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.     

In vivo dark-field reflection-mode photoacoustic microscopy

Reflection-mode photoacoustic microscopy with dark-field laser pulse illumination and high-numerical-aperture ultrasonic detection is designed and implemented in noninvasively imaged blood vessels in the skin in vivo. Dark-field optical illumination minimizes the interference caused by strong photoacoustic signals from superficial structures. A high-numerical-aperture acoustic lens provides high lateral resolution, 45-120 microm in this system. A broadband ultrasonic detection system provides high axial resolution, estimated to be approximately 15 microm. The optical illumination and ultrasonic detection are in a coaxial confocal configuration for optimal image quality. The system is capable of imaging optical-absorption contrast as deep as 3 mm in biological tissue.     

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     

一种基于双波长的光声测温技术

光声测温是一种利用光声效应来进行温度监控的新方法,具有非侵入式、高灵敏度和探测深度较深等优点.但现有的单波长光声测温方法极易受到系统及测量环境干扰而导致测量精度降低.为了解决这一问题,本文提出了一种双波长光声温度测量方法.在光声测温理论的基础上,分析推导了双波长光声测温的基本原理,并进行了仿体及离体组织样品的双波长光声测温实验.实验结果显示,与传统单波长模式相比,双波长模式下的光声温度测量误差明显减小,测量精度平均提高35%以上.研究结果表明双波长光声测温方法能够有效提高光声温度测量的精度和稳定性,可作为一种更精准的光声温度监控方法应用于医疗手术等领域.     

Double-illumination photoacoustic microscopy

Recent developments of optical-resolution photoacoustic microscopy (OR-PAM) have improved its spatial resolution and imaging speed. However, the penetration depth of OR-PAM is still limited to ~1 mm in tissue, owing to the strong tissue scattering. Here, we have developed double-illumination PAM (DI-PAM), which illuminates the sample from both top and bottom sides simultaneously. Through phantom and in vivo experiments, we have demonstrated for thin targets that DI-PAM has a penetration depth of ~2 mm in tissue at 532 nm and a focal zone of 260 μm, both significant improvements over traditional reflection or transmission-mode OR-PAM.     

In vivo flow speed measurement of capillaries by photoacoustic correlation spectroscopy

We recently proposed photoacoustic correlation spectroscopy (PACS) and demonstrated a proof-of-concept experiment. Here we use the technique for in vivo flow speed measurement in capillaries in a chick embryo model. The photoacoustic microscopy system is used to render high spatial resolution and high sensitivity, enabling sufficient signals from single red blood cells. The probe beam size is calibrated by a blood-mimicking phantom. The results indicate the feasibility of using PACS to study flow speeds in capillaries.     

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.     

超声换能器带宽对光声成像的影响

研究了不同尺寸吸收体产生的光声压的频谱特性：对于厘米量级、毫米量级和几百个微米量级的吸收体,产生光声压频谱的主要范围分别约为20～300kHz、70kHz～2．5MHz和400kHz～20MHz;讨论了不同频率范围的光声信号对重建图像的影响,低频段的光声信号能反映物体的非边界区域,而高频段的光声信号能突出物体的细微结构,尤其是物体的边界特征。提出了不同尺寸的吸收体要选用或设计不同带宽范围的探测器进行检测的方法．当探测器的带宽范围与光声压频谱范围基本吻合时,损失的频率成份较少,重建的光声图像效果较好,这一结论在仿真和实验结果中都得到了证明。实验用的光源为YAG激光器,波长为532nm,重复频率为30Hz,脉宽为7ns,探测器为针状的PVDF膜水听器,接收面积的直径为1mm。     

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.     

Laser-induced photoacoustic spectroscopy investigation of colon phantom tissue

This paper discusses laser-induced photoacoustic investigations; it concerns a non-destructive technique for the determination of the thermal diffusivity of colon phantom tissue employing open photoacoustic cell configuration.     

Enhanced photoacoustic imaging in tissue-mimicking phantoms using polydopamine-shelled perfluorocarbon emulsion droplets

The current work features process parameters for the ultrasound (25 kHz)-assisted fabrication of polydopamine-shelled perfluorocarbon (PDA/PFC) emulsion droplets with bimodal (modes at 100–600 nm and 1–6 µm) and unimodal (200–600 nm) size distributions. Initial screening of these materials revealed that only PDA/PFC emulsion droplets with bimodal distributions showed photoacoustic signal enhancement due to large size of their optically absorbing PDA shells. Performance of this particular type of emulsion droplets as photoacoustic agents were evaluated in Intralipid®–India ink media, mimicking the optical scattering and absorbance of various tissue types. From these measurements, it was observed that PDA/PFC droplets with bimodal size distributions can enhance the photoacoustic signal of blood-mimicking phantom by up to five folds in various tissue-mimicking phantoms with absorption coefficients from 0.1 to 1.0 cm⁻¹. Furthermore, using the information from enhanced photoacoustic images at 750 nm, the ultimate imaging depth was explored for polydopamine-shelled, perfluorohexane (PDA/PFH) emulsion droplets by photon trajectory simulations in 3D using a Monte Carlo approach. Based on these simulations, maximal tissue imaging depths for PDA/PFH emulsion droplets range from 10 to 40 mm, depending on the tissue type. These results demonstrate for the first time that ultrasonically fabricated PDA/PFC emulsion droplets have great potential as photoacoustic imaging agents that can be complemented with other reported characteristics of PDA/PFC emulsion droplets for extended applications in theranostics and other imaging modalities.     

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。     

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。     

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.     

Photoacoustic Tomography of Biological Sample Using Phase-controlled Focus Algorithm

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｏｐｔｉｃａｌｔｏｍｏｇｒａｐｈｙｏｆｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｍｅｄｉａｓｕｃｈａｓｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｔｉｓｓｕｅｓｉｓａｎｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙａｃｔｉｖｅｆｉｅｌｄｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｉｎｎｏｎｉｎｖａｓｉｏｎ ,ｎｏｎｉｏｎｉｚａｔｉｏｎａｎｄｏｐｔｉｃａｌｃｏｎｔｒａｓｔｗｈｅｎｉｔｉｓｕｓｅｄｆｏｒｂｉｏｍｅｄｉｃａｌｄｉａｇｎｏｓｉｓ[1] .Ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｏｐｔｉｃａｌｉｍａｇｉｎｇｉｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅ…     

基于代数重建算法的有限角度扫描的光声成像

由于滤波反投影重建算法要求对成像区域进行全方位扫描以获取完全投影数据,它需要较长时间采集大量数据,使其在医学上的应用受到限制。研究了在有限角度下采用代数重建算法进行光声成像的方法,实验用的光源为YAG激光器,波长为1064nm,重复频率20Hz,脉宽为6ns,探测器为针状的磺化聚二氟乙烯(PVDF)膜水听器,接收面积的直径为1mm,从仿真和实验结果表明该方法适用于“非完备投影数据”的光声层析成像。从图像重建效果上与滤波反投影算法相比较,该成像算法提高了重建图像的分辨率和对比度。采用代数重建算法的有限角度的光声成像方法,对临床医学的无损伤检测,具有重要的意义。     

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。     

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.     

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.     

基于低温光声光谱技术的YBa2Cu3O7-δ超导转变过程

利用低温光声系统实时采集高Tc超导材料超导转变过程光声信号,是高Tc超导材料超导机理研究的一种新的实验方法。选取YBa₂Cu₃O_7-8超导体作为试样,分别构建常态→超导态（试样降温过程）和超导态→常态（试样升温过程）,得到转变过程光声信号对比图,并依据光声光谱图对试样失超现象作出可能的解释。