血管网光声成像的机器学习抗散射仿真研究

乳腺癌已成为全球女性发病率最高的肿瘤疾病,微血管成像对乳腺癌的治疗方案和预后有重要意义。光声层析成像术(Photoacoustic Tomography,PAT)可有效对乳腺癌内微血管网进行成像,但肿瘤组织内部的异质微结构和钙化点的散射对成像质量影响较大。针对该问题,文章基于U-Net的卷积神经网络对不同颗粒散射条件下软组织中血管网图像散斑开展仿真研究。仿真结果表明,该神经网络可以学习光声散斑图像和成像目标之间的映射关系,提取出隐藏在噪声中的血管光声信号,并重建出轮廓清晰、背景清晰的高质量血管图像,表明U-Net网络可以从高度模糊的散射图像中提取出有效的光声信息,实现目标图像的高清重建,在乳腺癌的诊断成像中具有广阔的应用前景。

血管内光声成像图像重建的研究现状

急性心脑血管疾病是人类健康的头号杀手,将光声成像与医学内窥技术相结合的血管内光声(IVPA)成像技术有望为心脑血管内易损斑块的检测以及指导介入治疗提供更可靠的参考指标。目前对IVPA成像的研究尚处于起步阶段,对其图像重建的研究也主要是借鉴其它比较成熟的成像技术的重建理论。本文在介绍IVPA成像原理的基础上,指出在重建IVPA图像中亟待解决的两个问题,并对目前可以应用到IVPA图像重建中的主流算法进行介绍和分析。

血管内光声成像的研究进展

血管内光声(IVPA)成像是近年来发展起来的一种微创血管内成像技术,结合了光声信号激发阶段光吸收较高的对比度和光声信号发射阶段超声检测较高的分辨率,根据斑块成分对光的吸收差异检测和区分动脉粥样硬化斑块,可对斑块的形态和成分做更为全面的了解。介绍IVPA成像系统的研究现状、血管内超声(IVUS)/IVPA组合成像导管的设计与改进,以及在光谱成像、热成像、分子成像和对冠状动脉支架成像方面的应用现状,指出目前存在的问题,并对未来的研究进行展望。

血管内超声/光声联合成像研究进展

血管内超声/光声联合成像技术将血管内超声成像(IVUS)和血管内光声成像(IVPA)相结合、生成血管的组合图像。这种新的成像技术可获得高对比度和高分辨率的血管壁及管腔图像,可快速定位风险斑块并辨别其成分。本文就IVUS/IVPA联合成像的可行性及研究现状进行综述。

活体白鼠脑血管时域光声成像的实验研究

目的:获得活体白鼠脑血管分布的时域光声图像。方法:采用波长532nm的脉冲激光作为光声信号激励源,样本脑血管的时域光声信号由宽带PVDF非聚焦针状水听器圆周扫描采集,每个探测位置上所采集到的光声信号由离散小波变换进行软阈值消噪,样本脑血管光声图像由时域后向投影算法重建。结果:所重建的光声图像可较好地反映样品脑血管的主要分布。结论:具有潜在的临床应用价值。

基于光谱编码的血管内光声组分成像

光声成像突破了传统的光学成像和超声成像在生物组织成像领域的困境,该技术基于光声(Photoacoustic,PA)效应,脉冲激光激励下的生物组织产生超声信号,超声信号被接收后,通过反投影算法将其携带的时间信息和强度信息转化为能够反映生物组织吸收结构和分布的可视化图像。基于不同生物组织的光吸收差异,当激发光强度均匀且稳定时,光声成像反映的就是该物质对于该波长光的吸收特性。本文中,我们基于导管式的血管内光声断层扫描平台结合多波长激发的光声成像算法开发了基于光谱编码的血管内光声组分成像系统,实现了在离体血管斑块中脂质组分的定量成像,高分辨获得了脂质核心的大小形态和边界信息,表征了斑块内的脂质相对含量。

肿瘤微环境激活的光声成像探针研究进展

分子影像技术是一种在分子、细胞和亚细胞水平上以非入侵的手段对生物进行可视化的方法,近年来已广泛应用于诊断、治疗和临床研究中。光声成像(photoacoustic imaging,PAI)因其具备高穿透深度、低散射、高空间分辨率等特征使其在胎儿观察、肿瘤治疗、生殖器官检查等方向具有广泛的临床价值。然而,常规的光声成像难以检测肿瘤中低丰度的物质,且存在较高的背景信号干扰。异常的肿瘤微环境(tumor microenvironment,TME)具有低pH、乏氧、血管塌陷、血流量低等区别于正常组织的特征,基于此开发的响应性光声探针能够极大程度地辅助光声技术应用于肿瘤成像。

