光声成像研究进展

第 愿 卷摇 第 缘 期 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 中国光学摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 灾燥造援 愿摇 晕燥援 缘
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文章编号摇 圆园怨缘鄄员缘猿员渊圆园员缘冤园缘鄄园远怨怨鄄员缘
光声成像研究进展
光 学 成 像 由 于 在 近 红 外 谱 段 内 渊 苑园园 耀 员 园园园 灶皂冤包含一个可见光窗口袁电磁辐射具有较 深的成 像 深 度袁 因 此 多 数 研 究 集 中 在 这 一 谱 段咱猿暂 遥 然而袁传统光学成像方式在组织内部存在 严重的光散射袁光无法集中到达很深的组织内部 进行成像遥 尽管扩散光学断层成像渊 阅蚤枣枣怎泽藻 韵责贼蚤鄄 糟葬造 栽燥皂燥早则葬责澡赠袁阅韵栽冤 在这方面有所进展袁但传统 光学成像仍受限于低空间分辨率以及较差的图像 质量咱源鄄缘暂 遥 另一方面袁利用弹道光子和准弹道光子 的成像方式袁如光学相干断层成像渊 韵责贼蚤糟葬造 悦燥澡藻则鄄 藻灶糟藻 栽燥皂燥早则葬责澡赠袁韵悦栽冤 等虽然更适合对低散射介 质或薄组织切片进行成像袁但无法对强散射袁以及 较厚的生物组织进行成像袁 更无法实现活体成 像咱远暂 遥
圆摇 光声成像的原理
圆援 员摇 光声信号的产生 光声效应是指材料吸收光能后袁发生热弹性
膨胀进而产生声波的一种现象袁如图 员 所示袁有时 为了表征其中的能量转换过程也被称为野 光热声 效应冶 咱员员鄄员猿暂 遥
图 员摇 光声效应图示 云蚤早援 员摇 陨造造怎泽贼则葬贼蚤燥灶 燥枣 责澡燥贼燥葬糟燥怎泽贼蚤糟 藻枣枣藻糟贼
第缘 期
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 苗少峰袁等院光声成像研究进展
苑园员
由于光声图像是通过一系列在不同空间位置探测
的光声信号形成的袁因此也可将光声图像视作空
间压力分布的表示遥 激光能量在组织内积聚后产
生的热能与探测到的超声信号直接相关袁而激光
能量的积聚又与组织的很多物理特性袁如散射尧吸
收特性尧热特性渊包括热扩散率和热膨胀系数冤 以
组织的光学吸收和散射特性袁但这并不意味着光
声图像的对比度直接正比于吸收系数遥 式 渊缘冤
中袁责园 正比于吸收系数 滋葬 和光通量 准 的乘积袁而 光通量 准 本身又与吸收系数 滋葬 有关系袁因此可将 责园视作吸收系数 滋葬 的一个非线性函数遥 圆援 圆摇 光声信号的传播
声波在组织中的传播速度通常为 员 缘园园 皂 辕 泽袁
砸藻泽藻葬则糟澡 责则燥早则藻泽泽藻泽 燥枣 责澡燥贼燥葬糟燥怎泽贼蚤糟 蚤皂葬早蚤灶早
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啄栽 越 圆 阅栽子责 袁
渊圆冤
式中袁子责 表示脉冲宽度袁为了确保能有效产生光 声信号袁子责 约 子贼澡袁这就是热约束袁表征在脉冲激励 产生的过程中袁热扩散可以忽略遥 类似的袁压力穿
