光声层析成像技术在骨坏死早期诊断中的应用

骨坏死是骨科临床常见的疾病,严重地影响人类健康及生存质量,临床研究表明骨坏死治疗效果取决该病的早期诊断．X线成像、计算机断层摄影(CT)及同位素骨扫描等一些传统的检查方法难以对骨坏死进行早期诊断,即使应用核磁共振成像(MRI)检测也存在很大的局限性,所以寻求一种简单易行、无创、价廉的早期诊断骨坏死的方法具有重要临床意义．光声层析成像是近年来发展起来的新技术,对哺乳动物组织可产生高对比、高分辨率影像．为探讨光声层析成像对骨坏死早期诊断的可行性,应用脉冲激光产生的光声成像技术对早期动物股骨头坏死模型及人股骨头坏死标本进行图像重建分析,实验结果显示,重建图像和股骨头坏死标本的部位、形状及尺寸完全吻合,成像系统空间分辨率为0.3 mm,表明光声层析成像技术有望成为一种有效的诊断早期骨坏死的新方法．     

微波热声成像技术用于人体甲状腺检测

本文首次通过人体实验验证了微波热声成像技术用于人体甲状腺检测的可行性.文章首先讨论了该技术用于人体甲状腺检测的可行性;然后对3名志愿者的健康甲状腺进行了微波热声成像实验.结果表明:微波热声成像能够对人体健康甲状腺进行清晰成像,能够真实反映皮肤、甲状腺和气管等不同组织的结构特征;并且一次完整的检测过程时间约5 s,系统操作简单成像快速.综上所述,微波热声成像技术有望为甲状腺疾病的基础研究和临床诊断提供一种新的影像学参考.     

光声成像在光动力疗法研究中的应用

组织氧合作用和光敏剂应用在疾病诊治中都有着重要的作用,因此其实时在体无损检测很有意义。光动力疗法涉及光敏剂、光和氧分子三大要素,其疗效受组织氧合作用影响。本文对光声成像(PAI)、光声寿命成像(PALI)和多光谱光声层析成像(MSOT)等光声成像技术在光动力疗法的研究和应用中的使用现状进行了综述。对相关设备系统在检测光敏剂、组织氧分压和微血管损伤等方面的应用原理和技术分别进行了介绍,并总结了这些技术的应用前景。     

光声成像及其在生物医学中的应用

光声成像是一种新近迅速发展起来、基于生物组织内部光学吸收差异、以超声作媒介的无损生物光子成像方法,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,以超声探测器探测光声波代替光学成像中的光子检测,从原理上避开了光学散射的影响,可以提供高对比度和高分辨率的组织影像,为研究生物组织的结构形态、生理特征、代谢功能、病理特征等提供了重要手段,在生物医学临床诊断以及在体组织结构和功能成像领域具有广泛的应用前景.对光声成像技术的机理、光声成像技术和方法、光声图像重建算法以及光声成像在生物医学上的应用情况作一个简单介绍,希望有助于推动我国在该领域的科研和开发应用工作的迅速发展.     

光声光谱技术用于绿脓杆菌的鉴定

【目的】探索一种无创、快速、可靠、经济地鉴定绿脓杆菌的新方法。【方法】利用光声光谱技术分别对大肠杆菌、绿脓杆菌在35°C下培养24 h后产生的挥发性代谢产物(Bacterial volatile compounds,BVCs)进行连续检测,获得各细菌挥发性气体的光声光谱图谱,并用“逆向思维”的方法对其检测结果进行分析。【结果】利用光声光谱技术对绿脓杆菌、大肠杆菌的挥发性代谢产物进行检测分析,发现绿脓杆菌产生了较高浓度的氰化氢(HCN),而大肠杆菌并未检测出HCN,据此可以对绿脓杆菌进行初步鉴定。【结论】光声光谱技术为绿脓杆菌的鉴定提供了一种简单、快速、经济的方法。为加速其在临床中的应用,提出了“三步走”方案:建立“大数据”、完善“比对算法”、创建“自动检测-比对-校对-鉴定”系统。     

光声结合用于生物组织成像的研究进展

光声结合为生物组织层析成像提供了一种新的有效的手段。这种新方式克服了传统成像技术的一些不足,能获得更多的信息。本文总结了该领域三个主要研究方向的工作,同时分析了目前存在的问题。     

基于Renyi熵滤波的光声图像重建算法设计与实现

针对光声图像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、分辨率不足等问题,提出了基于Renyi熵的光声图像重建滤波算法.该算法首先根据原始光声信号的Renyi熵分布情况,确定分割阈值,并滤除杂波信号;再利用滤波后的光声数据进行延时叠加光声图像重建.利用该滤波算法分别处理铅笔芯横截面(零维)、头发丝(一维)以及小鼠大脑皮层血管(二维)等不同维度样本的光声信号,实验结果表明:相比Renyi熵处理之前,重建图像对比度平均增强了32.45%,分辨率平均提高了30.78%,信噪比提高了47.66%,均方误差降低了35.01%;相比典型的滤波处理算法(模极大值法和阈值去噪法),本研究中图像的对比度、分辨率和信噪比分别提高了25.94%/10.60%、27.90%/19.48%、35.21%/10.60%,均方误差减小了28.57%/16.66%.因此,选择利用Renyi熵滤波算法处理光声信号,从而使光声图像重建质量得到大幅改善.     