光声成像技术在心血管领域的研究进展

光声成像(PAI)同时具有光学成像和超声成像的优点,有望解决现有心血管成像技术的难题,准确、全面地提供心血管信息。本文对PAI技术在心血管领域的研究进展进行综述。

基于LabVIEW的血管内光声成像系统的设计与实验

冠状动脉中易损斑块的破裂是导致心血管疾病死亡的重要原因。掌握易损斑块形态特性、组成成分(主要是脂质)与空间分布信息,有利实现易损斑块的早期预测和干预治疗,则可以极大降低心血管病带来的危害。介绍了一种基于LabVIEW实现数据采集功能的血管内光声成像系统,并利用其实现对血管斑块脂质的成像与定量分析。实验结果表明,血管内光声成像技术应用于临床血管内介入具有巨大潜力。

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。

基于滤波反投影算法的血管内光声图像重建

将目前在光声断层(PAT)成像中得到广泛应用的滤波反投影(FBP)重建算法应用到血管内光声(IVPA)成像中,提出一种简单快速的二维图像重建方法。首先,对组织产生的光声信号进行滤波、逆卷积和时域一阶求导的预处理;然后,针对IVPA在血管腔内封闭成像的特殊性,采用权重法将预处理后的光声信号数据对导管以外的成像区域沿弧线进行反投影,得到成像平面内每个网格点处的初始光声压。最后,得到反映血管壁组织结构形态的横截面灰阶图像。对仿真血管模型的实验表明,采用所提出的方法重建IVPA图像的结构,相似性指标(SSIM)可达到0.571 7。合理选择滤波函数、滤波截止频率以及测量位置数,可以提高IVPA重建图像的质量;对光声信号进行时域一阶求导处理,能有效地突出重建图像中的组织结构信息。该方法为后续图像重建算法的优化奠定基础。

医学光声层析成像技术及其临床应用研究进展

光声效应是指样品被短脉冲激光照射后受激产生超声波的一种现象。基于此效应的光声成像技术是一种新型的生物医学成像模式,其在过去的十年中越来越受到临床和产业的关注,目前已成为生物医学成像领域发展最快的技术之一。光声成像是一种混合型的成像方式,它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。光声技术可对微血管、血红蛋白浓度、血氧含量、氧代谢、脂肪等进行高特异性的成像,能够灵敏地反映生理特征变化,与超声技术的形态和结构成像具有很强的互补性。光声成像技术的这些特性使其在临床及生物医学研究领域均具备广泛的应用潜力,尤其适用于恶性肿瘤、心血管疾病、微循环异常等重大和常见疾病的成像诊断和治疗引导。本文将介绍光声层析成像技术在乳腺癌、前哨淋巴结及血管内成像等方面的最新研究进展和临床应用情况。

光声成像技术引导准确定位的针刺

利用光声成像技术,通过监控所模拟扎针的各种情况,实验验证了光声成像技术应用于引导医生和护士准确定位血管位置从容地扎针的可行性,具有重要的临床应用价值.

透射共轴式光声消化内窥成像系统

光声成像作为一种既能提供光学高对比度又能实现声学大成像深度的新兴医学影像技术,可通过对肿瘤滋养血管的三维成像,为癌症的早期诊断提供一种全新的高灵敏检测方法。本文针对消化道肿瘤的临床成像需求,提出了一种内部光激发、外部声探测的透射共轴式光声消化道内窥成像系统,并通过仿体与离体生物组织的成像实验,与现有的反射非共轴式光声内窥成像系统的成像性能进行了对比。实验结果表明,在仿体样品中,透射共轴式光声内窥成像系统的信噪比相对反射非共轴式系统最高提高了43.3 dB,成像深度增大了28.4%;而离体生物组织中,在10.7 mm深处,其信噪比也提高了9.7 dB。实验验证了本设计有效提高了光声信号的探测灵敏度,使该系统相较现有反射式系统具备更优的成像信噪比和成像深度,为光声消化道内窥技术推向临床提供了一种具有重要应用潜力的实施方法。

