基于声透镜的三维同时光声层析成像技术.doc

基于声透镜的三维同时光声层析成像技术摘要提出了一种能实现连续分布物体的三维同时光声层析成像的新方法，利用一个具有二维并行成像能力而且具有较大焦深的声透镜，把一个三维物体并行成像在声透镜的像面上。由于声透镜具有较大焦深，可以把不同物面的光声信号准确成像在同一像面。根据成像系统的正弦定理，同一物面所产生的光声信号同时到达像面，而不同物面所产生的光声信号需要不同的时间到达同一像面，由于光速远大于声速，因此可以利用时间分辨技术实现三维物体的同时光声层析成像。实验结果表明，该成像系统可以同时获得三维物体的不同层面的层析图像。关键词：同时光声层析成像 时间分辨技术 声透镜 光声层析成像技术（pat）是一种采用“光吸收-诱导光声信号-超声探测-图像重建”方法进行成像的新型影像技术，与目前常用的医学影像技术如x射线照相术、计算机断层扫描成像技术（ct）、核磁共振成像（mri）等相比，从安全的角度上来说，pat成像技术采用的是非电离的光子(同mri)，对人体无损伤；从物理的角度上来说，生物组织的光谱是与分子结构相关的，也就是说光声成像可以提供生物化学方面的信息；从光学的角度来说，一般光声成像技术所涉及到的三个参数（吸收、散射、偏振），每个参数都和不同的内源性对比源相关，主要关注的就是吸收。光的吸收主要和几个参数有关：氧合血红蛋白、去氧血红蛋白和黑色素，甚至是水。光声成像技术可以实现功能成像，而且都是内源的，不需要注入任何的造影剂。同时，还具有分辨率高、对比度高等特点1，并逐渐应用于各领域，例如：实时标靶的追踪与流速测量2-3、肿瘤检测4-5、眼球血管造影6等等。目前，国际上对pat成像技术的研究主要集中在以下两方面：第一，图像分辨率，目前国际上已公布的光声成像技术最高分辨率可达5m，可以实现毛细血管的成像7-9 ；第二，成像速度，为了进一步与临床医学诊断接轨，发挥pat成像技术特有的优势，许多专家学者致力于实时pat成像技术的研究，其中，唐志列以及m. frenz等人提出的声透镜光声成像方法具有并行处理能力，即具有潜在的实时光声成像能力10。该课题组利用具有成像能力的声透镜实现了二维光声成像11，利用时间分辨技术实现了层状物体的光声层析成像12。然而，对于基于时间分辨的光声层析成像技术，对连续分布物体进行光声层析成像，一直是该领域的一个技术难题。因为连续分布物体不同层面所产生的光声信号会重叠在一起，仅仅依靠时间分辨技术是无法区分不同层面的物体对像面上光声信号的贡献。本文在文献12的基础上，提出了连续分布物体光声层析成像的新方法，并对连续分布的生物组织进行了光声层析成像研究，获得对比度比较高的层析图像。1 连续分布物体三维同时光声层析成像的原理与实验方法1.1 连续分布物体三维同时光声层析成像的原理 由于声透镜具有较长的焦深10，当物体在物面前后较长范围内都可以在同一像面上准确成像，如图1所示。图1 基于时间分辨技术的声透镜层析成像示意图光速远大于声速，所以，当激发光照射到样品时，可以认为光同时照射在样品的不同层面上，并且同时产生光声信号。另外，不同层面的光声信号到达同一探测面所需的时间显然不同，因此，可以利用时间分辨技术来分辨不同层面的光声信号，从而实现物体三维的同时光声层析成像。由于点声源所产生的光声信号具有一定的脉宽，那么基于时间分辨技术的光声层析成像系统的纵向层析分辨率就由脉冲光声信号的脉宽与样品中声速的乘积决定10。对于层状分布的物体，当两层物体的间距大于纵向层析分辨率时，这两层物体所产生的光声信号在时域上是分离的，如图1所示，用时间分辨技术可以分辨不同层面的光声信号；对于连续分布物体，由于不同层面的物体所产生的光声信号会重叠在一起，仅依靠时间分辨技术是无法区分不同层面的物体对像面上光声信号的贡献。本文根据r. a. kruger的光声层析图像重建理论13，光声信号实际上是光吸收能量对时间的导数，同时考虑到在“目标层”（如b层）前后范围内的物体都对光声信号有贡献，而在这个范围以外的物体对光声信号没有贡献。因此，只需在时间范围内（声速）对“目标层”前后的光声信号进行积分，就可以获得该“目标层”的光吸收能量的分布，进而重构出“目标层”的光声图像。根据这种图像重建方法，我们分别对各种分布的物体（包括层状物体、均匀分布的连续物体以及非均匀分布的连续物体）进行了光声层析成像研究。