than fluorescence‐based methods, such as wide‐field, confocal, and multi‐photon microscopy. Most importantly, PAM can simultaneously image anatomical, functional, molecular, flow dynamic and metabolic contrasts in vivo. Focusing on state‐of‐the‐art developments in PAM, this Review discusses the key features of PAM implementations and their applications in biomedical studies.     

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