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     

光声信号的声透镜层析成像研究

提出了一种用声透镜实现光声层析成像的新模式。从理论上计算出了声透镜的响应，测出了已知声场中标准物像面处的声场分布。考虑到圆形活塞振源的指向性，对代表物成像进行了理论修正，并与实验结果做了对比分析。研究表明，利用声透镜可以实现光声层析成像，并经图像重构得到了生物组织中异物的光声图像，横向、纵向分辨力较高。     

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.     

成像深度对光声层析成像的影响

为了研究不同成像深度对光声层析成像质量的影响,利用多元线性阵列探测器在有限方位进行探测成像。由仿真和实验结果表明,吸收体离探测器越近,其成像效果较好,当多元线性阵列探测器的尺寸与成像深度比小于1时,重建图像畸变明显。在这种情况下,采用旋转扫描探测,其成像效果明显提高。该研究结果对光声层析成像扫描轨迹的设计、成像效果评估具有较好的参考价值。     

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...     

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.     

样品散射对频域光学相干层析成像光谱形状和深度分辨率的影响

研究了样品散射性质对频域光学相干层析成像干涉谱信号和深度分辨率的影响。理论分析和模拟结果表明:样品散射使干涉谱信号的强度分布发生改变且向长波方向偏移,进而降低了成像的深度分辨率;样品的散射系数越大、深度越深,偏移越严重,深度分辨率降低越多;使用相应的校正函数可以提高深度分辨率。     

光声成像的未来

1 光学成像的动机及其面临的挑战 目前已经有很多不同的医学成像技术。第一个技术是X射线成像,它是最早的医学成像。伦琴在1895年发现了X射线,从而诞生了医学成像这个新的领域。第二个技术是20世纪70年代发明的X射线CT,也就是计算层析成像。之后是超声成像,它历史悠久,在二战期间就已经开始发展,但没有用于医学,它的前身被称为“声纳”。较新的技术是核磁共振,它发明于20世纪70年代。相比其他成像方法,MRI（核磁共振成像）能进行功能成像,比结构成像进了一大步。     

不同旋转扫描次数对光声层析成像的影响

为了实现单元探测器高质量的快速光声图像重建,提出了不同旋转扫描次数对光声层析成像的影响方案。实验采用的光源为YAG激光器,波长为1 064 nm,重复频率为20 Hz,脉宽为7 ns,探测器为针状的PVDF膜水听器,接收直径为1 mm,得到了26个字母、12根头发丝、树叶骨架和模拟血管的光声重建图像。由仿真和实验结果表明,在不牺牲光声重建图像质量的前提下,单元探测器环形扫描一圈,均匀采集100个位置的信号,图像重建时间为5.903 s。该研究结果对于单元探测器的快速旋转扫描成像和环形阵列探测器阵元数的设计具有一定的指导意义。     

基于聚焦声场模型的光声层析成像时间延迟快速校正反投影方法

光声层析成像是一种发展迅速的成像技术,其可提供生物组织的结构和功能信息,结合了光学成像高光学对比度与声学成像高穿透深度的优点.然而,由于现有的反投影成像算法通常将围绕目标扫描的超声换能器等效为一个点探测器,导致非中心成像区域图像的切向模糊,严重影响了图像质量.本文提出一种新的光声层析成像算法,其采用聚焦声场等效模型,可以快速有效地克服换能器孔径效应所造成的声场畸变,恢复非中心成像区域的切向分辨率.仿真结果表明,该方法对直径5 mm,距离旋转中心6 mm的目标,切向分辨率提升至少达2倍.实验结果表明,该方法可以有效地恢复边缘图像的切向模糊,使得复杂目标的微小结构能被清晰探测.这种新方法为传统的反投影方法提供了一种有价值的替代选择,对基于圆/球扫描的光声层析成像系统的设计具有重要的指导作用.     

