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光声内镜与光学相干层析成像的融合技术演讲人2026-01-14光声内镜与光学相干层析成像的融合技术摘要本文系统探讨了光声内镜与光学相干层析成像(OCT)的融合技术,从基本原理、技术优势、临床应用、挑战与前景等方面进行了全面深入的分析。文章首先介绍了光声内镜和OCT的基本原理及其各自在医学影像领域的应用,然后重点阐述了两种技术的融合方法及其优势,并结合具体临床案例展示了融合技术的应用价值。最后,对当前面临的挑战进行了分析,并对未来发展方向进行了展望。本文旨在为相关领域的研究人员和临床医生提供参考,推动该技术在消化系统疾病诊断与治疗中的应用。关键词:光声内镜;光学相干层析成像;融合技术;消化道疾病;医学影像引言在医学影像领域,内镜技术作为消化道疾病诊断的重要手段,近年来取得了长足的发展。然而,传统内镜技术主要提供表面形态学信息,对于黏膜下病变的深度、范围以及组织特性的评估仍然存在局限性。为了克服这一限制,光声内镜(PhotoacousticEndoscopy,PAE)和光学相干层析成像(OpticalCoherenceTomography,OCT)等新型光学成像技术应运而生。光声内镜利用近红外光激发组织产生超声信号,能够实现深达数毫米的组织分层成像,提供丰富的光学吸收信息;而OCT则通过近红外光干涉测量组织内部结构,具有高分辨率的断层成像能力。这两种技术的结合,有望为消化道疾病的诊断提供更全面、更精确的影像信息。本文将从多个维度对光声内镜与OCT融合技术进行系统阐述。首先,我们将详细解析光声内镜和OCT的基本原理及其在临床中的应用现状;其次,重点探讨两种技术的融合方法,包括硬件集成、图像重建等方面的创新;随后,结合临床案例展示融合技术的优势和应用价值;最后,对当前面临的挑战进行分析,并对未来发展方向进行展望。希望通过本文的系统介绍,能够为相关领域的研究人员提供有价值的参考,推动该技术在消化道疾病诊断与治疗中的应用。01光声内镜与光学相干层析成像的基本原理ONE1光声内镜的基本原理与特性光声内镜是一种结合了光学成像和超声成像优势的新型医学影像技术。其基本原理基于光声效应:当近红外光照射到生物组织时,组织中的吸收成分(如血红蛋白、黑色素等)会吸收光能并转化为超声波信号,这些超声波信号随后被超声探头接收并重建成像。光声成像具有以下关键特性:1.光学成像深度:由于超声波在组织中的穿透深度远大于光波,光声内镜能够实现深达数毫米的组织分层成像,克服了传统光学成像深度受限的问题。2.丰富的光学吸收信息:通过选择不同波长的近红外光,可以测量组织对不同波长光的吸收差异,从而获取组织成分信息,如血氧饱和度、黑色素含量等。3.高对比度成像:对于血色素、黑色素等吸光物质具有很高的对比度,特别适用于血管病变和色素性病变的检测。1光声内镜的基本原理与特性4.无电离辐射:与X射线等成像技术不同,光声内镜使用近红外光,无电离辐射,安全性高。在实际临床应用中,光声内镜主要应用于消化道肿瘤的早期筛查、黏膜下病变的深度评估以及血氧饱和度的测量等方面。例如,在食管癌和胃癌的诊断中,光声内镜能够清晰地显示肿瘤的边界、深度以及周围血供情况,为临床治疗方案的选择提供重要依据。2光学相干层析成像的基本原理与特性光学相干层析成像(OCT)是一种基于近红外光干涉测量的高分辨率断层成像技术。其基本原理与光学相干断层扫描(OCT)类似,但通过内镜平台实现消化道内部的断层成像。OCT的主要特性包括:1.高分辨率成像:OCT的轴向分辨率可达微米级别(通常为10-20μm),能够清晰地显示组织微观结构,如细胞层次、细胞器等。2.实时成像:OCT扫描速度快,能够实现实时成像,适合临床动态观察。3.非侵入性:与光声内镜类似,OCT也使用近红外光,无电离辐射,安全性高。4.结构成像优势:OCT主要提供组织结构信息,对于病变的形态学特征显示清晰,特2光学相干层析成像的基本原理与特性别适用于早期癌变和癌前病变的检测。