基于直线电机的大视场快速光声显微成像系统

光声成像技术是近年来发展的一种新型的无损医学成像技术,它是以脉冲激光作为激发源,以检测的声信号为信息载体,通过相应的图像重建算法重建组织内部结构和功能信息的成像方法。该方法结合了光学成像和声学成像的特点,可提供深层组织高分辨率和高对比度的组织层析图像,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。目前光声成像的扫描方式主要有基于步进电机扫描方式和基于振镜的扫描方式,本文针对目前步进电机扫描速度慢(10 mm×10 mm;0.001帧/s),振镜扫描范围小(1 mm2)的不足,发展了基于直线电机扫描的大视场快速光声显微成像系统。同一条扫描线过程中直线电机速度最高可达200 mm/s。该技术采用逐线采集光声信号的方式,比逐点采集光声信号的步进电机快800倍。该系统对10 mm×10 mm全场扫描的扫描速度为0.8帧/s。最大可扫描视场范围可以达到50 mm×50 mm。大视场快速光声显微成像系统的发展将为生物医学提供新的成像工具。     

基于样品及点源光声信号逆卷积的光声成像方法

光声成像是一种新的生物组织成像方法,在目前的光声成像中,都是通过样品光声信号和超声探测器的脉冲响应来计算样品光吸收的投影,但是由于无法获得超声探测器较准确的脉冲响应,影响重建图像质量。提出一种新的计算样品光吸收投影的方法,从理论上给出了样品光吸收投影和样品及点源光声信号的关系,由样品及点源光声信号的逆卷积可直接计算样品光吸收的投影,点源光声信号通过聚焦入射激光直接测得。试验结果显示,重建图像和样品的相对位置、形状及尺寸完全吻合,成像系统空间分辨率达到0．3mm,证明这是一种有效的光声成像方法。     

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。     

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.     

用侧向光源进行前列腺光声扫描成像的研究（英文）

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。     

利用连续光声成像监测动物脑部血液动力学变化

基于B型扫描超声诊断仪和线性阵列探测器的快速光声成像系统被搭建,并用于脑部血液动力学的监测研究。实验中,小鼠脑部皮层的全景血管网络分布图像通过光声探测器双扫描采集接收的方式被重建出来。然后,针对小鼠的脑中动脉,利用阵列电子扫描采集方式,光声成像实现了局部连续地监测由静脉注射生理盐水和吲哚菁绿引起的脑部血液动力学反应,成功地利用光声图像记录其光吸收的改变。实验展示了光声快速成像获取脑部功能信号的应用潜力。     

生物组织光声粘弹显微成像

提出一种反演生物组织粘弹信息的新型无损光声粘弹显微成像方法,它是以强度调制激光作为激发源,通过检测光声（Photoacoustic,PA）信号的相位重建组织粘弹特性分布的成像方法.实验利用不同浓度的琼脂样品来验证光声粘弹显微测量中相位随浓度变化的依赖关系.利用埋有头发丝的琼脂样品来测试这种显微方法的成像分辨率.利用具有不同粘弹性的离体生物组织来验证系统的成像能力.实验结果表明,这种新方法能够高分辨率和高对比度地重建出具有不同粘弹性的生物组织的光声粘弹显微图像,有望实现组织结晶类病变水平的显微在体检测.     

基于非线性热扩散效应的亚衍射极限光声二次谐波显微成像技术

本文提出了一种基于非线性热扩散效应的光声二次谐波显微SH-PAM成像技术,用于实现亚衍射极限光声成像。生物组织受到强度调制的高斯激光束辐射时,组织吸收光子形成高斯分布的温度场,由于热扩散系数非线性热效应引起的非线性光声PA效应,从而产生光声二次谐波信号。模拟和试验结果均表明,重建后的光声二次谐波成像的横向分辨率超过了传统光学成像分辨率。本文通过仿体样品验证了该方法的可行性,并且对人表层皮肤细胞进行了成像,以证明其对生物样品的成像能力。该方法扩展了传统光声成像的范围,为超分辨成像开辟了新的可能性,为生物医学成像和材料检测提供了新的方法。     

基于阵列式换能器的光声成像系统的实现

目的:本文设计了一套光声成像(photoacoustic imaging,PAI)系统,由脉冲激光、阵列换能器、临床超声(ultrasound,US)主机、软件平台以及成像样品组成。系统的图像质量、最大成像深度等重要参数需通过实验进行确定。方法:使用本系统对黑色头发丝横截面进行成像,比较、分析光声(photoacoustic,PA)信号幅值的半极大处全宽度以量化图像分辨率。此外,使用系统对特定的光吸收体和鸡胸肉组织进行成像,确定系统的成像深度。结果:实验结果证明了PAI系统的实现,其PA图像的平均轴向和横向分辨率分别约为0.18 mm和1.44mm,系统的最大成像深度达到4.6 cm。结论:本PAI系统PA图像分辨率优于US主机获得的US图像分辨率,系统最大成像深度与其他国际研究组的系统成像深度的数量级一致。通过进一步优化与活体组织实验的开展,本PAI系统将有望实现临床成像诊断。     

多尺度的光声显微镜用于癌细胞及实体瘤成像（英文）

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3μm。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。     

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.     

