（信号与信息处理专业论文）光声技术用于层析成像的研究.pdf

g 矗t ：，l 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得江酉型撞! 巫菹堂陵 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：秀姘 签字日期： 矽k 年占月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解江酉型挞! 匝菹堂随有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权江酉型撞! 巫菹堂瞳可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本 学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位 论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ：魄复彳导师签名( 手写) ：朝愉镐 l 、 签字日期：b o 年易月f 0 日签字日期：加厶年6 月o 日 摘要 摘要 光声技术是一种高灵敏度的无损伤检测技术，近年已成为一个研究热点。 光声技术在生物医学领域中的应用为临床诊断提供了一种新的研究手段一光声 层析成像。光声层析成像结合了纯光学成像和纯超声成像的优点，可以提供高 分辨率和高对比度的组织成像。作为新一代的生物医学影像技术，光声成像能够 有效的进行生物组织结构和功能成像，为研究生物组织的形态结构，生理特征， 病理特征，代谢功能等提供了重要手段。本文针对光声成像技术进行了系统设 计、硬件搭建、软件编程和初步的理论、实验研究，主要包括： l 、光声技术结合了光学与超声的优点，具有分辨率高、抗干扰能力强等特 点。本文在理论上进行了初步的多环光声成像探测技术研究，论述了多环光声 探测成像技术的基本原理、重建算法； 2 、使用红外半导体激光器( 9 5 0 n m ) 和多环复合材料超声探测器等器件搭 建了一套光声层析成像系统； 3 、利用g p i b u s b 和p c i 一1 7 5 0 构架了多环阵列光声传感器信号采集系统，使 用l a b v i e w 软件进行了算法和去噪处理软件的编制，实验表明该系统软硬件工作 正常，能够进行光声信号的探测； 4 、由于多环探测技术在轴向探测，尤其是定量探测上比阵列探测、单环、 双环探测技术具有优势，本文设计了多波长共聚焦微流控芯片检测系统，并申 请获批了专利。 关键词：光声技术：光声层析成像；环阵列；传感器；微流控芯片 a b s t r a c t p h o t o a c o u s t i ct e c h n i q u ew h i c hi sah i g h l ys e n s i t i v ea n dn o n i n v a s i v ed e t e c t i n g t e c h n o l o g y , h a sb e c o m eah o tr e s e a r c hf i e l di n r e c e n ty e a r s p h o t o a c o u s t i ct e c h n i q u e h a sp r o v i d e dan e wr e s e a r c ha p p r o a c hc a l l e dp h o t o a c o u s t i ct o m o g r a p h y ( p a t ) f o r c l i i l i c a ld i a g n o s i si n b i o m e d i c a la p p l i c a t i o n p a tc o m b i n e sa d v a n t a g e so fb o t h u l t r a s o u n da n do p t i c a li m a g i n g , c a np r o v i d eh i g h u l t r a s o n i cr e s o l u t i o na n dh i g h o p t i c a lc a n t r a s tt i s s u ei m a g e s a st h en e x tg e n e r a t i o n s u c c e s s f u li m a g i n gt e c h n i q u e si n b i o m e d i c a la p p l i c a t i o n ，p a tc a np r o v i d ea ne f f e c t i v ea p p r o a c ho ft i s s u es t r u c t u r ea n d f u n c t i o n a li m a g