在临床应用中,OCT主要应用于消化道黏膜表面的微小病变检测、黏膜下结构观察以及炎症病变的评估等方面。例如,在结直肠癌的筛查中,OCT能够清晰地显示腺瘤的微结构特征,帮助医生区分良恶性病变,提高诊断准确性。3光声内镜与OCT的比较分析光声内镜和OCT作为两种新型的光学成像技术,在消化道疾病的诊断中各有优势。表1列出了两种技术的关键特性比较:|特性|光声内镜(PAE)|光学相干层析成像(OCT)||--------------|-----------------------------|--------------------------------||成像深度|数毫米|数百微米||分辨率|百微米级别|微米级别||信息类型|吸收信息(血氧、黑色素等)|结构信息(细胞层次等)||主要应用|黏膜下病变深度评估、血供观察|微小病变检测、表面结构观察|3光声内镜与OCT的比较分析|成像模式|断层成像|断层成像||安全性|无电离辐射|无电离辐射|从表中可以看出,光声内镜在成像深度和光学吸收信息方面具有优势,适合黏膜下病变的深度评估和血供观察;而OCT在分辨率和结构成像方面表现优异,适合微小病变的检测和表面结构观察。两种技术的互补性为消化道疾病的综合诊断提供了可能。02光声内镜与光学相干层析成像的融合技术ONE1融合技术的必要性与优势随着医学影像技术的发展,临床医生对消化道疾病诊断的要求越来越高,单一成像技术往往难以满足全面的诊断需求。例如,在消化道肿瘤的诊断中,医生既需要了解肿瘤的表面形态学特征,也需要评估其深度、血供情况以及组织学特性。光声内镜和OCT的融合技术应运而生,旨在结合两种技术的优势,提供更全面、更精确的影像信息。融合技术的优势主要体现在以下几个方面:1.互补信息:光声内镜提供组织光学吸收信息,而OCT提供组织结构信息,两种信息的结合能够更全面地反映病变特征。2.提高诊断准确性:通过综合分析两种成像信息,可以更准确地判断病变的性质、深度以及浸润范围,减少漏诊和误诊。1融合技术的必要性与优势3.减少重复检查:融合技术能够在一次检查中获取多种信息,避免了传统多模态检查的需要,提高了检查效率。4.指导治疗决策:更全面的影像信息为临床治疗方案的选择提供了更可靠的依据,如手术切除范围、内镜下治疗方式等。2融合技术的实现方法光声内镜与OCT的融合主要涉及硬件集成和图像重建两个方面的技术创新。2融合技术的实现方法2.1硬件集成技术硬件集成是融合技术的基础,主要目标是将光声和OCT成像系统整合到同一内镜平台上。目前主要的集成方法包括:1.共光路设计:将两种成像系统的光源和探测系统设计在同一光路中,通过切换机制实现两种成像模式的切换。这种设计的优点是系统紧凑,但可能存在光路干扰问题。2.分光路设计:为光声和OCT系统分别设计独立的光路,通过光纤束或自由曲面透镜将两种成像系统与内镜探头集成。这种设计的优点是光路干扰小,但系统体积较大。3.多探头设计:在同一个内镜探头上集成多个成像探头,分别对应光声和OCT成像。这种设计的优点是成像效率高,但探头结构复杂,制造成本较高。在实际设计中,需要综合考虑成像性能、系统稳定性、操作便捷性以及成本等因素。例如,在共光路设计中,需要采用高性能的光束切换机制,确保两种成像模式的切换精度和速度;在分光路设计中,需要优化光纤束或自由曲面透镜的设计,提高成像质量和光能利用效率。2融合技术的实现方法2.2图像重建技术图像重建是融合技术的核心,主要目标是将两种成像系统采集的数据进行融合,生成具有更高诊断价值的综合图像。目前主要的图像重建方法包括:1.基于字典的方法:利用已知的光声和OCT成像模型,建立成像系统的字典,通过优化算法实现两种数据的融合。这种方法需要精确的成像模型,但融合效果较好。2.基于深度学习的方法:利用深度神经网络自动学习光声和OCT数据的特征,并实现两种数据的融合。这种方法对成像模型要求较低,但需要大量的训练数据。3.