自适应多光谱光声成像技术研究

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1、物理学报ActaPhys.Sin.Vol.61,No.21(2012)217801自自自适适适应应应多多多光光光谱谱谱光光光声声声成成成像像像技技技术术术研研研究究究*简小华崔崤峣y向永嘉韩志乐(中国科学院苏州生物医学工程技术研究所,苏州215163)(2012年4月5日收到;2012年6月1日收到修改稿)光声成像技术是利用激光照射组织产生超声波成像的新型医学影像技术.在传统光声成像中,由于组织体内复杂的成分与环境会对入射光波产生较大的扰动而导致波前畸变、图像分辨率下降,从而降低诊断的准确性.为了克服这一影响,本文提出了一种自适应多光谱光声成像技

2、术.该技术利用自适应光学技术可有效地降低组织对光波扰动的影响,提高系统成像分辨率与图像对比度.此外,该系统还融合了多光谱成像技术,可在多种波长下对目标成像,从而更好地进行组织结构识别、组分分析等.实验结果表明,该系统十分适用于复杂的生物组织光声成像,可极大地增强光声成像性能,在生物医学领域具有广阔的应用前景.关键词:光声成像,自适应光学,多光谱成像PACS:78.20.Pa,81.70.Cv,95.75.Qr,43.58.Kr得该技术在近年来赢得了普遍的重视,并且得到了快速发展.如美国华盛顿大学的Wang等[9;10]对1引言光声层析成像、多尺度

3、光声成像、乳腺癌及黑色光声成像技术(photoacousticimaging)是指利素瘤光声成像检测等多方面进行了深入研究,并用光声效应进行成像的技术[13].所谓光声效应应用物镜聚焦光束实现了2m的高分辨率成像,是指当物质受到强度调制的光照射时,产生声信号使光声成像分辨率发展到了光学分辨率水平,实的现象[4].在生物医学当中,光声成像的基本原理现了光声成像的重大突破.此外,还有将光声成像如下:当一束短脉冲激光周期性地照射某生物组织技术应用于肿瘤血管再生成像,进行SLN(sentinel时,位于组织体内的光吸收体(如细胞色素、血红lymphn

4、odes)鉴别[10],监测血红蛋白浓度和血氧饱蛋白等)就会吸收脉冲激光能量升温膨胀,继而产和度[11],结合OCT技术实现在体视网膜与色素上生超声波.同时利用位于组织体表面的超声换能器皮细胞快速立体成像等[12].这些研究表明光声成接收外传的超声波,并依据探测到的超声信号来重像技术在生物组织的形态结构、生理和病理特征建组织内光能量吸收分布的图像[5;6].可见光声成等研究方面具有重要的研究价值和广泛的临床应像技术很好地结合了光学和超声这两种成像技术用前景.各自的优点:一方面,由于探测的是超声信号,所在光声成像系统中,系统的轴向分辨率由超声以该技

5、术克服了纯光学成像技术分辨率高但成像换能器的中心频率和带宽决定,而其横向分辨率则深度有限的不足;另一方面,由于光声成像技术的是由能获取的最小入射光斑决定[13].因此光声成图像差异来源于组织体吸收光谱特性的不同,能够像系统的轴向分辨率可通过选用较高中心频率和有效地弥补纯超声成像图像对比度差的不足[7;8].较大带宽的换能器提高,而横向分辨率则受介质的也正是源于光声成像技术具备以上独特的优势,使影响,尤其是在生物组织中,由于各种组织成分的*国家科技支撑计划(批准号:2012BAI13B02)、江苏省基础研究计划(批准号:BK2011332)、国家自

6、然科学基金青年基金项目(批准号:11204198)和苏州市国际科技合作计划(批准号:SH201102)资助的课题.†E-mail:cuiyy@sibet.ac.cn⃝c2012中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb.iphy.ac.cn217801-1物理学报ActaPhys.Sin.Vol.61,No.21(2012)217801光吸收、反射、散射等光学特性十分复杂,不可避和人体组织及血液的研究,找出了相关组织病理和免地会对入射光波的波前产生扰动,导致入射光斑疾病之间的内在联系,为早期诊断各种疾病(癌

7、变模糊,分辨率下降.因此,为了改善光声成像的横向等)提供了宝贵信息[20].分辨率,我们引入了天文学观测中经常使用的自适本文提出的自适应多光谱光声成像系统整合应光学(adaptiveoptics,简记为AO)技术.AO是一了光声成像技术、多光谱成像技术和自适应光学项使用可变形镜面矫正因大气抖动造成光波波前技术的优势,一方面可以发挥自适应光学的特点,发生畸变,从而改进光学系统性能的技术[14;15].近降低组织复杂性对入射光波的扰动,提高图像分辨年来,随着自适应光学理论与技术的发展,它已被率,另一方面也可以发挥多光谱成像的优势,克服广泛地应用于军事

8、及民用领域,如用于光学遥感载单波长光声成像技术对组织组分识别的单一性,实荷多种误差源的实时校正以提高载荷的成像分辨现对多种组织组分的识别