光声显微成像技术的研究进展

光声成像作为一种兼具高光学对比度和大超声探测深度的新兴成像方法,突破了传统光学成像技术分辨率与成像深度相互制约的壁垒,获得了空前快速的发展,其中,光声显微成像技术继承了光声成像技术的优点,采用声学或光学聚焦的成像模式,可以实现高对比度、高分辨率的生物组织结构、分子与功能成像,在神经学、眼科、血管生物学和皮肤学等研究领域具有潜在应用价值。为此,首先介绍了光声成像技术的原理和分类,然后围绕光声显微成像(Photoacoustic microscopy, PAM)技术这一主题,重点综述了新型PAM技术的发展情况、PAM焦深（Depth of focus, DoF）延拓技术以及PAM的生物医学应用。最后,总结了PAM技术发展存在的挑战,并对未来发展方向进行了展望。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

光声光谱技术在电厂变压器在线监测中的应用

发电厂作为智能电网的起点,其安全运行的重要性不言而喻,而发电厂中变压器作为发电输电的关键设备,需要长期高负荷运行,一旦发生故障会对电厂的经济效益和社会生产造成巨大影响。光声光谱技术作为一种新的变压器油中溶解气体在线监测技术,相较于传统的气相色谱法有着诸多优势：测量精度高、检测时间短、长期稳定性好、无需载气结构简单、多种气体同时在线监测、显著减少维护成本等。由此可见,光声光谱法更加适用于变压器油中气体在线监测,能够对变压器状况做到实时监测,对典型故障作出预警,增加变压器的安全性和可靠性。实际应用结果表明,具有及其广阔的推广应用前景。     

MEMS光声气体传感器光声腔的研究

光声气体传感器在微量气体探测方面具有许多优势,光声气体传感器的MEMS化可降低成本,提高传感器性能,具有重要的实际意义.依据光声传感器的原理,结合MEMS加工技术,研究制作了一种光声腔,同时,进行了一定的理论模拟,为实现光声气体传感器的MEMS化打下重要基础.     

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。     

信息技术与课程整合新工具——Blog

博客作为个性化的个人知识管理系统,越来越受到教育工作者的青睐并被整合到现代教育中去.本文阐述了博客的含义及其适合课程整合的特征,分析了博客在信息技术与课程整合实践中的应用.     

融合MRI信息的PET图像去噪: 基于图小波的方法

正电子发射断层成像(Positron emission tomography, PET)是一种强大的核医学功能成像模式, 广泛应用于临床诊断, 但PET图像的空间分辨率低且含有噪声, 有必要对PET图像进行去噪以提升PET图像的质量. 随着PET/MR (Magnetic resonance)等一体化成像设备的出现, 磁共振成像(Magnetic resonance imaging, MRI)的先验信息可用于PET图像去噪, 提高PET图像质量. 针对动态PET图像, 提出了一种融合MRI先验信息的PET图像图小波去噪新方法. 首先构建PET合成图像; 再将PET合成图像与MRI信息通过硬阈值方法进行融合; 接着在融合图像上构造图拉普拉斯矩阵; 最后通过图小波变换(Graph wavelet transfrom, GWT)对动态PET图像去噪. 仿真实验结果表明, 与单独的图滤波、图小波去噪方法以及其他结合MRI的PET图像去噪方法相比, 本文方法有更高的信噪比(Signal-to-noise ratio, SNR), 更好地保留了病灶信息; 本文方法的去噪性能与VGG (Visual Geometry Group)深度神经网络等基于学习的方法相当, 但不需要大量数据的训练, 计算复杂度低.     

基于光体积描述记成像技术的非接触低成本生理信息的检测

在最近几十年,人们对低成本、非接触和普适方法测量生理信息(心率、心率变异性、血氧饱和度等)产生了浓厚的兴趣。传统的临床测量生理信息的方法包括Ag/AgCl电极测量心率和心率变异性,二氧化碳分析仪测量呼吸率状态,脉搏血氧饱和度仪测量血氧饱和度。这些方法虽然可以获得完美的信号,但是他们价格昂贵、使用麻烦、不方便。基于光体积描述记成像技术检测生理信息提供了一个人体生理健康检测的新方法。血流速度、血流量和血压可间接地评估血容量,反过来,血容量间接反映了这些生理参数的变换。光在人体组织的反射或透射可以得到血容量的变化。使用电脑摄像头或手机摄像头扑捉的人体皮肤表面成像,通过对成像光信号的处理和分析,获得一些生理信息,如心率、呼吸率、心率变异性和血氧饱和度等。在本文中,我们回顾使用光体积描述记成像技术在非接触健康检测领域里的最新发展,论述面临的挑战和将来的发展方向。     

自发荧光成像中光子传输蒙卡仿真的并行实现

在生物自发光成像领域,将基于蒙特卡罗方法的光子前向传输仿真进行并行化,提高了仿真的速度。首先介绍了所采用的一系列并行机制和串行加速算法,然后分别对并行仿真结果进行正确性验证和性能验证,并与软件MOSE、triMC3D的结果进行了对比,最后对该并行平台进行了总结和展望。     

高性能计算机系统中可视化负载信息的获取及性能分析工具:THPTii

由于并行应用程序的运行效率往往很低，如何帮助程序员提高性能成为高性能计算中的重要问题，本文介绍了一个基于MPI的性能评价工具，它可以在应用程序运行的同时是收集系统负载信息，跟踪程序流程，根据硬件资源情况对处理机进行分组，并将负载信息和程序流程同时以图形方式展示，程序员可以藉此对并行应用程序运行情况进行监测，分析算法执行过程和系统负载的关系，找出性能瓶颈，发掘应用程序的潜力，最终提高应用程序的性能。     

Control Issues in High-speed AFM for Biological Applications: Collagen Imaging Example

This article considers the precision positioning problem associated with high-speed operation of the Atomic Force Microscope (AFM), and presents an inversion-based control approach to achieve precision positioning. Although AFMs have high (nanoscale) spatial resolution, a problem with current AFM systems is that they have low temporal resolution, i.e., AFM imaging is slow. In particular, current AFM imaging cannot be used to provide three-dimensional, time-lapse images of fast processes when imaging relatively-large, soft samples. For instance, current AFM imaging of living cells takes 1-2 minutes (per image frame) - such imaging speeds are too slow to study rapid biological processes that occur in seconds, e.g., to investigate the rapid movement of cells or the fast dehydration and denaturation of collagen. This inability, to rapidly image fast biological processes, motivates our current research to increase the operating speed of the AFM. We apply an inversion-based feedback/feedforward control approach to overcome positioning problems that limit the operating speed of current AFM systems. The efficacy of the method, to achieve high-speed AFM operation, is experimentally evaluated by applying it to image collagen samples.     

CISOC—化学信息和人工智能系统：十年回顾与展望

本文从 CISOC 概念,图论和化学结构处理,数据库,结构-活性关系研究系统和推理机器等方面回顾了 CISOC 系统十年来的进展,同时展望了 CISOC 的未来发展。