1.2 连续分布物体三维同时光声层析成像的实验方法图2是本实验系统的装置示意图，采用美国spectra-physics公司生产的pro-230型 yag激光器，波长为532nm、脉宽为7ns、重复频率为30hz；声透镜的材料为有机玻璃，焦距为5cm，孔径为40mm，中心厚度为5.4mm；光声传感器为64单元的线阵pzt超声换能器，主频为1mhz，其中，每个探元之间的距离为1.5mm，所以，为了获取无畸变的图片，线阵探元在做一维扫描时的步长值也应设为1.5mm。实验过程中，把样品、声透镜和线阵光声传感器放在体积为60cm20cm10cm的水槽中，水槽充满了3%的牛奶溶液，用以模拟组织中的光散射。成像物体、声透镜和光声探测器必须共轴，而且声透镜与样品、探测器的距离都为10cm。当脉冲激光照射到多层样品时，成像物体的不同层面所产生的光声信号经声透镜成像同时到达探测器平面，为了获取与像面相应的64个探元的光声信号信息，我们设计了一个64路电子开关，依次选通每个探元，由激光器同步信号触发，并利用高速数据采集卡采集，再使探测器做一维扫描，就可同时获取成像物体在同一像面上的二维光声信号强度分布，最后，利用时间分辨技术与计算机，重建出不同层面光声图像。图2 三维同时光声层析成像实验装置图3 实验结果与分析3.1 层状物体的同时层析成像图3（a）为垂直拍摄的三层模拟样品，层与层之间均为5mm厚的有机玻璃。将此样品放置于实验系统的水槽中，可获取如图4所示的三层样品在像面上的光声信号图。由于超声在有机玻璃中的传播速度为，根据公式：，那么层与层之间的光声信号的时间延迟应为：1.9us，从图4中可以读出三层样品的光声信号时间延迟分别为：153.1us、155.0us、156.9us，与理论计算相吻合，并根据这三个延迟时间可以重建出如图3（b）、（c）、（d）所示的光声层析图像。(a) (b) (c) (d) 图3 (a)三层模拟样品的实物图，(b)第一层三个黑胶带点状样品的光声图像，(c)第二层两个黑胶带点状样品的光声图像，(d)第三层环形黑胶带样品的光声图像图4 三层模拟样品在像面上的光声信号3.2 连续物体（生物组织）的同时层析成像研究在生物组织中，只有血红素和细胞黑色素对可见光有很强的吸收，而其他组织对可见光吸收很小，因此，用光声成像技术对血管、微血管以及黑色素瘤进行成像，可以获得对比度很高的光声图像。由于肿瘤在形成过程中，肿瘤周围会形成丰富的微血管，因此用光声成像技术可以对肿瘤进行早期检测和诊断15。为了模拟乳腺肿瘤的光声检测和成像过程，我们选用有带瘦猪肉的肥肉作为样品，由于瘦肉中有丰富的微血管，血管中的血红素具有很强的吸收，使瘦肉显示出深浅不同的血色，而肥肉中没有毛细血管，光吸收比较小，因此显示为乳白色。瘦肉面积约为88mm，厚度约4mm,形状不规则，厚度不均匀，如图5所示。在实验过程中，将猪肉样品固定在一个有机玻璃上，瘦肉那面靠近声透镜。然后用前面所述的方法进行信号采集和图像重建。猪肉样品所产生的光声信号如图7所示，根据所采集到的光声信号对三个不同层面进行图像重建，如图6所示。其中，图6(a)是猪肉表面的光声图像，图6(b)是猪肉2mm深处的光声图像，图6(c)是猪肉4mm深处的光声图像。 (a) (b)图5 猪肉组织样品正面(a)及横截面(b) (a) (b) (c) 图6 （a）延迟时间为139.2us时所获取的猪肉组织样品光声图像，（b）延迟时间为140.6us时所获取的猪肉组织样品光声图像，（c）延迟时间为141.8us时所获取的猪肉组织样品光声图像，图7 猪肉组织样品在像面上的光声信号从图7可见，第一，由于猪瘦肉比猪肥肉的光吸收大得多，因此猪瘦肉的轮廓非常清晰，而且与猪瘦肉的形状基本一致，与猪肥肉完全分离；第二，不同层面猪瘦肉的形状并不相同，基本反映了每层猪瘦肉的形状分布。4 结论具有二维成像能力并且具有较大焦深的声透镜，可以把一个三维物体并行成像在声透镜的同一像面上，利用光速远大于声速这一特性并结合时间分辨技术可以实现三维物体的同时光声层析成像。该技术能对多层物体进行同时层析成像，层析能力由脉冲光声信号的宽度和声速的乘积决定，通过同时的二维层析图像可望重建出样品的三维实时动态分布，对未来临床医学诊断有很大的应用前景。致谢：本工作得到国家自然科学基金（批准号：60877068）、高等学校博士学科点专项科研基金（批准号：20104407110008）和国家“863”计划（批准号：2006aa02z4b4）的资助。参考文献1 song 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