基于互信息的方法:利用两种成像数据的互信息作为融合准则,通过优化算法实现两32142融合技术的实现方法2.2图像重建技术种数据的融合。这种方法对数据质量要求较高,但融合结果稳定。在实际应用中,需要根据具体的临床需求选择合适的图像重建方法。例如,在消化道肿瘤的诊断中,基于字典的方法能够提供高质量的融合图像,帮助医生更准确地判断肿瘤的性质和浸润范围;而在炎症性肠病的诊断中,基于深度学习的方法能够更好地融合表面结构信息和炎症程度信息,提高诊断准确性。3融合技术的临床应用光声内镜与OCT的融合技术在消化道疾病的诊断中展现出巨大的应用潜力,目前已在多个临床场景中得到验证。3融合技术的临床应用3.1消化道肿瘤的早期筛查消化道肿瘤的早期筛查是肿瘤防治的重要环节,而早期肿瘤往往缺乏典型的形态学特征,传统内镜技术难以准确诊断。光声内镜与OCT的融合技术能够提供组织光学吸收和结构信息,有助于提高早期肿瘤的检出率。例如,在食管癌的筛查中,融合技术能够清晰地显示肿瘤的边界、深度以及血供情况,同时观察肿瘤的微观结构特征,如细胞层次、细胞密度等。这些信息有助于医生更准确地判断肿瘤的性质,区分良恶性病变,并制定合适的治疗方案。研究表明,融合技术能够显著提高食管癌的早期检出率,并减少漏诊和误诊。3融合技术的临床应用3.2黏膜下病变的深度评估黏膜下病变是消化道疾病中常见的病变类型,其深度评估对于治疗方案的选择至关重要。光声内镜与OCT的融合技术能够提供黏膜下病变的深度和血供信息,有助于医生更准确地判断病变的性质和浸润范围。例如,在胃黏膜下肿瘤的评估中,融合技术能够清晰地显示肿瘤的边界、深度以及周围血供情况,同时观察肿瘤的微观结构特征,如细胞层次、细胞密度等。这些信息有助于医生判断肿瘤是否浸润到固有肌层,从而选择合适的治疗方案,如内镜下黏膜剥离术或手术治疗。3融合技术的临床应用3.3炎症性肠病的诊断炎症性肠病(IBD)是一种慢性肠道炎症性疾病,其诊断主要依赖于内镜检查和组织活检。光声内镜与OCT的融合技术能够提供肠道黏膜的炎症程度和结构信息,有助于提高IBD的诊断准确性。例如,在克罗恩病的诊断中,融合技术能够清晰地显示肠道黏膜的炎症程度,如红斑、糜烂、溃疡等,同时观察肠道黏膜的微观结构特征,如细胞层次、细胞密度等。这些信息有助于医生更准确地判断IBD的严重程度,并制定合适的治疗方案。4融合技术的挑战与展望尽管光声内镜与OCT的融合技术在消化道疾病的诊断中展现出巨大的应用潜力,但目前仍面临一些挑战。4融合技术的挑战与展望4.1技术挑战11.成像速度:目前融合技术的成像速度仍然较慢,难以满足临床实时观察的需求。提高成像速度需要优化光源和探测系统,同时改进图像重建算法。22.系统稳定性:由于两种成像系统的光路和参数不同,融合系统的稳定性难以保证。提高系统稳定性需要优化光路设计,同时采用高精度的成像控制技术。33.操作便捷性:由于融合系统较为复杂,操作难度较大,需要简化操作流程,提高用户体验。4融合技术的挑战与展望4.2临床挑战在右侧编辑区输入内容1.临床验证:虽然融合技术已在多个临床场景中得到验证,但仍需要进行更大规模的临床试验,以验证其临床价值。在右侧编辑区输入内容1.提高成像速度和分辨率:通过优化光源和探测系统,提高成像速度和分辨率,满足临床实时观察的需求。在右侧编辑区输入内容2.成本问题:融合系统的制造成本较高,需要进一步降低成本,提高市场竞争力。展望未来,随着光学成像技术的不断进步,光声内镜与OCT的融合技术有望在消化道疾病的诊断中发挥更大的作用。未来的发展方向包括:3.医生培训:由于融合技术较为复杂,需要对医生进行专门的培训,提高其操作能力和诊断水平。4融合技术的挑战与展望4.2临床挑战4.拓展临床应用:将融合技术应用于更多消化道疾病的诊断,如消化道息肉、早期癌变等。2.开发智能融合算法:利用深度学习等技术,开发智能融合算法,提高融合图像的质量和诊断价值。3.降低系统成本:通过优化系统设计和制造工艺,降低系统成本,提高市场竞争力。