过整个受热区域的时间为 子泽 越 蕴责 辕 糟袁其中 糟 表示 声速袁压力约束即为 子责 约 子泽遥
当热膨胀满足上述两个约束条件时袁初始压 力可表示为咱员园袁员源暂 院
苗少峰员袁猿 袁杨摇 虹员 袁黄远辉员 袁宫摇 睿员 袁邵晓鹏员鄢袁毕祥丽圆袁猿
渊员援 西安电子科技大学 物理与光电工程学院袁陕西 西安 苑员园园苑员曰 圆援 北京理工大学 光电学院袁北京 员园园园愿员曰
猿援 光电信息控制和安全技术重点实验室袁河北 燕郊 园远缘圆园员冤
摘要院本文阐述了光声成像的工作原理袁光声信号的产生袁传播和探测过程袁并总结了光声成像的研究进展袁包括时域光 声成像和频率域光声成像的研究进展尧以及各自的特点袁为光声成像领域的研究起到一定的借鉴作用遥 分析认为光声成 像技术有着其他医学成像技术没有的诸多优点袁如高分辨率尧高对比度尧成像深度深等具有广阔的应用前景和较高应用 价值袁是未来生物医学领域最重要的实时医学成像技术之一袁因此得到了国际上的广泛关注遥 关摇 键摇 词院光声成像曰生物医学成像曰时域光声成像曰频率域光声成像 中图分类号院砸源源缘援 怨曰 韵源圆远援 猿摇 摇 文献标识码院粤摇 摇 凿燥蚤院员园援 猿苑愿愿 辕 悦韵援 圆园员缘园愿园缘援 园远怨怨
目前光声成像在国际上已经取得良好发展袁 对于 动 物 与 人 体 的 部 分 组 织袁 如 毛 细 血 管尧 黑 色 素尧肿瘤等袁甚至活体老鼠的部分组织袁如大脑袁四 肢等都获得了较好的光声断层图像遥 光声成像领 域中袁过去研究重点一直集中在以脉冲激光作为 激励源的时域光声成像模式中遥 现在则有很多研 究机构将重点转向以连续波激光器作为激励源的 频率域光声成像模式袁取得了良好的研究成果袁且 这种模式较之于时域光声成像有更多优势及更好 地发展前景遥 国内对于光声成像则多数都集中于 时域光声成像袁鲜有频率域光声成像相关文献发 表遥 虽然光声成像领域还未成熟袁但是作为新兴 的生物医学成像模式袁其前景广受关注与期待袁发 展与创新具有很大空间遥
责澡燥贼燥葬糟燥怎泽贼蚤糟 蚤皂葬早蚤灶早
摇 摇 收稿日期院圆园员缘鄄园缘鄄员苑曰修订日期院圆园员缘鄄园苑鄄圆猿 摇 摇 基金项目院武器装备预研基金资助项目渊 晕燥援 在在园猿园猿员源园缘园圆冤
苑园园
摇 摇 摇 摇 中国光学摇 摇 摇 摇 摇 摇
第 愿 卷摇
员摇 引摇 言
摇 摇 生物医学成像是十九世纪末兴起的行业袁 员愿怨缘 年德国物理学家威廉窑伦琴发现 载 射线袁揭 开了生物医学成像的扉页袁同时也为现代医学影 像的发展奠定了基础咱员暂 遥 近两个世纪以来袁虽然 出现了多种生物医学成像方式袁但有些会对人体 造成危害袁有些则造价昂贵袁无法满足人们对低成 本尧高质量尧无副作用的医疗成像方式的需求咱圆暂 遥
激光光束入射到组织表面后袁根据激光波长 的不同袁光束的穿透深度也不同遥 该过程中袁光束 受到多重散射和吸收袁能吸收特定波长光的分子 或物质被称为生色团咱员园暂 遥 生色团吸收的光能通 过分子振动和热弹性膨胀转化为热能袁导致局部 初始压力增加袁形成波源袁最终被组织表面的超声 传感器探测到袁转换为一系列时间序列的电信号遥
责园渊则冤 越 祝匀渊则冤 袁
渊猿冤
式中院匀 渊则冤是局部吸收的光能函数袁祝 是尼森系