e st os t u d y t h ea r c h i t e c h t u r e s ，p h y s i o l o g i c a l a n d p a t h o l o g i c a l p r o p e r t i e sa n dm e t a b o l i s mo fb i o l o g i c a l t i s s u e s t h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e sf o u r p a r t s 1 p h o t o a c o u s t i ct e c h n i q u ec o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fo p t i c a la n du l t r a s o u n d ，i t h a sh i | ；! l lr e s o l u t i o n ，a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t ya n ds oo n t h ep r e l i m i n a r ys t u d yo f m u l t i r i n gp h o t o a c o u s t i ci m a g i n gd e t e c t i o nt e c h n o l o g yh a s b e e nd i s c u s s e di n t h i s p a p e r t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e sa n dr e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m o ft h em u l t i r i n g p h o t o a c o u s t i cd e t e c t i o ni m a g i n g h a v e b e e ni n t r o d u c e d 2 ap h o t o a c o u s t i ct o m o g r a p h ys y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e db yu s i n gi n f r a r e d d i o d e l a s e r ( 9 5 0 n m ) ，m u l t i - r i n g a n n u l a rp h o t o a c o u s t i c t r a n s d u c e rm a d ef r o m c o m p o s i t em a t e r i a la n d o t h e rd e v i c e s 3 t h em u l t i r i n gp h o t o a c o u s t i cs e n s o ra r r a ys i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do n g p i b u s ba n dp c i 1 7 5 0h a v eb e e nd e s i g n e d u s i n gl a b v i e ws o f t w a r ea l g o r i t h m a n dt h en o i s eo ft h ee s t a b l i s h m e n to fs o f t w a r e ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ee x p e r i m e n t s s h o wt h a tt h es y s t e mw o r k sp r o p e r l y , c a p a b l eo fp h o t o a c o u s t i cs i g n a ld e t e c t i o n ； 4 m u l t i r i n gt e c h n o l o g y h a sm o r ea d v a n t a g e s t h a n s i n g l e r i n g , d o u b l e - r i n g d e t e c t i o nt e c h n o l o g yi nt h ea x i a ld e t e c t i o n ，i np a r t i c u l a rt h eq u a n t i t a t i v ed e t e c t i o no f p h o t o g e n i c am u l t i w a v e l e n g t h c o n f o c a lm