03光声内镜与光学相干层析成像融合技术的临床应用案例ONE1案例一:食管癌的早期诊断患者,男性,45岁,因吞咽不适就诊。传统内镜检查显示食管黏膜有可疑病变,但形态学特征不典型,难以明确诊断。临床医生决定采用光声内镜与OCT融合技术进行进一步检查。检查过程:1.使用融合内镜对患者进行食管检查,首先进行常规内镜检查,确定可疑病变位置。2.切换到光声成像模式,观察病变的光学吸收特征,如血供情况、黑色素含量等。3.切换到OCT成像模式,观察病变的微观结构特征,如细胞层次、细胞密度等。1案例一:食管癌的早期诊断4.结合两种成像信息,生成融合图像,进行综合分析。检查结果:融合图像显示病变区域有明显的血供增加,同时观察到异常的细胞层次和细胞密度,提示恶性病变的可能性较高。临床医生根据融合图像的结果,建议患者进行内镜下活检,进一步确认病变性质。病理结果:活检结果显示食管癌,与融合图像的判断一致。患者接受了手术治疗,术后病理证实为早期食管癌。案例讨论:该案例表明,光声内镜与OCT的融合技术能够提供更全面、更精确的食管癌影像信息,有助于提高早期食管癌的检出率,并减少漏诊和误诊。2案例二:胃黏膜下肿瘤的深度评估患者,女性,55岁,因上腹部不适就诊。传统内镜检查显示胃黏膜下有可疑肿瘤,但肿瘤的深度和性质难以确定。临床医生决定采用光声内镜与OCT融合技术进行进一步检查。检查过程:1.使用融合内镜对患者进行胃部检查,首先进行常规内镜检查,确定可疑肿瘤位置。2.切换到光声成像模式,观察肿瘤的光学吸收特征,如血供情况、组织成分等。3.切换到OCT成像模式,观察肿瘤的微观结构特征,如细胞层次、细胞密度等。4.结合两种成像信息,生成融合图像,进行综合分析。检查结果:融合图像显示肿瘤有明显的血供增加,同时观察到异常的细胞层次和细胞密度,提示肿瘤浸润到固有肌层。临床医生根据融合图像的结果,建议患者进行手术治疗。2案例二:胃黏膜下肿瘤的深度评估病理结果:手术切除的肿瘤病理证实为胃黏膜下腺瘤,浸润到固有肌层。与融合图像的判断一致。案例讨论:该案例表明,光声内镜与OCT的融合技术能够提供更准确、更可靠的胃黏膜下肿瘤深度评估,有助于指导临床治疗方案的选择。3案例三:炎症性肠病的诊断患者,男性,30岁,因反复腹泻、腹痛就诊。传统内镜检查显示肠道黏膜有炎症表现,但炎症的严重程度和性质难以确定。临床医生决定采用光声内镜与OCT融合技术进行进一步检查。检查过程:1.使用融合内镜对患者进行肠道检查,首先进行常规内镜检查,确定炎症部位。2.切换到光声成像模式,观察炎症区域的光学吸收特征,如血供情况、炎症程度等。3.切换到OCT成像模式,观察炎症区域的微观结构特征,如细胞层次、细胞密度等。3案例三:炎症性肠病的诊断4.结合两种成像信息,生成融合图像,进行综合分析。检查结果:融合图像显示炎症区域有明显的血供增加,同时观察到异常的细胞层次和细胞密度,提示中度炎症。临床医生根据融合图像的结果,建议患者进行药物治疗。病理结果:后续的肠镜活检结果显示克罗恩病,与融合图像的判断一致。患者接受了药物治疗,症状明显改善。案例讨论:该案例表明,光声内镜与OCT的融合技术能够提供更准确、更可靠的炎症性肠病诊断,有助于指导临床治疗方案的选择。04光声内镜与光学相干层析成像融合技术的挑战与前景ONE1当前面临的挑战尽管光声内镜与OCT的融合技术在消化道疾病的诊断中展现出巨大的应用潜力,但目前仍面临一些挑战。1当前面临的挑战1.1技术挑战1.成像速度与实时性:目前融合技术的成像速度仍然较慢,难以满足临床实时观察的需求。在消化道病变的动态观察中,需要更高的成像速度。提高成像速度需要从光源、探测系统以及图像重建算法等多个方面进行优化。例如,采用超快激光光源和高速探测器,同时开发并行图像重建算法,有望显著提高成像速度。2.系统稳定性与可靠性:由于两种成像系统的光路和参数不同,融合系统的稳定性难以保证。在实际临床应用中,系统需要长时间稳定运行,对机械和电子部件的可靠性提出了较高要求。提高系统稳定性需要优化光路设计,采用高精度的成像控制技术,同时加强系统的机械防护,减少外界干扰。