多尺度的光声显微镜用于癌细胞及实体瘤成像

多尺度显微成像系统(M-PAM)被发展,并被用于成像从癌细胞到实体肿瘤的多尺度生物结构.该装置由二维运动平台,扫描振镜,物镜,聚焦超声换能器组成,其横向分辨率达到3 μm.结果显示该系统可以对体外培养黑色素瘤细胞与体内的黑色素瘤进行无标记成像.基于具有靶向性的探针,M-PAM系统可以对体外培养的U87-MG肿瘤细胞以及体内U87-MG实体肿瘤进行成像.综上所述,M-PAM系统将是研究肿瘤的有力工具.     

用于光声内窥的中空声透镜聚焦PVDF换能器的研究

针对目前光声内窥成像中常用的基于压电陶瓷的中空聚焦超声换能器制作工艺复杂、定制费用高的问题,本文利用PVDF压电薄膜声阻抗低、频响宽、易于加工等优点,以及环氧树脂介于PVDF和生物组织的声阻抗特性,制作了一款基于110μm PVDF压电薄膜的中空声透镜聚焦超声换能器。声场测试实验表明,该换能器纵向分辨率为0.22 mm,焦点处横向分辨率约为0.65 mm,和理论设计值相符。随后又利用多模光纤和宽带介质膜反射镜,通过仿体实验对其内窥成像效果进行了初步验证。相比于基于压电陶瓷的聚焦超声换能器,本方案极大的降低了内窥光声成像中所需的中空聚焦超声换能器的设计和制作成本,方便了实验室条件下内窥光声系统的开发。     

窄等离子体吸收谱线宽度的纳米金锥用于光声成像

无损光声成像技术结合了纯光学成像高选择特性和纯超声成像中深穿透特性的优点,克服了光散射限制,实现了对活体深层组织的高分辨、高对比度成像。该成像技术对内源物质例如脱氧血红蛋白、含氧血红蛋白、黑色素、脂质等进行成像,提供了活体生物组织结构和功能信息,已经在生物医学领域表现出巨大的应用前景。然而,很多与病理过程相关的特征分子的光吸收能力较弱,在活体环境中难以被光声成像系统所识别,从而限制了光声成像技术的应用范围。基于功能纳米探针的光声成像-光声分子成像极大拓展光声成像的应用范围,可以在活体层面对病理过程进行分子水平的定性和定量研究,将为实现目标疾病的早期诊断提供强大的技术支持。本文发展在近红外具有窄吸收线宽(半高宽仅为60 nm)的纳米金锥作为新型的光声探针。通过选择不同径长比的纳米金锥,可以任意调节纳米金锥的吸收峰。通过调谐激光器的波长,可实现对不同吸收峰纳米金锥的选择性激发。纳米金锥将有可能用于多光谱光声成像,实现对不同靶标的目标分子探测。     

Validation of delay‐multiply‐and‐standard‐deviation weighting factor for improved photoacoustic imaging of sentinel lymph node

Delay‐and‐sum (DAS) is one of the most common algorithms used to construct the photoacoustic images due to its low complexity. However, it results in images with high sidelobes and low resolution. Delay‐and‐standard‐deviation (DASD) weighting factor can improve the contrast of the images compared to DAS. However, it still suffers from high sidelobes. In this work, a new weighting factor, named delay‐multiply‐and‐standard‐deviation (DMASD) is introduced to enhance the contrast of the reconstructed images compared to other mentioned methods. In the proposed method, the SD of the mutual multiplied delayed signals are calculated, normalized and multiplied to DAS beamformed data. The results show that DMASD improves the signal‐to‐noise‐ratio about 19.29 and 7.3 dB compared to DAS and DASD, respectively, for in vivo imaging of the sentinel lymph node. Moreover, the contrast ratio is improved by the DMASD about 23.61 and 10.81 dB compared to DAS and DASD, respectively.      

