生物组织光声成像技术综述

光声成像是一种低功率、非电离的成像方式,既具有声学方法对深层组织成像分辨率高的优点,又具有光学方法在功能成像、分子成像方面具有高对比度的优势。本文回顾了近年来,光声成像技术在生物医学领域的研究进展,介绍了光声成像的基本成像原理。以此为基础,本文介绍了光声成像的两种主要成像方案：光声断层成像和光声显微镜,并且讨论了光声成像在获取生物组织化学成分信息和微结构信息方面的优越性;最后,本文对光声成像技术的优点和应用前景进行了总结。     

生物医学光声成像技术及其临床应用进展

样品被短脉冲激光照射后会受激产生超声波,这种现象被称为光声效应。随着激光器技术及超声探测技术的进 步,基于此效应的光声成像技术已成为生物医学成像领域发展最快的技术之一。光声成像作为一种混合型的成像方式, 结合了光学成像的高对比度和光谱识别特性,以及超声成像大穿透深度下仍具备较高分辨率的特点。光声成像技术不仅 可对包括血红蛋白、脂肪在内的多种组织成分进行高特异性成像,还能灵敏的反映包括血氧含量、氧代谢率等生理特征 的变化,与超声技术的形态和结构成像具有很强的互补性,已在临床及生物医学研究领域体现出巨大的应用潜力。光声 成像技术的这些特性使其在恶性肿瘤、心血管疾病、微循环异常等疾病的成像诊断和治疗引导中具有重要的应用前景。 文章小结了本课题组在光声成像技术领域最近取得的一些新进展,包括利用解卷积技术进一步提高光声显微成像分辨 率;利用压缩感知技术降低数据采集量,提高光声层析成像的速度;利用自制的纳米探针,实现光声分子成像和光热治 疗。光声成像技术的这些进步使其在癌症、心脑血管疾病等方面的诊断和治疗更具有可行性,文章最后回顾了光声成像 技术在乳腺癌、前哨淋巴结及血管内成像等方面的临床应用和研究进展。     

基于改进固定点迭代方法的深层活体量化光声成像

针对限制视图下光声图像的重建伪影问题，提出一种改进的固定点迭代量化光声成像方法。首先，通过传统的反投影重建算法重建由探测器探测到的原始光声压数据，得到原始的光声压图像；接着，利用自适应维纳滤波算法对原始的光声压图像进行滤波去除重建图像伪影；然后，通过光传输模型求解目标成像区域的光通量；最后，进行迭代计算，获得目标组织的光学吸收系数。此外，在求解光通量过程中引入Toast++软件来实现光传输模型的前向求解，提高量化成像的效率和精确性。仿体和活体实验结果表明，与传统固定点迭代方法相比，所提方法能够获取更高质量的光声图像，重建得到的深层量化光声图像中存在较少伪影；量化重建的深层目标组织的光学吸收系数与浅层目标组织的光学吸收系数的数值非常接近，前者约为后者的70%，能实现深层生物组织光学吸收系数的定量重建。     

高灵敏激光光声光谱仪

通过分析光声池的结构和形状对光声技术探测灵敏度的影响,并结合光学长程技术,研制出适用于气体分子泛频测量的高灵敏腔外激光光声光谱仪,探测限达4.98×10-9cm-1(信噪比11).记录了AsH3分子振动量子数6-0的泛频跃迁.灵敏度提高的原因是使用了径向共振光声池和声场优化的增强型光声池,增加了池内的有效光功率,减小了池内的声能损耗,降低了窗噪声的干扰.     

