基于声学散射透镜的低成本光声断层成像方法

光声断层成像需要使用换能器阵列及多通道系统,硬件成本较高,制约了其广泛应用.为降低成本,设计了一种基于声学散射透镜的光声断层成像方法,利用声学多重散射过程中的多路径效应达到增大探测阵列等效数值孔径的作用,从而减少信号探测过程所需换能器数量.通过数值模拟实验,首先分析了散射透镜格林函数的精确测量方法,随后利用四个散射透镜共同作用实现了高质量光声断层成像,并对影响成像质量的相关因素进行了具体研究.提出的散射透镜无须复杂制作工艺或特殊材料,系统只需四个超声换能器即可实现快速成像,可降低光声断层成像系统的硬件成本.

基于DAS的光声断层图像重建算法研究

由于基于模型类的重建算法重建速度慢、难以实现实时重建。为解决这一问题,本文采用基于延迟求和(DAS)的光声重建算法对图像进行重建。该算法以像素点为基础,计算其到各个传感器的相角。如果在传感器的空间接收范围内,则计算与传感器距离并且计算延迟,从而计算对应强度,最后将各个范围内传感器的强度累加,求得最终该像素点的光吸收强度。本文采用模拟数据,模拟声源发声、组织内的传播和探测器的接收,最后通过探测器接收到的数据,采用延迟求和(DAS)法重建图像。经实验验证,DAS算法在重建过程中能够快速重建图像,适合实时光声断层图像重建。

高速128通道小动物多光谱光声断层成像系统

为了实现小动物光声断层信号的高速采集和实时高质量图像的重建,采用了覆盖角度为270°的128阵元弧形聚焦超声换能器、4个32通道的NI公司数据采集模块和可调谐脉冲激光器以及正则化优化的基于模型的光声断层重建算法。结果表明,系统的空间分辨率可以达到180μm;此系统可以在1ms内完成光声断层数据的采集,在40s以内获得高质量的重建图像。该系统可以用于开展小动物在体的多光谱光声断层成像实验研究。

基于TR插值算法的光声断层图像重建方法

光声成像是一种新型无损生物医学成像方式,结合了光学成像和超声成像的特点,具有广阔的应用前景。针对重建过程中存在的原始光声信号信噪比差、重建图像对比度低等问题,通过建立光声数据采集模型,从采样角度和数据点方面对时间反转算法(time reversal,TR)进行研究,将插值算法与其相结合,达到提高成像质量和消除伪影的目的。实验结果表明,基于TR插值算法的重建方法具有良好的重建效果,与TR算法相比峰值信噪业(PSNR)约提高9.2~10.1 dB,结构相似性提高约5.4%~5.6%,与快速傅里叶变换法(fast Fourier transform,FFT)相比,PSNR约提高11.8~19.9 dB,结构相似性提高约6.4%~10.8%。

基于超声干涉测量的光声断层成像方法性能优化

生物组织声学参数的不均匀性是光声断层成像技术面临的棘手问题,基于超声干涉测量的光声断层成像方法已被初步证明可以适用于声参数不均匀情形,但对如何取得最佳成像效果缺少深入研究。针对这一问题,该文将基于超声干涉测量的光声断层成像方法应用于同时含有声速不均匀和随机声散射现象的复杂成像媒质模型,并对如何优化成像效果开展相关研究。该文首先验证了该方法在数值模型中的有效性,随后针对相关测量参数与成像质量之间的关系开展定量研究,提出了优化成像效果的方法。结果表明,设计适合的波形滤波器、合理选择干涉测量过程中超声信号的中心频率均可优化成像效果,该文的相关研究结果可为进一步拓展基于超声干涉测量的光声断层成像的应用范围提供参考。

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。

生物磁-光-声联合成像的研究现状

超声(US)成像、光学相干断层(OCT)成像和磁共振成像(MRI)是临床常用的医学成像手段。此外,光声层析(PAT)和磁声(MA)成像是近年来新兴的多物理场耦合功能成像手段。将两种或者两种以上的成像手段结合起来形成多模态联合成像,可以使各成像模态的优点得到充分展现,对目标进行高精度和高分辨率的成像,精确识别病变组织,并对其功能成分进行定性和定量的分析。对US-PAT、US-OCT、PAT-OCT、US-PAT-OCT、磁-光以及磁-光-声(MPA)联合成像,特别是对血管内联合成像的研究进展和临床应用前景进行综述,总结目前存在的问题,并展望未来可能的发展方向。

基于无监督学习的高分辨光声重建

光声断层成像(Optoacoustic Tomography,OAT)是一种新兴的生物医学成像技术,在基础医学研究与临床实践中具有重要作用。针对现有光声断层成像空间分辨率较低的问题,提出了一种结合物理点扩散函数(Point Spread Func-tion,PSF)模型和卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)的新型高分辨光声重建网络方法(Physical Atten-tion U-Net,Phys-AU-Net)。该方法采用无监督学习策略,结合物理PSF模型和基于注意力机制的U-Net网络。其中,物理PSF模型用于完成对衍射受限机制的模拟,基于注意力机制的U-Net网络用于实现对高密度重叠吸收体图像的特征提取。在二者共同作用下,Phys-AU-Net突破了声衍射极限对于OAT成像空间分辨率的限制。实验结果表明,Phys-AU-Net能够有效实现对声衍射受限光声断层图像的高分辨重建,其性能相较于U-Net网络具有较大程度提升,在结构相似性指标(Structural Similarity,SSIM)方面提升了43.5%,在峰值信噪比(Peak Signal to Noise Ratio,PSNR)方面提升了11.2%,对临床研究及诊断具有重要意义。