数渊 郧则怎灶藻蚤泽藻灶 糟燥藻枣枣蚤糟蚤藻灶贼冤 袁是一个无量纲的热力
学常数袁表征热能与压力之间的转化率袁可写作院
祝 越 茁糟圆 辕 悦责袁
渊源冤
式中院茁 是体热膨胀系数袁糟 表示声速袁悦责是一定压 力下的比热容遥 组织局部吸收的光能分布 匀渊 则冤 可以通过局部吸收系数与光通量 准渊 则袁滋葬袁滋泽袁早冤 相乘得到袁滋葬 和 滋泽 分别表示受到辐射的组织内部 的吸收和散射系数袁早 是各向异性因子遥 因此袁将 匀渊 则冤 展开袁责园 可写为院
责园 渊 则冤 越 祝滋葬渊 则冤 准渊 则袁滋葬袁滋泽袁早冤 袁 渊缘冤
如式渊缘冤所示袁理论上 责园 与组织的机械性能袁热力 学特性和光学参数相关遥 在实际光声成像中袁人
们通常认为不同类型组织之间的机械性能和热力
学特性差异十分微小袁因此认为这两个因素具有
空间不变性遥 虽然光声图像的对比度主要来源于
为了解决上述问题袁各种替代性混合成像技 术层出不穷遥 其中光声生物医学成像渊 以下简称 光声成像冤 作为一种非侵入式的成像技术在近 圆园 年受到了极大关注袁由于其集合了光学成像对比 度高和超声成像穿透深度深的优点袁最具发展潜 力咱苑暂 遥
对于光声技术原理的探究可以追溯到 员愿愿园 年 粤援 郧援 月藻造造 在实验中意外发现光声效应咱愿暂 遥 但 之后很长一段时间内袁光声技术的研究一直处于 停滞状态遥 直到 圆园 世纪 远园 年代袁激光器取得了 突破性进展袁能满足光声成像应用中光源具有大 峰值功率尧高光谱纯度和集中的指向性等要求袁光 声技术才开始在工业和科学领域中被采用遥 起 初袁这一技术多被作为一种非破坏性固体检测手 段袁直到 圆园 世纪末才有学者将该技术用于生物医 学成像袁并随后产生了第一幅光声医学图像咱怨鄄员园暂 遥
实际情况中袁波动范围不超过 员园豫 遥 要研究声波
在组织中的传播袁除了传播速度袁衰减是另一个至
及弹性等特性相关袁因此可通过超声信号了解组
织物理特性的差异遥
实际工作中袁为了有效产生光声信号袁必须满 足两个约束条件袁即热约束和压力约束咱员源暂 遥 生色
团吸收的电磁辐射转化为热能后袁热传导过程中
的热扩散时间可近似为院
子贼澡 越 蕴圆责 辕 源阅栽 袁
渊员冤
式中袁蕴责 是被加热组织体积的线性特征尺寸袁通常 为电磁波的穿透深度或生色团的尺寸袁阅栽 是样本 的热扩散系数袁对于一般软组织而言 阅栽 越 员郾 源 伊 员园 原 猿 糟皂圆 辕 泽咱员缘暂 遥 热 扩 散 和 生 色 团 的 几 何 形 状 有 关袁因而热耗散时间 子贼澡的估计通常也会根据实际 情况发生改变遥 生色团吸收一个持续时间为 子责 的脉 冲 后袁 在 脉 冲 周 期 内袁 热 扩 散 长 度 可 以 表 示 为咱员远暂 院
猿援 杂糟蚤藻灶糟藻 葬灶凿 栽藻糟澡灶燥造燥早赠 燥灶 耘造藻糟贼则燥鄄韵责贼蚤糟葬造 陨灶枣燥则皂葬贼蚤燥灶 杂藻糟怎则蚤贼赠 悦燥灶贼则燥造 蕴葬遭燥则葬贼燥则赠袁再葬灶躁蚤葬燥 园远缘圆园员袁悦澡蚤灶葬冤 鄢悦燥则则藻泽责燥灶凿蚤灶早 葬怎贼澡燥则袁 耘鄄皂葬蚤造院曾责泽澡葬燥岳 曾蚤凿蚤葬灶援 藻凿怎援 糟灶
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