插值方法在光声图像重建中的应用

在光声图像重建的滤波反投影算法中,需要对待测样品进行全方位扫描以获取光声信号数据。但在实际应用当中,超声传感器的采集位置数目和采样角度会受到硬件条件及空间位置的限制,从而造成了重建图像质量的下降。针对上述问题,提出了利用插值方法对光声信号数据进行预处理的解决方案。使用Matlab软件进行了数值仿真,结果表明,通过对插值之后的数据进行重建,图像峰值信噪比得到了明显的提高。     

光声光谱式甲烷气体传感器的研究

根据物体在周期性变化的光的照射下会产生声音信号的现象,提出了一种基于光声光谱理论的甲烷气体检测的方法.根据比尔-朗伯定律,经过调制的平行光束通过不同体积分数的甲烷气体时,其光强将会发生不同程度的衰减,若衰减后的光束进入光声腔,将会在光声腔内产生光声信号,通过测定光声信号的幅值来达到检测甲烷气体体积分数的目的.此方法相对于通常的光谱法,增加了把热能转换为声信号的过程,具有极高的精确性和可靠性,为设计高灵敏度瓦斯传感器的研究提供理论依据.     

超快平面显微成像技术

快速成像技术在很多领域都有着重要的应用,本文基于超短光脉冲的时-空-频映射原理,提出并实现了一种超快平面显微成像技术。利用色散傅里叶变换及空间色散器件把光脉冲的宽带频谱信息分别映射到时域和空域,利用高速光电探测器进行串行单像素成像,最终获得了帧速率为20.9 MHz,空间分辨率为22 μm和55 μm的一维及二维平面成像系统。在实验中用标准的分辨率目标板验证了成像效果。该技术为超快成像提供了一种有效手段,并将应用于高速平面检测等多个领域。     

基于光声光谱技术的多组分气体探测研究进展

多组分痕量气体检测在工业、军事、农业和医疗等领域均有着重要的研究和应用价值。高性能光声光谱技术因其灵敏度高、响应快、选择性高及非接触式实时连续测量等优点受到人们的青睐。本文首先对多组分气体监测需求和光声光谱技术的主要优势和基本原理进行阐述;然后从光源分类的角度出发,介绍了现有多组分气体测量技术的最新研究进展,概括光声光谱中常用的探测方式,包括多路复用技术和干涉型傅里叶变换红外光谱等,并对其具体的适用范围和优缺点进行了对比分析。同时,针对实际应用环境中气体传感系统主要存在的光谱干扰和吸附效应的问题,介绍了相应的解决方法。最后,对光声光谱多组分探测方法的未来发展方向进行了总结和展望。     

生物光声成像中声反射伪影抑制方法的研究进展

生物光声成像(Photoacoustic Imaging,PAI)是一种新型的无创复合功能成像方法.生物组织不均匀的声学特性会使超声波在组织界面处发生反射,导致重建图像中存在伪影和失真,降低图像质量和成像深度.文中综述了目前抑制PAI声反射伪影的主要方法,包括延迟相减法、基于杂波去相关理论的方法、短滞后空间相干法、基于深度学习的方法、光声引导聚焦超声法、基于超声平面波模型的方法和多波长激励的方法等,详细介绍各方法的原理,分析其优势和不足,并展望未来的研究趋势.     

深度学习在有限视角稀疏采样光声图像重建中的应用

光声成像（Photoacoustic imaging,PAI）是一种多物理场耦合的新型功能成像技术,高质量图像重建是提高成像精度的关键。当探测器采集的光声信号数据不完备时,若采用标准重建方法（如反投影、时间反演和延迟求和等）会导致图像质量以及成像深度的下降。迭代重建算法可在一定程度上解决此问题,但存在计算成本高、需合理选择正则化方法等缺点。近年来,深度学习已经成为医学成像领域的首选方法,其在高效率重建高质量图像方面展现出了巨大潜力。本文对深度学习在有限角度稀疏采样光声图像重建中的应用进展进行总结,对主要方法进行分类归纳,并讨论不同方法的优势和不足。     