i c r o f l u i d i cc h i pd e t e c t i o ns y s t e mh a s b e e nd e s i g n e di nt h i st h e s i s ，a n dw eh a v ef i l e da na p p l i c a t i o n f o ra p a t e n t k e yw o r d s ：p h o t o a c o u s t i ct e c h n i q u e ；p h o t o a c o u s t i ct e m o g r a p h y ；a n n u l a r a r r a y ； t r a n s d u c e r ；m i c r o f l u i d i cc h i p l l 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 前言“v 第1 章绪论”1 1 1 光声技术的发展1 1 2 光声技术的特点2 1 3 光声技术的应用3 1 4 光声成像技术的应用6 1 4 1 早期肿瘤监测和疗效监测6 1 4 2 脑成像和脑功能成像8 1 4 3 临床血管检测9 1 5 本章小结1 0 第2 章光声成像技术1 1 2 1 光声成像技术的发展1 1 2 2 光声成像技术的基本原理及成像算法”1 2 2 2 1 光声成像技术的基本原理1 2 2 2 2 光声成像技术的成像重建算法1 4 2 3 多环阵列光声成像的优势1 6 2 4 本章小结”1 7 第3 章多环阵列光声成像系统的硬件设计1 8 3 1 多环阵列重建理论1 8 3 2 多环阵列光声成像系统硬件参数设计1 9 3 2 1 激发光源的参数设计1 9 3 2 2 光声传感器的参数设计2 2 3 3 多环光声成像系统的装置”2 6 3 4 本章小结”2 8 第4 章多环阵列光声成像系统的软件设计_ ”2 9 i i i 目录 4 1g p i b 总线接口介绍2 9 4 2p c i 1 7 5 0 介绍2 9 4 3l a b v i e w 编程3 0 4 3 1l a b v i e w 编程简介3 0 4 ：3 2l a b v i e w 程序3 1 4 3 3 实验方法：3 4 4 4 本章小结”3 5 第5 章基于光声技术的微流控芯片检测装置设计3 6 5 1 微流控芯片检测技术的研究背景“3 6 5 2 检测装置的设计3 7 5 3 本章小结一3 9 第6 章总结与展望4 0 致谢4 3 参考文献”4 5 攻读学位期间的研究成果4 9 i v 前言 j l 刖舌 光声技术是一种把光学和声学结合起来的高灵敏度的无损检测技术，主要 应用于光谱研究和非光谱研究。随着激光技术和微弱信号检测技术的不断成熟， 光声技术的应用得到了迅速发展，尤其在生物医学领域中的病理分析和癌症早 期诊断方面有着不可替代的作用。本文提出了光声技术在层析成像方面新的信 号探测方法及在芯片检测领域中的应用。本文工作分为三个部分： 1 多环阵列光声传感器的参数设计。包括等面积等间距的物理尺寸、不小 于6 0 的相对带宽、环面积等。设计多环的等面积等间距宽带宽等物理技术特 性，有效降低了多坏间的特征差异性问题。对光声成像系统中用到的激发光源 进行参数研究，设计了一个小型化的双波长脉冲激光器。 2 多环阵列光声成像系统的研究。以g p i b u s b 和p c i 1 7 5 0 为基础，构架 了由双波长脉冲激光器、多环阵列光声探测器、数字示波器、信号放大器、p c 机等硬件组成的系统平台。运用图形语言l a b v i e w 开发软件系统，实现了高 度模块化的设计。该装置有望发展为一种实时的生物医学无损检测方法。 3 研究了光声技术在新领域的应用，即首次提出用于微流控芯片的检测分 析，设计了一个基于多环阵列传感器的微流控芯片检测装置。与传统的荧光检 测法相比，本检测装置具有灵敏度高、成本低、设备简单、操作方便的优点。 总之，这些研究工作对推动光声技术在生物医学及芯片检测领域中的应用 有着非常重要的意义。 v v i 第1 章绪论 1 1 光声技术的发展 第1 章绪论 在1 8 8 0 年，b e l l 首先在固体中观测到光声转换现象，并在给美国科学进展 协会的报告中描述了有关的实验现象，并把这种光声转换的物理现象称为光声 效应( p h o t o a c o u s t i ce f f e c t ) 。光声效应最初的含义是指物质吸收调制光能而 激发出声波的效应。继发现固体光声效应之后，1 8 8 1 年，b e l l 、t y n d a l l 及r o n e t g n e 等著名科学家各自在气体和液体的光声实验中也同样观测到光声效应，光声技 术就是在物质的光声效应基础上发展起来的。但在以后相当长的一段时间里， 人们对光声效应的研究几乎处于停止状态。