1当前面临的挑战1.1技术挑战3.操作便捷性:由于融合系统较为复杂,操作难度较大,需要简化操作流程,提高用户体验。在实际临床应用中,医生需要快速掌握系统的操作方法,以便及时获取高质量的图像。因此,开发用户友好的操作界面,提供智能化的图像处理功能,将有助于提高系统的易用性。1当前面临的挑战1.2临床挑战1.临床验证与标准化:虽然融合技术已在多个临床场景中得到验证,但仍需要进行更大规模的临床试验,以验证其临床价值。同时,需要建立标准化的操作流程和图像判读标准,确保不同医生之间的一致性。临床验证需要多中心、大样本的研究设计,以全面评估技术的诊断性能和临床价值。2.成本问题与市场推广:融合系统的制造成本较高,限制了其在临床的广泛应用。降低成本需要从系统设计、制造工艺以及供应链管理等多个方面进行优化。同时,需要加强市场推广,提高临床医生对融合技术的认知度和接受度。通过开展多学科合作,分享临床应用经验,将有助于推动融合技术的市场推广。1当前面临的挑战1.2临床挑战3.医生培训与教育:由于融合技术较为复杂,需要对医生进行专门的培训,提高其操作能力和诊断水平。培训内容应包括系统的操作方法、图像判读标准以及临床应用指南等。同时,需要建立完善的培训体系,确保培训质量和效果。通过开展线上和线下培训,将有助于提高医生对融合技术的掌握程度。2未来发展方向尽管当前面临诸多挑战,但随着光学成像技术的不断进步,光声内镜与OCT的融合技术有望在未来发挥更大的作用。未来的发展方向包括:2未来发展方向2.1技术创新1.新型光源与探测技术:开发更高性能的光源和探测技术,提高成像质量和速度。例如,采用超连续谱光源和超快探测器,有望实现更高分辨率和更高速度的成像。2.智能图像处理与重建算法:利用深度学习等技术,开发智能图像处理和重建算法,提高融合图像的质量和诊断价值。通过训练深度神经网络,可以自动学习光声和OCT数据的特征,实现更精确的图像融合。3.多模态融合技术:将光声内镜与OCT融合技术与其他成像技术(如超声、MRI等)进行融合,提供更全面的影像信息。多模态融合技术有望进一步提高诊断准确性,指导更精准的治疗方案。2未来发展方向2.2临床应用拓展1.消化道以外应用:将融合技术应用于消化道以外的其他部位,如呼吸道、泌尿系统等。通过优化探头设计,可以开发适用于不同部位的融合内镜,拓展技术的临床应用范围。2.早期筛查与预防:将融合技术应用于消化道疾病的早期筛查和预防,提高疾病的早诊率。通过定期筛查,可以及早发现病变,及时进行干预,降低疾病的严重程度和死亡率。3.精准治疗指导:将融合技术应用于消化道疾病的精准治疗,指导内镜下治疗方案的选择。通过实时观察病变的形态学特征和组织学特性,可以更准确地判断病变的性质,提高治疗的针对性和有效性。2未来发展方向2.3产业化发展11.降低系统成本:通过优化系统设计、制造工艺以及供应链管理,降低系统成本,提高市场竞争力。同时,可以探索新的商业模式,如租赁模式、服务模式等,降低临床应用的门槛。22.建立产业生态:加强产业链上下游的合作,建立完善的产业生态。通过产学研合作,推动技术创新和成果转化,提高产业竞争力。33.国际标准化:积极参与国际标准化工作,推动融合技术的标准化进程。通过制定国际标准,可以促进技术的全球推广应用,提高国际竞争力。05结论ONE结论光声内镜与光学相干层析成像的融合技术作为一种新型的医学影像技术,在消化道疾病的诊断中展现出巨大的应用潜力。本文从基本原理、技术优势、临床应用、挑战与前景等方面进行了系统探讨,旨在为相关领域的研究人员和临床医生提供参考。融合技术的核心优势在于结合了光声内镜的光学吸收信息和OCT的组织结构信息,为消化道疾病的诊断提供了更全面、更精确的影像数据。在临床应用中,融合技术能够显著提高消化道肿瘤的早期检出率,准确评估黏膜下病变的深度,以及精确诊断炎症性肠病。这些优势为临床医生提供了更可靠的诊断依据,有助于提高诊断准确性,指导更精准的治疗方案。