人胎气管内胰岛淀粉样多肽免疫反应细胞的个体发生(英文)

为了进一步探讨胰岛淀粉样多肽（ＩＡＰＰ）的分布、定位以及它与其他生物活性物质的关系;用ＩＡＰＰ组织化学ＰＡＰ邻片双标法,观察了１８例１４～３８周人胎气管内ＩＡＰＰ免疫反应（ＩＲ）细胞的个体发生及与５羟色胺（５－ＨＴ）的关系。结果显示,胎１４周,气管粘膜表面的假复层柱状上皮中已有ＩＡＰＰ－ＩＲ细胞（Ｆｉｇ．１＆２）;１５周开始,粘膜固有层气管腺导管上皮中也出现分散的ＩＡＰＰ－ＩＲ细胞（Ｆｉｇ．３）;随胎龄增长,１７～２１周,气管上皮内ＩＡＰＰ－ＩＲ细胞逐渐增多;免疫染色加深（Ｆｉｇ．４＆５）,有些细胞发出细突直达腔面（Ｆｉｇ．６＆７）,粘膜下层的气管腺腺泡中也有ＩＡＰＰ－ＩＲ（Ｆｉｇ．８）; ２２～３８周,气管内 ＩＡＰＰ－ＩＲ 细胞又呈逐渐减少趋势,ＩＡＰＰ－ＩＲ仅出现在基底锥形细胞中（Ｆｉｇ．９＆１０）,且免疫染色较深。邻片未显５－ＨＴ－ＩＲ。本研究表明,人胎儿期气管上皮细胞内有ＩＡＰＰ的表达;且ＩＡＰＰ－ＩＲ细胞随胎期的发育而发生变化。     

Non-local means improves total-variation constrained photoacoustic image reconstruction

Photoacoustic/Optoacoustic tomography aims to reconstruct maps of the initial pressure rise induced by the absorption of light pulses in tissue. This reconstruction is an ill-conditioned and under-determined problem, when the data acquisition protocol involves limited detection positions. The aim of the work is to develop an inversion method which integrates denoising procedure within the iterative model-based reconstruction to improve quantitative performance of optoacoustic imaging. Among the model-based schemes, total-variation (TV) constrained reconstruction scheme is a popular approach. In this work, a two-step approach was proposed for improving the TV constrained optoacoustic inversion by adding a non-local means based filtering step within each TV iteration. Compared to TV-based reconstruction, inclusion of this non-local means step resulted in signal-to-noise ratio improvement of 2.5 dB in the reconstructed optoacoustic images.     

Integrated Photoacoustic Ophthalmoscopy and Spectral-domain Optical Coherence Tomography

Both the clinical diagnosis and fundamental investigation of major ocular diseases greatly benefit from various non-invasive ophthalmic imaging technologies. Existing retinal imaging modalities, such as fundus photography¹, confocal scanning laser ophthalmoscopy (cSLO)², and optical coherence tomography (OCT)³, have significant contributions in monitoring disease onsets and progressions, and developing new therapeutic strategies. However, they predominantly rely on the back-reflected photons from the retina. As a consequence, the optical absorption properties of the retina, which are usually strongly associated with retinal pathophysiology status, are inaccessible by the traditional imaging technologies.Photoacoustic ophthalmoscopy (PAOM) is an emerging retinal imaging modality that permits the detection of the optical absorption contrasts in the eye with a high sensitivity^4-7 . In PAOM nanosecond laser pulses are delivered through the pupil and scanned across the posterior eye to induce photoacoustic (PA) signals, which are detected by an unfocused ultrasonic transducer attached to the eyelid. Because of the strong optical absorption of hemoglobin and melanin, PAOM is capable of non-invasively imaging the retinal and choroidal vasculatures, and the retinal pigment epithelium (RPE) melanin at high contrasts ^6,7. More importantly, based on the well-developed spectroscopic photoacoustic imaging^5,8 , PAOM has the potential to map the hemoglobin oxygen saturation in retinal vessels, which can be critical in studying the physiology and pathology of several blinding diseases ⁹ such as diabetic retinopathy and neovascular age-related macular degeneration.Moreover, being the only existing optical-absorption-based ophthalmic imaging modality, PAOM can be integrated with well-established clinical ophthalmic imaging techniques to achieve more comprehensive anatomic and functional evaluations of the eye based on multiple optical contrasts^6,10 . In this work, we integrate PAOM and spectral-domain OCT (SD-OCT) for simultaneously in vivo retinal imaging of rat, where both optical absorption and scattering properties of the retina are revealed. The system configuration, system alignment and imaging acquisition are presented.     

用侧向光源进行前列腺光声扫描成像的研究

光声成像技术是近年来兴起的前列腺早期检测与成像的新技术.前列腺组织的结构特征需要一种无创的且光穿透深度足够大的光声激发方式.本文设计了一种可用于经由尿道对前列腺光辐照的侧向光源,并结合直肠处长焦区聚焦式超声换能器的光声探测展开了前列腺仿体的光声扫描成像.结果表明,侧向光源有利于单侧吸收体的定位和成像,具有较好的成像范围和深度,结合侧向光源的旋转可实现全方位成像.因此该侧向光源有望成为早期前列腺肿瘤光声成像技术中一种新型的光源结构,具有重要意义.