直到二十世纪七十年代，随着声电 弱信号检测技术的不断发展、高灵敏度的微音器和压电陶瓷检测器的出现、以 及强光源氙灯和各种激光器的相继问世，人们对光声效应的研究才得到迅速发 展。至今，光声研究已发展成为一门独立的分支学科，即光声学。光声学和光 声技术的发展可分为以下四个阶段： 1 1 8 8 0 年一1 8 8 9 年，是光声效应的发展阶段，同时也是光声技术发展的起始 阶段。 2 1 9 4 0 年一1 9 4 9 年，开始将光声效应和光声技术初步应用于气体分析乜1 。 3 1 9 7 0 年一1 9 7 9 年，是光声技术快速发展阶段，一维固体光声理论在此阶段 被建立，商品化仪器的出现及光声技术研究领域的扩展使光声学和光声技术的 地位得到初步确立。 4 1 9 8 0 年一1 9 8 9 年，固体光声理论得到了进一步完善，光声技术本身又派生 出几种新的分析方法，应用领域进一步扩大，特别是在太阳能电池、光纤、集 成电路以及功能薄膜的无损检测等当代高科技领域中，光声技术显示了诱人的 前景。 随着国际上光声学和光声技术的发展，在1 9 7 7 年我国科学家也开展了对光 声技术应用的研究。自1 9 7 8 年以来，中科院长春应用化学所研制了两种分别用 于固体和气体检测的光声谱仪；北京大学将光声技术应用于大气污染的检测工 作；1 9 7 9 年以来，武汉大学、浙江大学等国内2 0 多个单位先后开始了对光声技 术应用进行研究，研究对象包括结构材料、有机物质、半导体材料、金属、医 第1 章绪论 疗诊断等。另外，苏州大学利用光声技术测定了所有稀土元素的能级和光声谱。 伴随激光器技术和探头技术的发展，2 0 0 0 年之后，光声成像技术在生物成像技 术的研究不断发展，包括m a g d a l e n a t 3 j , y a m a s h i t a y h 3 、s u 嘲及美国华盛顿大学w a n g 晦1 等人实验和理论研究丰硕。2 0 0 3 年国内也开始关注光声成像技术，其中华南师 范大学邢达教授口1 、天津大学王瑞康教授哺3 等在该方向上做了很多的工作并取得 了丰硕的研究成果。 1 2 光声技术的特点 近十几年来，光声学和光声技术在我国取得了迅速的发展，应用领域不断 扩大。光声技术被广泛应用于波谱研究、生物学研究、表面研究、化学研究和 医学研究等领域，这主要由其特点所决定，其主要特点有： 1 光声技术探测的光声信号强弱与物质吸收光能的大小直接相关，因此散 射光、反射光等几乎不能对光声探测产生干扰，而且可以采用增大入射光功率 的方法来提高弱吸收样品的探测信噪比。因此，不论是透明的或不透明的固体、 液体、气体的吸收或吸收光谱，还是胶体、粉末、晶体等物质的吸收或吸收光 谱，都可以利用光声技术进行检测。而且，光声技术也是进行试样剖面吸收光 谱检测的唯一方法。 2 在光声探测中，试样本身是被研究的对象，同时也是吸收电磁辐射的检 测器，因此不必改变探测系统就可以在一个很宽的光学和电磁波长范围内进行 研究。最低检测主要由光源强度、窗口材料以及检测器的灵敏度决定。而且可 以不必对试样进行预处理，从而不会破坏样品的初始状态。 3 光声信号时物质分子在吸收入射能量后、从受激态跃迁到低能态时所产 生的。因此它与物质受激后的光化学过程、辐射过程等互为补充。所以光声技 术又是一种对物质光电、荧光、光化学现象进行研究的非常灵敏有效的方法。 4 光声技术不仅可以用于物质吸收谱的探测，而且还可用于弛豫过程、辐 射过程的量子效率的研究，以及物质的弹性性质、热学性质、薄膜厚度和对不 透明材料亚表面热波成像等各种非光谱的研究。 2 第1 章绪论 1 3 光声技术的应用 随着光声技术的发展，光声技术在癌症诊断、白血病早期诊断、生物医学 成像、血氧无创检测中有着越来越重要的应用。郭周义等利用光源为氙灯的双 光束光声谱装置研究了人体内的癌变组织。在3 8 0 n m 7 8 0 h m 的波长范围内以 5 0 n m s 的速度记录了人体内4 种组织的全血光声谱，分别测量了癌变组织和正常 组织，得到的结果如下所示：图1 1 是显示了人体胃部正常组织和癌变组织的光 声谱；图1 2 为人体子宫内癌变组织与正常组织的光声光谱；图1 3 为人体内腹 部癌变组织与正常组织的光声光谱；图1 4 为人体乳腺癌变组织与正常组织的光 声光谱。 l 、融啦 j 淞 扒 l f f、一 、 t 长， 图1 1 人体胃部的光声谱 图1 2 子宫组织离体样本图 3 第1 章绪论 塞 耋 、 厂、 j l 歪蠢飘 f 1 “溉 皈 | 、 。 、-_- i l i u m 图1 3 肺癌组织离体样本图 蔗茏螭 麓飘 八卅 h 、 - 。一 ii i- 长佃 图1 4 乳腺癌组织离体样本 将以上结果中正常组织的光声谱与正常人全血光声谱做比较，正常组织的 吸收峰与血液吸收峰向对应，由此可以得出结论：机体组织对光的吸收与血液 对光的吸收有关。再对癌变组织与正常组织的光声谱进行比较，可以看出，四 种癌变组织都在6 3 0 n m 左右出现了正常组织没有的吸收谱带。