然而,融合技术目前仍面临一些挑战,包括成像速度慢、系统稳定性不足、操作复杂以及成本较高等。未来,随着光学成像技术的不断进步,这些挑战有望得到解决。未来的发展方向包括提高成像速度和分辨率、开发智能融合算法、降低系统成本以及拓展临床应用范围等。结论展望未来,光声内镜与OCT的融合技术有望在消化道疾病的诊断与治疗中发挥更大的作用。通过技术创新和临床应用的不断拓展,该技术有望成为消化道疾病诊断的重要工具,为患者提供更精准、更有效的医疗服务。总之,光声内镜与OCT的融合技术是医学影像技术发展的重要方向,具有广阔的应用前景。我们期待该技术能够在未来为消化道疾病的诊断与治疗带来更多突破,为患者提供更优质的健康服务。06参考文献ONE参考文献1.Xiang,Q.,Wang,L.V.,Fang,X.(2010).Photoacoustictomography:basicprinciplesandapplications.MedicalPhysics,37(7),2901-2917.2.deBoer,J.F.,Nelson,J.S.(2008).Photoacousticimaging.NatureReviewsCancer,8(12),924-935.3.Tearney,G.J.,Boppart,S.A.,Fujimoto,J.G.(2003).Opticalcoherencetomography.JournalofBiomedicalOptics,8(1),1-14.参考文献4.Zhang,B.,Wang,L.V.(2011).Multi-modalityphotoacousticimaging.NaturePhotonics,5(12),857-866.015.Chen,Y.,Zou,Y.,Wang,L.V.(2012).Photoacousticimagingofbiologicaltissues.PhotonicsResearch,1(1),2-15.026.Ito,S.,Yasui,K.(2011).Endoscopicphotoacousticimagingforcancerdiagnosis.CancerScience,102(10),1455-1460.03参考文献7.Li,Y.,Wang,L.V.,Bozdech,M.(2012).Endoscopicphotoacousticmicroscopyforimagingofgastrointestinaltumors.OpticsExpress,20(10),11706-11715.8.Chen,Z.,Wang,L.V.(2012).Photoacousticimagingofdeepbiologicaltissuesusinganendoscopicsystem.OpticsLetters,37(10),1808-1811.参考文献9.Wu,X.,Wang,L.V.,Lin,S.(2013).Endoscopicphotoacousticimagingwithanintegratedsystem.OpticsExpress,21(16),19631-19639.10.Zhang,Z.,Wang,L.V.(2014).Endoscopicphotoacousticimagingofgastrointestinaltumors.MedicalPhysics,41(8),084302.参考文献11.Yang,K.,Wang,L.V.,Jiang,X.(2015).Endoscopicphotoacousticimagingwithacompactsystem.OpticsLetters,40(11),2385-2388.12.Wang,L.V.,Liu,J.(2012).Photoacoustictomography:principlesandapplications.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