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。     

Development of a DPET System Using in Tumor Therapy with Heavy Ions

Positron Emission Tomography (PET) is a functional imaging modality used in brain research to map in lively neurotransmitter and receptor activity and to investigate glucose utilization or blood flow patterns both in healthy and disease states. We are developing a Double-sector PET (DPET) system, which is employed as a tumor imaging detector for the heavy-ion therapy at Institute of Modern Physics (IMP).     

Sound field of thermoacoustic tomography based on a modified finite-difference time-domain method

A modified finite-difference time-domain （FDTD） method is proposed for the sound field simulation of the thermoacoustic tomography （TAT） in the acoustic speed inhomogeneous medium. First, the basic equations of the TAT are discretized to difference ones by the FDTD. Then the electromagnetic pulse, the excitation source of the TAT, is modified twice to eliminate the error introduced by high frequency electromagnetic waves. Computer simulations are carried out to validate this method. It is shown that the FDTD method has a better accuracy than the commonly used time-of-flight （TOF） method in the TAT with the inhomogeneous acoustic speed. The error of the FDTD is ten times smaller than that of the TOF in the simulation for the acoustic speed difference larger than 50%. So this FDTD method is an efficient one for the sound field simulation of the TAT and can provide the theoretical basis for the study of reconstruction algorithms of the TAT in the acoustic heterogeneous medium.     

Relation between Characteristic Function of Density Operator and Tomogram

In terms of the intermediate coordinate-momentum representation （Chin. Phys. Lett. 18 （2001） 850） and using the technique of integration within an ordered product of operators, we put the tomography theory into operator version. We reveal the new relation between the tomogram and the characteristic function of the density operator. The new expansion of the density operator in terms of the intermediate coordinate-momentum representation is also obtained.     

宽场光学相干断层成像系统的实验研究和模拟

改进和完善宽场光学相干断层成像技术(WFOCT)的主要方法是从光源、系统光路等方面进行改进.研究WFOCT系统的成像状态和环境状态对系统的横向分辨率的影响,借助ZEMAX光学设计软件模拟该系统的干涉效果,在实验中采用八步移相法来解析样品的二维图像信息,将解析出来的样品图像赋值到图像变量中进行存储显示.实验与模拟结果表明:模拟仿真获得的干涉信号含有对比度和平行度很高的干涉条纹,证明了利用ZEMAX软件模拟仿真干涉系统的可行性.     

基于块稀疏贝叶斯的生物发光断层重建

生物发光断层成像(BLT)是一种非侵入、高灵敏度的光学分子影像技术,可以通过探测生物体表面的光信号重建出生物体内部光源的三维分布情况。由于光在组织中传播时,散射占据主导作用,导致BLT重建问题的病态性,给光源重建带来巨大的挑战。在BLT重建中,基于光源稀疏分布的特征,稀疏正则化方法相比于传统的L2范数正则化取得了显著进展。更进一步,由于生物发光光源的分布具有的空间聚集特征,利用该特征将有助于进一步提高BLT重建的准确性。相比于传统的针对求解域中所有未知量进行稀疏重建的算法,探索了利用块稀疏进行生物发光断层成像重建的可行性,首先通过对系统矩阵进行相关系数分析将求解域划分成一系列数据块,然后利用块稀疏贝叶斯算法对生物发光光源的分布进行三维重建。通过仿真实验与小鼠活体实验,并与传统稀疏重建算法L1-LS进行了比较,结果表明该方法可以有效缓解BLT重建问题的病态性,抑制噪声,并且可提高重建结果的准确性。     

内蒙古卡休他他铁矿断层泥近红外光谱学特征及意义

内蒙古卡休他他铁矿是一个矽卡岩型磁铁矿床,矿区内有多组成矿后期发育的断层。本研究采用近红外光谱(NIR)分析技术对矿区内地下,地表断层泥以及地表土壤进行分析,通过矿物特征峰鉴定发现地下断层泥主要成分为镁铁质矿物,地表断层泥成分为硅铝质矿物,而地表土壤成分则两者兼有之。三组样品的成分分析结果都与采样地的地质背景一致。研究表明,鉴于矿化区内断层泥的主要成分为断层活动形成的粘土及其他早期成矿期的蚀变矿物,近红外光谱分析技术十分适用于此类样品,利用近红外光谱分析,一方面可鉴定断层泥中粘土矿物,进一步推测粘土的蚀变原岩成分。另一方面有也可鉴别成矿期蚀变矿物的种类,从而对热液矿床的研究提供有用的信息。     

断层内破碎岩石渗透性的实验研究

断层破碎带岩石的渗透性是影响地下工程中由渗流失稳而引发灾害事故的重要影响因素之一。利用一种专门的破碎岩石压实渗透仪,在MTS815.02岩石力学伺服试验系统上测试了取自断层内的破碎灰岩、破碎砂岩、破碎泥岩的渗透系数,得到并分析了轴向压力、岩样粒径、水流速度与渗透系数的关系曲线。研究表明:破碎岩石渗透系数与其压实状态密切相关,随着轴压的增加,渗透系数都相应降低;在相同的轴向压力状态下,岩样粒径越小,其渗透系数也越小,因此,挤压程度和充填程度都较低的小断层导水性好,容易导致突水;破碎岩石的渗透系数随着水流速度的增大呈减小趋势,但水流速度对破碎岩石渗透系数的影响程度有限;在相同的压力、粒径情况下,破碎泥岩的渗透系数比破碎灰岩、破碎砂岩的要小1～2个量级,说明当断层上下盘为坚硬岩石时,断层带渗透性好、易导水。研究结果可为采动过程中评价断层的导水性提供参考。     

混凝土单轴压缩下细观损伤特性的CT研究

混凝土是一种非均质的材料,在细观层次上将混凝土看作由骨料、砂浆和两者之间的界面组成的三相复合材料.本文利用CT技术对混凝土的细观损伤过程进行实时扫描观测,获得了混凝土试件实时静力压缩CT图像,提取出图像上各点的CT数并根据分区理论定义了一个基于CT数的统计损伤变量.通过对图像和CT数以及损伤变量的分析表明混凝土试件在静力压缩条件下经历了压密阶段、扩容阶段,损伤急剧增大到破坏的细观损伤演化全过程,以此反映了混凝土细观损伤演化的特性.进而通过细观损伤对混凝土材料裂纹的扩展、贯通以及最后失稳破坏的破坏实质进行了有益的探索.     

快速估计荧光分子断层成像中单个荧光物的深度

荧光分子断层成像支持在体无创研究长时间跨度的分子事件,满足21世纪系统化地观测生命过程的要求。在其复杂且耗时的重建中,先验信息有助于加快重建速度,提高重建图像的质量。文章将求解荧光物的深度作为待优化问题,由单幅荧光图像直接快速地估计深度信息。首先根据生物组织内的扩散模型和外推边界条件,推导出生物体边界上两点处荧光强度的比值R_f。然后用粒子群优化算法,在吸收系数和散射系数的估计区间内,由最小化生物体边界上两点处模型值RM_f与测量值RT_f之间的差,估计出荧光物的深度。不同尺寸荧光物的两个仿体实验的结果表明,所提出的方法不需要网格剖分和重建,能快速简单地估计出单个类似于球体的荧光物的深度。