同时癌变组织在近 红外区比正常组织有更大的吸收，因此推出光声谱技术可以为癌症的诊断和治 疗提供可靠的光学资料。 殷庆瑞等利用o a s 4 0 0 型光声光谱仪研究了血液病患者的全血样品的光声 吸收光谱图。p u o l e t 等将光声光谱技术应用于人血中血红蛋白和载氧血红蛋白的 光声光谱的研究，并对人血的氧化作用、沉降速率等问题进行了研究。对于带 有脑外伤的严重疾病，在目前的医疗条件下，大多采用的有创的组织血氧检测 和脑组织血氧检测。而脑部血氧的无创检测将是在医学和生物学上的巨大进步， 它可以为物理治疗打下坚实的基础。目前，大多数对于脑血氧的无创检测的尝 试使用的都是红外光谱，但是，组织对光存在吸收和散射必然会影响测量的深 4 第1 章绪论 度和精度，从而使红外光谱技术在血氧检测的发展受到了限制，而且目前近红 外光谱对于脑血氧的无创检测还不能给出可靠的定量结果。r i n a to ，e s e n a l i v e 等 人利用光声技术对羊血氧的含量进行了检测。实验结果如图1 5 、图1 6 所示。 图1 5 表明，随着血氧含量的变化，检测到的光声信号强度不同。不同的血氧含 量，对应的光声信号有很大差别。图1 6 表明光声信号的幅度与血氧含量成线性 关系。 3 0 0 2 l o o o 岁 曼 量 = 罾 c d i s t a n c ef r o mt r a m d u c c r ( i l l m ) 矗577 58譬59 9 51 01 0 。5 k 4 4 g5 25 。666 46 ，8 t i m e ) 妁o 一 的o ； 3 ) o 图1 5 不同含氧量情况下的光声信号 5 墨一is若名饔：弋l麓巷薹v 第1 章绪论 1 4 光声成像技术的应用 光声层析成像( p h o t o a c o u s t i ct o m o g r a p h y ，p a t ) 被认为将发展为新一代的无 损医学成像技术，它结合了纯光学成像的高对比度特性和纯超声成像的高穿透 深度特性的优点。在生物组织中的光声成像，是一种以超声作媒介的生物光子 成像方法。超声在水中的穿透性好，而生物组织内7 0 是水，光声信号在组织 内具有非常好的传输特性生物组织内部产生的光声信号携带了组织的光吸收特 征信息，通过测量光声信号能重建出组织中的光吸收分布。而生物组织的光学 吸收系数、散射系数与组织的结构形态、生理特征、代谢功能、病变特性甚至 神经活动密切有关，例如，早期癌变组织的光吸收比正常组织高出2 5 倍h 。因 此，对生物组织进行光声成像，可为研究生物组纵的内部特征提供重要手段， 在生物医学临床诊断以及在体成像领域具有广泛的应用前景。 光声成像技术的最大优点就是试样不用经过预处理就直接可以进行光声信 号相位与幅度的测量，不仅操作简单而且能够保持生物试样的自然形态，可以 进行活体检测。光声成像技术的应用非常广泛，其中以医学中的应用最为重要， 比如无创血氧测量p 1 、癌症的早期诊断u w 和白血病的早期诊断1 等。光声成像 被认为将发展为新一代的医学成像技术，成为非常有效的进行乳腺癌和浅表癌 变的早期诊断及组织功能成像的检测方法，已成为目前无损生物医学影像领域 的一大研究热点“一 光声信号依赖于生物组织的光学特性和声学特性，因此光声成像技术能为 医学诊断提供更多丰富有价值的信息。p a t 是通过对生物组织的光吸收来进行重 建成像，生物组织的光吸收特性反应了生物组织的结构功能和病理特征，因此， 光声成像技术在医学临床早期诊断中具有重要应用前景。 1 4 1 早期肿瘤监测和疗效监测 光声成像技术可应用于肿瘤的早期检测，能够提供高对比度和高分辨率的 图像，还可以监测肿瘤的治疗过程中的疗效。传统的医学诊断技术在肿瘤检测 时灵敏度较低，主要是针对临床表现很明显的肿瘤进行诊断，当肿瘤组织直径 小于5 r a m ，几乎检测不到肿瘤。癌症的治疗关键在于早发现早治疗，利用现有 检测技术探测到肿瘤病变时，肿瘤的自然发展已经过了2 3 了1 。基于组织光学 吸收的光声成像技术可以为肿瘤的早期诊断提供有效的解决方法。因为恶性肿 6 第1 章绪论 瘤的快速成长通常需要大量的血液供应，同时伴随着微血管的大量增生，血管 中的血色素使得病变组织对激光的吸收显著增强，所以肿瘤组织与正常组织的 光学吸收对比度很高。用合适波长的激光照射在病变组织和其周围的正常组织 上时，病变组织的光吸收性明显强于周围正常组织，所以病变部位的光声信号 强度将远高于周围正常部位。因此，基于光吸收差异的光声成像技术可以为肿 瘤早期检测提供高对比度的肿瘤图像。 垂“：罾竺三 7 第1 章绪论 可以利用高分辨率的光声图像观测肿瘤治疗过程血管的损伤情况。 豳圜 f l ：n 0 “) ：，。0 8 t b ) 图2 3 光声成像技术监测, 9 e e 瘤的光动力治疗过程中血管的损伤情况。