频域光声成像系统的探讨

本文研究频域光声成像系统,即频域光声断层成像系统和频域光声显微系统,并探讨了其成像模式:线性频率调制模式、离散频率调制模式和复合频率调制模式。

基于改进的U-Net神经网络的稀疏视角光声图像质量增强方法

在光声断层成像中,通常利用超声换能器阵列接收光声信号,其制造成本较高,并且阵元数量对最终成像质量有重要影响。为了提升稀疏视角下光声重建的图像质量,提出了一种基于改进的U-Net神经网络结构的稀疏视角光声图像质量增强方法,该方法采用的改进的U-Net网络的特点在于通过添加连续卷积层替换跳接层,提升编码器和解码器拼接特征的匹配度;同时利用了基于多尺度结构相似性指数的损失函数对网络进行训练。基于仿体数据集和活体数据集的实验结果表明,改进的U-Net网络具有很好的图像细节重建能力,其所得的重建图像质量优于经典的U-Net网络。

醌氧化还原酶响应型光声探针的合成及其对乳腺癌的成像

醌氧化还原酶(NQO1)是生物体内的一种双电子还原反应的专性催化还原酶.在一些疾病如乳腺癌中NQO1过度表达,因此NQO1可作为生物标志物以观察乳腺癌肿瘤的产生和发展.目前已有一些文献报导用于NQO1检测和荧光成像的荧光探针,但大部分这些探针具有吸收波长较短、背景干扰较强、组织穿透深度较低等不足.为克服荧光探针成像的上述缺陷,我们构建出一种具有推拉电子结构的可对NQO1响应的新型近红外光声探针TPA-X-Q.实验结果表明,该探针可在生物体内和体外对NQO1进行专一性的增强型光声检测和成像,并可提供高分辨率的实时光声信号图像.此外,这种新型的光声探针能够成功应用于乳腺癌小鼠模型,对乳腺癌肿瘤中过量表达的NQO1进行灵敏准确的光声检测与成像,借助多光谱光声断层扫描技术(MSOT)的三维光声图像重建功能,可实现肿瘤病灶区域的定位.

肿瘤血管生成拟态的影像学研究进展

血管生成拟态(VM)是一种不同于经典血管生成的肿瘤微循环模式,其与肿瘤的转移和不良预后密切相关。近年来随着影像技术的不断发展,超声检查、MRI、分子影像技术已被广泛应用于动物和人类的无创性血管成像。VM是功能性管道,并能与血管沟通,理论上对比剂可以进入VM。因此具备利用影像技术进行无创性检测VM的可能。本文就近年来VM研究及其影像学评估进展进行综述。

皮肤影像技术概况、应用现状及前景

皮肤影像技术是以激光、超声和电磁波为基础等多种影像技术的总称,是国内外皮肤病诊断领域发展较迅速的一个分支;主要包括皮肤镜、共聚焦激光扫描显微镜(皮肤CT)、皮肤高频超声(皮肤B超)、皮肤光学相干层析成像(OCT)、皮肤太赫兹成像、皮肤光声成像和多光子激光断层成像技术(多光子CT)等。它们的共同特点是:对皮损进行在体、无创、实时、动态观察,有助于疾病诊断和病情评估;呈现的是二维或者三维图像,相对直观,便于临床医生掌握。部分技术存在穿透深度和分辨率不足等缺陷。目前皮肤影像技术在色素、非色素性皮损及相关肿瘤诊断方面已具有较丰富的经验,制定了若干疾病较为公认的诊断标准。目前,皮肤镜技术应用最广泛,皮肤CT在大型医院和专科医院应用较广,皮肤B超和多光子CT在今后皮肤影像技术应用中会得到越来越广泛的关注。随着临床实践的发展,该技术在其他类型皮肤病诊断中正得到越来越广泛地应用。

生物医学影像中的光声成像技术

光声成像结合了光学成像的高对比度和超声成像的深穿透性优势,能够利用内源性、外源性造影剂对比显示组织的结构、功能、代谢特征和分子、动力学信息等,同时可以实现从细胞器、细胞、组织到器官的多尺度成像,在生物医学研究中发挥着越来越重要的作用。简要回顾了光声成像的基本原理,重点总结了光声计算断层成像(PACT)、光声显微成像(PAM)、光声内窥成像(PAE)和光声分子成像近年来的研究热点及技术进展,主要涉及成像探测方式的选择与改进、低成本激发光源的替代方案、图像重建算法的进步、系统成像速度和分辨率的提高以及分子探针的新兴设计策略等,最后展望了光声成像的应用前景。

皮肤影像技术辅助确定基底细胞癌手术切缘的应用进展

莫氏显微外科手术(MMS)能实现术中肿瘤边界完整的组织学检查,尽可能多地保留正常组织,降低复发率,是基底细胞癌(BCC)的一线治疗方案。皮肤影像技术可用于术前描绘BCC肿瘤边缘,实现术前应用无创技术进行手术切缘的标记,提高MMS的一次成功率,减少多期MMS手术成本,并降低复发率。本文综述皮肤影像技术辅助确定BCC手术切缘的应用进展。