球形光声腔中二氧化碳的检测

气体光声光谱技术是一种基于光声效应的微量气体检测技术,它具有高灵敏度、高选择性、大动态检测范围的优点,本文从理论上讨论了气体检测球形光声腔共振模式的声学特性,计算表明,与常用的圆柱形光声腔比较,球形光声腔不存在粘滞损耗,具有更好的检测特性;利用球形光声腔和二氧化碳激光器构成的气体光声检测系统,从实验上测量了球形光声腔的共振模式,与理论计算结果一致;实验结果表明注入浓度为300 ppm二氧化碳的球形光声腔所激发的光声信号为5.68 mV,信噪比高达45,尽可能地降低了声波在光声腔内壁附近的热损耗和粘滞损耗,提高了二氧化碳气体检测灵敏度。     

快速在体光声计算层析图像重建方法

针对超声阵列式光声计算层析成像技术数据采集量大、成像速度慢的问题,为拓展该技术在血流动力学等领域的应用,提出一种基于主成分分析(PCA)的快速光声计算层析图像重建方法。该方法首先通过部分全采样数据,构建样本图像矩阵;然后,通过矩阵分解运算构建信号投影矩阵;最后,基于该投影矩阵在三倍欠采样条件下快速重建出高质量三维光声图像。在体小鼠背部血管成像实验表明:与传统反投影光声图像重建方法相比,基于主成分分析的光声图像重建方法可将数据采集规模降低约35%,三维图像重建速度提高约40%,实现了三倍欠采样条件下高精度光声图像的快速采集与重建。     

血管内光声图像的时间反演重建方法

目的 将光声成像与医学内窥技术相结合的血管内光声(IVPA)成像技术可为心血管内易损斑块的检测以及指导介入治疗提供可靠的参考。针对采用单阵元探测器进行圆周扫描的IVPA成像系统,提出基于时间反演(TR)算法的重建IVPA横截面灰阶图像的方法。方法 通过建立超声传播模型,对光声信号的反向传播过程进行模拟,反演得到血管横截面的2维初始光声压分布图像。针对测量位置稀疏和有限角度测量都会造成光声数据不完备,进而导致重建图像质量下降的问题,通过对探测器采集到的光声信号进行样条插值达到提高成像质量以及消除伪影的目的。结果 仿真实验结果表明,与相同测量位置下利用滤波反投影(FBP)算法重建出的图像相比,采用本文算法重建出的图像的结构相似性指标(SSIM)值可提高约65%。结论 该方法能有效地提高IVPA重建图像的质量,为后续图像重建算法的优化提供有益参考。     

复杂运动目标ISAR成像技术进展与展望

逆合成孔径雷达成像是宽带雷达实现目标信 息获取和精细描述的重要途径,但在成像过程中存在复杂运动导致散焦和成像分辨率不高两 个难题。针对目标复杂运动导致成像散焦问题,本文总结了微动对雷达波调制、进动目标成 像、 三维运动成像、分离部件成像等技术现状;针对成像分辨率不高问题,分析了多频段宽带回 波相参配准、融合成像等技术进展。本文介绍了雷达成像新技术,为解决上述两个难题带来 新的思路和途径,其中,雷达关联成像不依赖于雷达与目标的相对运动,可避免成像的复杂 运动补偿;太赫兹雷达成像容易实现大带宽和窄波束,获得目标精细雷达像。最后对新兴技 术的难点和发展趋势进行了展望。     

矿井CH4和煤尘的光声复合检测方法研究

煤矿瓦斯（CH4）爆炸常常与煤尘爆炸相互伴随发生,以往CH4和煤尘的浓度都是分开检测,不利于煤矿瓦斯煤尘爆炸的准确预测。本文利用气体滤波光声技术和光散射原理对矿井气体中CH4和煤尘质量浓度进行复合测量。分别采用两个气体滤波光声腔作为CH4测量光声腔和煤尘参比光声腔（CO测量光声腔）,在光源和光声腔之间建立CH4和煤尘的测量腔,记录其进入该测量腔后光声信号强度的变化,通过对两个滤波波长上CH4吸收和煤尘颗粒消光的相关处理,同时得到CH4浓度和煤尘质量浓度。实验数据表明,光声复合检测方法可以对CH4和煤尘质量浓度进行准确检测,准确度达到10-4数量级。