光声技术在脑组织成像中的应用(特邀)

基于激光诱导超声机制的光声成像技术结合了光学成像的高对比度和超声成像的深穿透性,能无标记、非侵入反映生命体内源性吸收物质的分布,适合啮齿类动物模型全脑的即时成像。为了证明光声技术在脑科学研究和脑疾病监测中的应用,搭建了光声显微成像系统,其空间分辨率可达几十微米,有效成像深度可达1 mm以上,并以APP/PS1转基因阿尔茨海默症(Alzheimer’s disease,AD)模型小鼠和野生型WT小鼠为研究对象,从脑组织切片、离体全脑和活体全脑三个层面探究了光声成像在表征AD鼠和WT鼠脑结构变化和血管网络的能力,证明了光声技术在研究脑疾病发展过程中监控脑结构变化和脑血管网络特征的巨大潜力,可以为诸多脑科学研究和神经退行性疾病发展机制提供更深入的见解。

一种联合光声与激光散斑的多模态成像系统研究

多模态成像技术是近年生物医学成像领域的研究方向之一,它能够结合不同模式的成像,解决单一成像模式的不足。论文设计并搭建了一套基于光声成像与激光散斑成像的多模态成像系统,通过对头发光声成像和对血流样品激光散斑成像的模拟实验,验证了系统的可行性,测得光声成像分辨率为40μm,激光散斑成像血流速度分辨率为0.2 mm/s。通过在体实验实现了对小鼠耳朵血管损伤的连续7天检测,分析血管损伤和修复情况。该系统有效的结合了高分辨率光声成像技术与激光散斑血流成像技术,对新型的多模态光声成像系统研究具有重要意义。

在体光声微血管图像提取方法研究

光学分辨率光声显微镜能够进行活体、3D、高分辨率成像,在生物微循环研究领域具有重要的应用价值。组织微血管的变化能够反映很多疾病的发生和发展过程,对微血管图像进行分析可以提取与疾病相关的各种参数,实现疾病早期诊断和治疗。然而,微血管图像由于血管细小,光吸收较弱,直接基于光声显微成像系统得到的图像在微血管密集或较深区域比较模糊,不能很好地提取血管脉络信息。因此,提出一种融合了Hessian特征增强、血管分割和骨架提取的微血管图像处理方法,并首次用于光声肿瘤微血管图像的处理和分析。活体小鼠耳部正常血管及黑色素瘤血管图像的实验表明,所提出的微血管图像处理方法能够有效分割出活体组织的微血管结构,最终实现对光声肿瘤微血管及其骨架的提取。

面向临床应用的光声成像技术

编者按:光与生物体的作用包含着丰富的信息,从组织对光的吸收、散射、偏振、到光的发射,在此基础上发展起来的生物医学光子学成像技术以高灵敏、非侵入性的特点,在基础医学研究与临床诊断方向发挥着重要作用。为克服光学本身在穿透深度的局限性,光学与其它模态的结合更是为高分辨获取深层组织的信息带来新契机。本栏目遴选几篇有关生物医学光子学成像与诊断领域研究、开发的新进展,涉及组织表面的荧光诊断、到微血管网的结构与功能成像。相比于生物医学光学成像技术的广泛性而言,这几篇文章只是冰山一角,但也不失为一个好的开端。

光声成像及其在生物研究中的应用

作为新型的活体检测设备,商业化的光声成像装置走向市场。本文综述光声成像装置的原理、基本构成、系统集成及发展趋势,尤其关注其在生物领域的应用。

深圳先进技术研究院成功研制消化道内光声/超声双模内镜成像系统

据J Biophotonics（2018 Apr10：2201800034.doi：10.1002/jbio.201800034.）2018年4月10日报道,中国科学院深圳先进技术研究院医工所生物医学光学与分子影像研究室在光声消化道内镜成像领域取得新进展。该研究团队成功研制可进行360°全视场成像的光声/超声双模内镜成像系统,并可同时获取消化道壁血管（光声图像）和消化道壁组织结构（超声图像）的三维信息。肿瘤的发生、发展及转移与肿瘤滋养血管密切相关,在肿瘤形成的初早期,就会出现滋养血管的形态学和功能学上的变化。