In vivo imaging of subcutaneous structures using functional photoacoustic microscopy

Functional photoacoustic microscopy (fPAM) is a hybrid technology that permits noninvasive imaging of the optical absorption contrast in subcutaneous biological tissues. fPAM uses a focused ultrasonic transducer to detect high-frequency photoacoustic (PA) signals. Volumetric images of biological tissues can be formed by two-dimensional raster scanning, and functional parameters can be further extracted from spectral measurements. fPAM is safe and applicable to animals as well as humans. This protocol provides guidelines for parameter selection, system alignment, imaging operation, laser safety and data processing for in vivo fPAM. It currently takes approximately 100 min to carry out this protocol, including approximately 50 min for data acquisition using a 10-Hz pulse-repetition-rate laser system. The data acquisition time, however, can be significantly reduced by using a laser system with a higher pulse repetition rate.     

Three‐dimensional interventional photoacoustic imaging for biopsy needle guidance with a linear array transducer

Needle placement is important for many clinical interventions, such as tissue biopsy, regional anesthesia and drug delivery. It is essential to visualize the spatial position of the needle and the target tissue during the interventions using appropriate imaging techniques. Based on the contrast of optical absorption, photoacoustic imaging is well suited for the guidance of interventional procedures. However, conventional photoacoustic imaging typically provides two‐dimensional (2D) slices of the region of interest and could only visualize the needle and the target when they are within the imaging plane of the probe at the same time. This requires great alignment skill and effort. To ease this problem, we developed a 3D interventional photoacoustic imaging technique by fast scanning a linear array ultrasound probe and stitching acquired image slices. in vivo sentinel lymph node biopsy experiment shows that the technique could precisely locate a needle and a sentinel lymph node in a tissue volume while a perfusion experiment demonstrates that the technique could visualize the 3D distribution of injected methylene blue dye underneath the skin at high temporal and spatial resolution. The proposed technique provides a practical way for photoacoustic image‐guided interventions.      

不同方位探测对光声成像的影响

为了研究在不同方位探测光声信号对光声层析成像的影响,采用了数值仿真计算,得出了在有限角度扫描的情况下,吸收体分布与探测方向呈45度夹角时,成像效果较好;在条件允许的情况下,采用全方位探测扫描,其成像效果最好。该研究结果对光声成像扫描轨迹的设计、成像效果评估具有较好的参考价值。     

Quantitative analysis on in vivo tumor‐microvascular images from optical‐resolution photoacoustic microscopy

Optical‐resolution photoacoustic microscopy (OR‐PAM) has been shown to be an excellent imaging modality for monitoring and study of tumor microvasculature. However, previous studies focused mainly on the normal tissues and did not quantify the tumor microvasculature. In this study, we present an in vivo OR‐PAM imaging of the melanomas and hepatoma implanted in the mouse ear. We quantify the vessel growth by extracting the skeletons of both dense and thin branches of the tumor microvasculature obtained by Hessian matrix enhancement followed by improved two‐step multistencils fast marching method. Compared with the previous methods of using OR‐PAM for normal tissues, our method was more effective in extracting the binary vascular network in the tumor images and in obtaining the complete and continuous microvascular skeleton maps. Our demonstration of using OR‐PAM in improving microvasculature of tumors and quantification of tumor growth would push deep this technology for the early diagnosis and treatment of cancers.      

基于光学相干检测的非接触全光学光声显微镜

报道了一种非接触、宽频带、联合微型激光器和低相干迈克尔逊干涉仪的全光学光声显微镜(BD-AOPAM)、光学相干层析系统(OCT)的硬件用于光声信号的检测。目前全光学光声显微镜可检测到的带宽为67 MHz,用碳纤维测得系统的横向分辨率可以达到10.8μm。进一步的,利用包埋头发丝的模拟样品和在体小鼠耳朵血管来验证系统的成像能力。实验结果表明,这种全光学光声显微镜可以在体的实现组织高分辨率的成像,有望成为一种便携式非接触的光声显微镜应用于生物医学当中。     

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。     

Hand‐held,clinical dual mode ultrasound ‐ photoacoustic imaging of rat urinary bladder and its applications

Urinary bladder imaging is critical to diagnose urinary tract disorders, and bladder cancer. There is a great need for safe, non‐invasive, and sensitive imaging technique which enables bladder imaging. Photoacoustic imaging is a rapidly growing imaging technique for various biological applications. It can be combined with clinical ultrasound imaging system for hand‐held, dual modal ultrasound‐photoacoustic real‐time imaging. Structural (bladder wall) and functional (accretion of nanoparticles) bladder imaging is shown here with combined ultrasound and photoacoustic imaging in rats. Photoacoustic images of bladder wall is shown using black ink as the contrast agent. Chicken tissues were stacked on the abdomen of the animal to demonstrate the feasibility of photoacoustic imaging till a depth of 2 cm. Also, the feasibility of photoacoustic imaging for a common bladder disorder, vesicoureteral reflux is studied using urinary tract mimicking phantom. It is also shown that a clinical ultrasound system can be used for photoacoustic imaging of non‐invasive clearance study of gold nanorods from circulation by monitoring the gradual accumulation of the gold nanorods in the bladder. The time taken for accumulation of nanorods in the bladder can be used as an indicator of the clearance rate of the nanoparticle circulation from the body.