( a ) 对照组( 没有进行 光动力治疗) ；( b ) 实验组( 光敏齐u p p i x ，激光波长5 3 2h i l l ) ，a ，b ，c ，d 分别对应光动 力治疗0m i n 、 1 0m i n 、2 0m i n 、3 0 分钟时的光声监测图像 1 4 2 脑成像和脑功能成像 4 莲鲤期壤 8 第1 章绪论 影算法进行了改进，并利用该算法将光声成像技术用于脑血管成像。y a n g 等口1 利 用光声成像技术研究了脑出血、脑缺血、脑血管扩张等脑部疾病和功能活动。 利用光声成像技术研究了损伤性脑出血；通过颈动脉结扎研究了脑缺血问题； 利用血管舒张剂研究了脑血管舒张对血流灌注的影响。利用光声成像技术监测 脑的血流灌注改变，可以研究生理与病理情况下脑组织的血液动力学改变。因 此，光声脑功能成像为大脑的认知功能，语言神经机制及心理学的研究提供了 广阔的空间，对神经病学与精神病学、神经外科学与神经肿瘤学的发展都具有 重大意义。 1 4 3 临床血管检测 光声血管成像对人体各部位炎症、肿瘤、血管性疾病的早期检测及鉴别具 有重要作用。s u 等畸3 利用光声成像技术成功的对兔子耳朵的血管进行了成像。 k o l k m a nrg m 等心副研制了双环探测器，该探测器具有良好的方向性，采用类似b 超扫描成像模式，对生物组织进行光声成像，如图2 5 所示。利用该系统对人造 血管和兔子耳朵血管进行光声成像，并成功得到了血管的光声图像，而且测定 了血管的直径、血氧含量，是一种诊断病变血管的重要手段晗7 1 。在此基础上，该 研究小组又成功地重建了手腕浅层血管的光声断层像乜8 1 。 图2 5 双环探测系统对手臂进行光声断层成像的实验装置图 2 0 0 6 年y a n g 等啪1 建立了一套一体化快速光声成像系统，该系统将激光 传输、光声激发和光声信号探测集成于一体。系统由光纤激光器、多元线性阵 9 腕 吻 过 领 第2 章光声成像技术 第2 章光声成像技术 2 1 光声成像技术的发展 当用光辐射某物体时，由于它对光的吸收会使其内部的温度改变，从而引 起该物体内某些区域结构和体积变化，当采用脉冲光源或调制光源时，物体内 局部温度的起伏引起其体积的涨缩，因而可以向外辐射声波。这种现象称为光 声效应口引( p h o t o a c o u s t i ce f f e c t ) 。在七十年代，科学家们将光声效应应用于光谱 研究，形成了光声光谱技术州1 。在八十年代科学家们将光声效应引入生物组 织成像领域，形成了生物组织的光声层析成像技术睁州( p h o t o a c o u s t i c t o m o g r a p h y ，p a t ) 。因此光声成像是基于物质的光声效应，是光声技术在生物 医学成像中的应用。 光声效应实际上是一种能量转换过程。根据波动方程和热传导方程可知： 光声信号的产生不仅与入射光源有关，而且还与试样的热学特性、光学特性及 声学特性有关叫3 1 。因此，可以通过探测样品的光声信号来得到其内部丰富的 特征信息，进而可以用来判断和鉴别其内部的结构特征，例如生物组织的病变、 固体的内部损伤等。但是它在生物医学领域中具有更为深远的应用前景，因为 这种方法与传统的超声探测或超声影像方法相比，它可以区分声阻抗相同而光 学参数不同的待测样品。 光声效应的关键是光声信号的检测。光声信号的检测方法有两种：光学方法 和非光学方法m 哪! 。光学方法又可分为：相干法和非相干法。非相干法的原理是： 当照射到试样表面的检测光束直径小于光声波的波长时，反射光由于表面振动 而发生偏转，偏转的程度与声波的幅值及性质有关。非光学法主要检测仪器有 传声器、压电换能器、水听器等。相干法是将试样表面直接作为迈克尔逊干涉 仪测量臂中的反射镜，入射的光束被表面反射并与由光源分离的参考光发生干 涉，使光束发生频移。s h a n 从理论上和实验上研究了水听器对层状样品中产生 的光声信号的响应，发现水听器与入射光位于试样同侧时接收信号的幅度随时 间变化的趋势刚好相反，信号的信噪比与试样的光吸收系数有关n8 l 。k h a n 等由 波动方程得到的光声信号的频率解，通过傅里叶变换分析了薄层状、拄状、固 悉球状试样中产生的光声信号的时域特征。研究了试样的几何参数、物理参数 第2 章光声成像技术 及y a g 激光的脉冲持续时间、斩波器对氨离子激光的调制频率等因素对光声信 号特征的影响。分析了直接作用于水听器上的光产生的干扰，并把热储存表示 为空间热源的函数乘以6 函数，研究了光声信号的空间分布。o r a e v s k y 等对接收 换能器进行了改进，发现自由边界下光声信号为双极性，而钳紧边界下光声信 号为单极性，并由短脉冲光声信号的时域波形，求出了不透光物质的光吸收系 数及声速等参数。研究还表明：光强在1 0 u w c m 2 以上，生物组织温度变化0 1 m k 以上时，可检测到光声信号。由于生物组织内的光声信号的持续时间可以很短， 因此用光声信号成像时不仅要求接收传感器有较小的接收面、较高的灵敏度， 同时还要有较宽的频带。 