高精度光声成像技术在脑成像中应用

光声成像技术可以提供深层组织的高分辨率和高对比度的组织断层图像,是进行脑成像的有力潜在工具之一。本文开展此项研究,搭建一套光声成像实验系统,在此基础上,获得10mm的混浊介质深度下的血管模拟样品图像,直径0.07mm的模拟血管能清晰地成像;活体研究中,成功进行活体白鼠脑部的血管分布的成像研究,重建图像中的各血管位置和形状与实际情况很好的吻合。

研究报告

高精度光声成像技术在脑成像中应用 苏翼雄’。王瑞康徐可欣‘

(. 1天津大学精密仪器与光电子工程学院

天津

30 7 ) 0 0 2

(. 2广西壮族自治区计量检测研究院摘要

南宁

50 2 ) 30 2

光声成像技术可以提供深层组织的高分辨率和高对比度的组织断层图像，是进

行脑成像的有力潜在工具之一。本文开展此项研究，搭建一套光声成像实验系统，在此 基础上，获得 1 mm的混浊介质深度下的血管模拟样品图像，直径 00 mm的模拟血管 O .7

能清晰地成像；活体研究中，成功进行活体白鼠脑部的血管分布的成像研究，重建图像中的各血管位置和形状与实际情况很好的吻合。 关键词医学影像光声成像技术功能成像图像重建

引

言 基于热声效应的光声成像技术 ( h tao s c P oo c u t i

1光声成像技术基本原理 1 1光声信号产生 .当强度调制的激光照射在介质上，由于介质的吸收效应导致光能量的沉积、温度的增加，瞬时的温度增加导致超声信号的产生，该信号称为光声信号。种调制光激发超声信号的机理就是光声效应。这 光声效应并不是一个新发现的现象，早在 1 8 80年，A. . el G B l就首先发现光声效应 (h tao s c P oo cu t i efc) J声效应中， f t。光 e 介质中的声场变为有源场， 介质中的吸收体都可以看成超声波发生源。在脉冲

I gn, ma ig简称 P )是近年出现的一种新型成像技 I术，它是以咏冲光作为激励源、声信号作为信息载

体，通过对采集到的一组声信号进行图像重建处理

而得到组织内部结构信息的一种成像方法。该方法 有机地结合光学成像和声学成像的特点，可以提供厘米量级深度上深层组织的高分辨率、高对比度的

和低成本的无损断层图像…,在医学应用领域中具 有广阔的应用前景。

利用光声成像技术进行脑成像研究是医学成像 技术的研究热点之一 _ 2]成像在医学方面有广泛。脑的应用价值，尤其在神经内、外科、精神科、小

激光的作用下，介质对能量的吸收最终导致压力的变化，此时，声压 P可以表示为

儿科等都有独特的用于诊断和研究的价值。目前，

常用的脑成像技术包括功能磁共振成像 (u cin l fn t a o ma n t e o a c ma ig MRI、正电子发 g ei r s n n ei gn,F c )射断层扫描技术 ( o i o mis n T mo rp y P st nE si o ga h, r o PT E )和单光子发射计算机断层成像 (ige h tn Sn l P oo E sinC mp tdT mo rp y P C ) mi o o ue o ga h,S E T。与上 s

r, t )=

(尚，’ )

( 1 )

式中，为热膨胀系数，C为定压摩尔热容， 。 ,表示激光脉冲的强度，和， n r分别代表位置与时间，

,f表示脉冲激光的时域函数。 7) (

12光声图像重建算法 . 图像重建算法是光声成像技术的关键技术之 一

述三种技术相比，光声技术用于脑成像不仅具有无 损伤、成本较低的优点，而且还可获得氧化型和还

,

目前，国际上有很多课题组关注光声成像领域

原型血红蛋白的分布特性，提供更加完整的脑部血氧含量水平的分布图像，可以在完全无损伤的情况下对脑的高级功能活动进行观察分析并提供高分辨率和高对比度的脑组织光声图像。 本文的目的是利用光声成像技术实现脑成像，

的研究，在光声成像的图像重建算法的领域也作很多深入的研究，Krg r l和 Wa g等提出基 ue等 6 n 于圆扫描或球扫描模式下的逆雷登变换滤波反投影

算法； sl等提出检测光声信号的二维信息， K6 t i 利用反投影方法得到三维图像的重建算法； ee Ho ln等【用相控聚焦的概念，将平面扫描模式下测】叫利量到的光声信号人为合成扫描线，然后利用扫描线的叠加进行光声成像研究； atu等…利用多次 Pl f a 叠加的方法进行光声图像重建。 检测器拾取的信号是系统的响应函数与实际光 2 9

为研究大脑的高级活动提供新的工具。成功搭建一 套基于单探头的光声成像实验系统，在此基础上， 获得位于 1mm模拟样品下血管模拟组织的成像， O 以及活体白鼠脑部的血管分布图像。