Photoacoustic Tomography of Biological Sample Using Phase-controlled Focus Algorithm

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｏｐｔｉｃａｌｔｏｍｏｇｒａｐｈｙｏｆｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｍｅｄｉａｓｕｃｈａｓｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｔｉｓｓｕｅｓｉｓａｎｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙａｃｔｉｖｅｆｉｅｌｄｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｉｎｎｏｎｉｎｖａｓｉｏｎ ,ｎｏｎｉｏｎｉｚａｔｉｏｎａｎｄｏｐｔｉｃａｌｃｏｎｔｒａｓｔｗｈｅｎｉｔｉｓｕｓｅｄｆｏｒｂｉｏｍｅｄｉｃａｌｄｉａｇｎｏｓｉｓ[1] .Ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｏｐｔｉｃａｌｉｍａｇｉｎｇｉｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅ…     

声速不均匀介质的光声成像重建算法

为提高声速不均匀介质的光声成像精度,提出一种基于反卷积的光声成像重建算法.本算法不需预先知道介质的声速分布.先通过探测到的光声信号构造出一个新函数,并用不同位置探测到的光声信号间的相关性来估计空间两点间的声波传播时间,以补偿声速的不均匀性.然后基于反卷积方法由该函数解出待测组织内的电磁波吸收分布.仿真研究结果表明,当介质声速差异在10%以内时,重建图像能正确反映待测目标的大小、位置和电磁波吸收系数,算法具有良好的抗噪性能.由于生物软组织内的声速差异一般小于10%,因此本算法是一种有效的光声成像重建算法.     

Photoacoustic Tomography of Biological Sample Using Phase-controlled Focus Algorithm

Photoacoustic (PA) imaging is a new imaging modality, which converts pressure signals received by a scanning detector to a local distribution of electromagnetic absorption density. In this paper an experiment result of a photoacoustic tomography to depths of ～7 mm for a real tissue is presented, using a 532-nm pulse YAG laser. The time-resolved stress detection technique was used for PA signal detection with a high temporal resolution. A phase-controlled focus algorithm was used for image reconstruction. Images of different depth profiles in tissue were obtained. The depth resolution was 30 μm and could be up to 10 μm using a wide-band tranducer.     

Optimization of the Acoustic Pressure Distribution in a Resonant Photoacoustic Cell

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｔｈｅｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ,ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｉｒｅｃｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｈｅａｔｇｅｎｅｒａｔｅｄｉｎｎｏｎｒａｄｉａｔｉｖｅｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ,ｉｓａｍｅｔｈｏｄｏｆａｂｓｏｌｕｔｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ.Ｉｎｔｈｅｃａｓｅｏｆｗｅａｋａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ,ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃｓｉｇｎａｌｓａｒｅｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｔｏｔｈｅｌｉｇｈｔａｂｓｏｒｂｅｄｂｙｓａｍｐｌｅｓａｎｄｈｅｎｃｅｔｏ…     

基于滤波反投影的光声图像重建

 为了进一步提高光声重建图像的质量,采用滤波反投影算法进行图像重建。实验所用的光源为YAG激光器,波长为1 064 nm,重复频率为20 Hz,脉宽为7 ns,探测器为针状的PVDF膜水听器,接收面的直径为1mm,得到了4个圆形吸收体和5根头发的光声重建图像。仿真和实验结果表明：通过对信号进行滤波,能很好地抑制噪声信号,明显提高图像的对比度和分辨率。     

利用近红外光激发的光声血管造影成像

利用近红外光结合对应波长的光吸收增强对照剂来实现在体小鼠脑皮层血管的光声成像.近红外光在生物组织上有较深的穿透能力;而作为光吸收增强剂的外源染料吲哚菁绿注射到血液系统后则增加了血管对光的选择性吸收,从而增强了血管光声信号的强度.实验在不破坏脑头皮和头盖骨的前提下,通过静脉注射吲哚菁绿,获得小鼠脑皮层血管的光声造影成像.光声重建的血管网络与小鼠脑部解剖照片相当符合.实验结果证明近红外光结合光吸收增强剂的光声血管造影技术对于开展光声脑功能成像,光声分子成像提供了潜在的可行性. 关键词： 光声成像 光吸收增强剂 血管造影 光声信号     

对光声成像系统中声透镜的二元声学研究

基于二元声学的方法提出了一种折射／衍射混合声透镜设计方案,该声透镜在对光声信号进行二维成像时体现出了极大的优越性,与单声透镜相比,除了有实时成像、成像焦深较大且可以利用时间分辨技术实现层析成像的优点外,还可以利用二元声学透镜独特的色散特性校正单声透镜的轴向色差,可以极大提高成像的分辨力。通过计算机模拟了有一定带宽的点声源通过该声透镜像面上的点扩展函数,与经单声透镜的结果比较,可以看出点扩展函数弥散斑得到明显改善,极大地消除色差对成像质量的影响。