光声层析成像技术结合了光学成像和声学成像的优点，与光相比，超声波 在组织中有更深的传播距离，所以，光声层析成像可以实现类似超声成像技术 达到的深层组织成像，o 光声层析成像是以组织的光学吸收系数为基础的，所以又 能得到类似光学相干层析成像技术的分辨率。光声层析成像的过程中，当激光 照射到组织j ：后，会在组织中激发出超声波。光波激发的超声信号与组织的空 间结构和组织的光学性质有着密切的关系。所以，采用探测器对产生的超声信 号进行采样，便可以用来对组织的光学特性进行重建而得到组织图像。不同时 间采集到的超声信号携带了不同深度处的组织信息，从而可以实现组织不同深 度的成像。 由于组织对超声的衰减和散射远小于组织对光的衰减和散射，用宽带超声 探测器检测超声波代替光学成像中检测散射光子，再结合肿瘤组织和正常组织 的高对比度，因此光声成像可以产生高对比高分辨率的组织影像h 鼠舳i 。由于光声 成像技术非常适合于进行乳腺癌的早期诊断，所以引起了广泛的关注，在近十 年获得了迅猛的发展。目前，用微波和近红外作为激发源，在深度为几个c m 处， 可得至l j m m 级的分辨率崎h 叫。 2 2 光声成像技术的基本原理及成像算法 2 2 1 光声成像技术的基本原理 将一束短脉冲激光照射在生物组织上，组织通过吸收光能量而产生热膨胀， 热膨胀会产生光声波即光声信号，光声信号将穿过组织向周围传播，利用放置 1 2 第2 章光声成像技术 在样品周围的光声传感器可以探测接收光声信号，再经过信号放大、转换、采 集，实现图像重建，这样就可以得到生物组织不同区域的光吸收分布。通过测 量各个方向的光声信号，再利用合适的算法进行图像重建，重建出样品的光吸 收分布图像，这就是光声成像的基本原理。如图2 1 所示。 b l o o t i s s u e 园圈翻 de t e c t e r p h o t o a c o u s t i cw a v e 图2 1 光声成像的原理图 光声信号强度与组织对激光的光吸收特性直接相关，光吸收性越强，产生 的光声信号也越强，因此不同的组织会产生不同强度的光声信号。生物组织内 产生的光声信号反映了组织的光学特性参数差异，同时也能反映组织的病变特 征、生理特征、代谢功能差异等，因为不同生理状态的生物组织对光的吸收不 同，因此利用光声成像技术可以区分正常组织和病变组织，在医学中有着广泛 的应用前景m 1 。 光声成像探测的是被测组织吸收光能量后的光声信号，在原理上不受光散 射的影响，吸收的光能量决定了光声信号强度，而光能量吸收情况由局都能流 密度和作用目标的光吸收系数决定，与光散射引起的光传播路径无关，因此， 光声成像技术的空间分辨率不受光散射影响。光和超声在生物组织中都会发生 衰减和散射现象，但是组织对超声的衰减和散射远小于对光的衰减和散射，因 此，用光声传感器检测光声信号来代替光学成像中检测散射光子可使得成像深 度及分辨率大大提高。 与传统的医学影像技术相比，p a t 可提供高分辨率和高对比度的影像。研究 结果表明，用p a t 对生物组织进行结构成像其成像深度可达1 0 一- 5 0 m m 旧，成 像分辨率可达! l i u 2 0 u m 闭“，因此，光声成像技术被认为是一种早期癌症诊断 重要手段，并有望发展为一种新的无损医学影像技术。 第2 章光声成像技术 2 2 2 光声成像技术的成像重建算法 探测器探测到的光声信号主要与三个因素有关：1 ) 是组织的光学特性，即 与光吸收系数分布有关：2 ) 是与入射激光的时间和空间分布有关：3 ) 与探测器有 关。因此，要准确反映出组织的光吸收系数的分布，就必须要尽量减少其他两 个因素的影响。 许多文献对光声理论都有描述，这里简单介绍几个基本方程。首先给出热 传导方程旧1 胪p 昙丁( r ，f ) = 胛2 丁( 吖) + 日( 吖) ( 2 1 ) 上式中，r 是三维空间位置矢量，p 是组织的密度( 此处假定为常数) ，t 时f b q ， 函数r ( r ，f ) 表示组织吸收光能产生的温升，c p 为比热，h ( r ，f ) 定义为单位面积、 单位时间吸收的光能量。a 是热传导率。如果激发光源的脉宽较小( z s ) ，小 于热扩散时间，则可以忽略热扩散，所以式( 2 1 ) 的热传导方程可简化为： 胪杀r ( r f ) = h ( r ，f ) ( 2 2 ) 对于非粘滞介质，声压和位移满足关系嘞1 v 嘶力一掣帼( r ，t ) ( 2 3 ) 卢是等压膨胀系数，c 是声速，矢量函数【，( r ，f ) 表示声位移，函数p ( r ，f ) 是声压。 由方程( 2 1 ) 、( 2 3 ) ，可得， v 2 p ( r ，沪吉蔷p ( r ，沪一芒昙脚) ( 2 4 ) 假定介质内光强均匀分布，则h ( r ，f ) 可写为 h ( r ，t ) = a ( r ) i ( t ) ( 2 5 ) 函数，o ) 表示入射激光的时间分布函数，函数彳( r ) 表示介质光吸收的空间分布。 式( 2 4 ) 则可变为： 1 4 第2 章光声成像技术 v 2 p 化沪吉等力一一号制扣 弦6 ， 式( 2 6 ) 为光声成像的基本方程。 式( 2 4 ) 的格林函数解可写为嘲 ( 2 7 ) 上二! ： c 力= 齿啼( r ，十譬) 亿8 ， 式( 2 8 ) 是理想状态下的光声信号解析式。，o ) = a i ( t ) 出，对，o ) 的不同近似处 理，可得不同的p ( r ，f ) 表达方式，并对应不同的成像算法。方程( 2 7 ) 的反映出时 域的光声速度势信号与光吸收分布之间的关系。目前，k r u g e r 的三维逆 r a d o n 瞄9 刚变换和w a n g 的改进的反投影算法“6 2 1 是比较常用、具有代表性的光 声成像重建方法。 因为传感器的带宽有限，所以传感器接收到的信号并不是直接的光声信号 p ( r ，f ) 3 ，川，而是光声信号与传感器的脉冲响应 o ) 的卷积p ( r ，f ) ： p ( r ，f ) = p ( r ，t ) 木 g ) ， ( 2 9 ) 其中p ( r ，f ) 为实际产生的光声信号，j i l o ) 为传感器的脉冲响应，星号表示卷积。 用以下公式可以求出光声信号： 删一唰掣1 弦 其中p 白) 是传感器接收到得光声信号，白) 是传感器的脉冲响应的傅里叶变 1 4 - c o s i 万哕l 换，l 么竺2 是窗函数。 当输入为d e l t a 函数时，传感器的响应即为传感器的脉冲响应。对于在光 第2 章光声成像技术 的输出点信号即为脉冲响应。但是在实际情况下，产生可近似为d e l t a 函数的 短脉冲声波是非常困难，所以无法得到超声传感器较精确的脉冲响应。 2 3 多环阵列光声成像的优势 光声技术在系统研究方面近几年得到了迅猛的发展，在单元、双环、多元 线阵和相控阵等接收模式取得了显著的研究成果，并已初步应用于血氧、血糖、 乳腺癌、血管瘤、脑结构与脑功能等领域的检测。目前实验大多都是采用单元 探测系统和多元线性阵列探测系统对生物组织进行光声成像，同时也出现了双 环传感器的探测系统。2 0 0 1 年m a g d a l e n acp i l a t o 等采用如图2 2 所示的双环结 构的探测器对人的手指部分进行成像1 3 j ，成像结果如图2 3 所示。其内环的内径 和外径分别为2 m m 和2 3 m m ，外环的内径和外径分别为3 5 m m 和3 8 m m 。利 用单元光声探测器对生物组织进行光声成像，需要让探测器或样品作圆弧形机 械扫描，以获得不同方向的光声信号，然后再经复杂的成像算法，才能重建出 生物组织的光吸收分布图像。单个探测器探测到的光声信号较弱，通常需要在 每个扫描点进行多次数据采集平均，因此，数据采集花费时间长，成像时间甚 至长达数十分钟渊。另一方面，由于采用机械旋转扫描以及数据采集时间过长， 使时间和空间分辨率都降低，严重影响图像的质量和可靠性。 r l o m i a l ( 1 啪a ) l 殴c , t a o d c s d 慵k 晒o g 鳓鲥i 嘞棚嘲i 图2 2 双环光声传感器 图2 3 手指的纵向扫描图 多环阵列传感器具有较好的孔径角和方向指向性等优点，近两年来成为光 声技术的研究热点之一。但由于传感器和相关算法的开发具有一定难度，目前 只有多单环和双环光声成像得到一定研究。基于动态相控聚焦技术的多环阵列 光声层析成像系统，能够方便、灵活、快速、准确地对生物组织的光吸收差异 特性进行成像。将来结合肿瘤特异分子的标记定位技术，可以选择性地激发追 1 6 第2 章光声成像技术 踪肿瘤分子，实现早期肿瘤定位与检测成像，将为肿瘤真正早期的生理、病理 变化特性，甚至是生化代谢改变的监控提供科学的依据。 2 4 本章小结 楫介绍了光声成像技术的基本原理、重建算法；并对多环阵列光声成像 系统的优势进行了阐述。 1 7 第3 章多环阵列光声成像系统的硬件设计 第3 章多环阵列光声成像系统的硬件设计 将设计一种多环阵列光声传感系统，该系统采用8 阵元电子环形探测器阵 列，利用多环阵列传感器具有较强方向性特性，作为一个整体采用动态相控聚 焦方法探测时域光声信号，将阵列中的每一个环采集的光声信号转换成一维图 像，通过机械一维线性扫描，将所有环采集到的多组一维图像按顺序组合重建 成二维图像，实现样品的实时、快速的光声层析成像。 3 1 多环阵列重建理论 相控聚焦技术通过对每个接收线进行适当延时，从而模拟相长干涉聚焦传 感器在一定焦距范围内来提高探测深度。在光声信号被采集之前分别对它们进 行时间延迟的纠正处理，如图3 1 所示。他一，和缸，分别是光声信号到达位于 同轴上的焦点与其它另外两个阵元的时问差，假设多环阵列聚焦深度为z ，则 第i 个阵元的延迟时间缸可表示为m 引： a t it c & ；为光声信号传到环阵列传感器中央阵元所用时间与到达第i 个阵元所用时 间的时间差，r 为第i 个阵元的中点与多环阵列传感器中心轴的距离，z 为光 声信号源与传感器之间的距离，c 为光声信号在耦合介质中的平均传播速