光声层析成像的信号处理_曾亚光
光声层析成像研究进展
209BIOTECHWORLD 生物技术世界近年来,医学成像方面已逐渐引进X-ray CT、OCT、USI、MRI 以及比较新进的光声成像技术,但前几种技术应用过程中尽管优势较为突出,却存在许多不足之处如可能产生副作用或造价高等。
对此在长期实践中引入结合组织纯声学成像与组织纯光学成像优点于一体的光声层析成像技术,在医疗机构中被广泛应用。
因此对光声层析成像技术的研究具有十分重要的意义。
1 光声层析成像技术的基本概述作为现阶段比较先进的医学检测成像技术,其工作原理主要表现为生物组织在脉冲激光器信号作用下会对光能进行吸收,组织内部会通过其能量的沉积作用发生温度变化,以此产生膨胀收缩现象并进行超声信号的向外辐射。
当激发光参数保持在一定范围内时,生物组织光吸收的实现很大程度受光声信号频谱及强度的影响。
在光信号中检测出生物组织信息后,通过重建图像并结算该信号便能获取组织中许多参数如病变特征、代谢以及生理结构信息等。
所以光声层析技术的信号载体主要为光声信号,激励源为调制激光信号,并通过声学成像与光学成像的结合,得出对比度与分辨率极高的组织图像,而且能够对组织器官与分子细胞等进行多尺度的成像。
因此,将其应用于医学成像领域中可发挥重要的作用[1]。
2 光声层析成像研究进展2.1 单聚焦换能器的应用现阶段,光声层析成像技术中进行探测的过程往往利用比较简单的单探元传感方式。
其聚焦探测光声信号的实现主要得益于以PVDF为主要材料的双环换能器。
这种方式的原理在于对外部光声信号的探测利用单聚焦换能器进行扫描探测,可形成组织中某一层的图像。
尽管应用过程中具有成像质量好、扫描精度高等优点,但也存在一定的不足之处如信号的采集比较困难,而且要求机械系统需具备较高的稳定性。
2.2 多探头阵列超声探测多探头阵列超声探测技术的提出主要针对单聚焦换能器弊端而提出的。
这种方式的优点主要体现在应用范围较广,能够以较快的速度进行成像。
虽然探测过程中很容发生探头间相互影响的情况,但在未来发展过程中仍具有广阔的前景。
光声成像技术的研究及应用
光声成像技术的研究及应用光声成像技术是一种基于光声效应的非接触成像技术。
它结合了光学和声学两种物理学原理，利用光学激发样品中的声波，然后利用超声检测设备检测这些声波的声学特性，以获取样品内部的信息。
因此，它不仅具有高分辨率、高灵敏度、高鲁棒性等优点，还可以对不同种类的物质进行成像和分析，在生物医学、材料科学、环境监测等领域得到了广泛的应用。
一、光声成像技术的研究历程光声成像技术早在20世纪70年代初期就已经被提出。
最初，这种技术仅仅是一种用于光声光谱学的工具，在分子光谱学、光催化、环境科学、化学反应等方面应用广泛。
但是，在随后几十年的进一步研究和发展中，光声成像技术开始被广泛应用到各种不同领域。
二、光声成像技术的应用1.生物医学领域在生物医学领域，光声成像技术可以被用来非侵入式地检测和诊断疾病。
它可以通过光学的方式来治疗癌症、心脏病、脑部疾病等，同时还可以用来检测生物标记物、细胞、组织等，并对生物组织的结构和功能进行分析和研究。
2.材料科学领域光声成像技术还可以被应用于材料科学领域，用于实时监测材料结构、质量和性能。
它可用于研究材料的变形行为、破裂行为、热传导行为、光学性质等。
此外，光声成像技术还可以用来探究纳米材料的性质和行为。
3.环境监测光声成像技术可以被应用于环境监测，用于检测海洋、土壤、大气等环境中的污染物或有害物质。
它可以精确探测有机和无机污染物的浓度，同时还可以分析相应的成分和结构。
三、光声成像技术的未来发展光声成像技术发展的前途广阔，未来将有更多的应用和发展。
例如，该技术可以被用来治疗神经系统疾病。
此外，光声成像技术还可以被用于几乎所有的医学成像领域，包括牙科、眼科和皮肤科等。
同时，越来越多的医学研究也将运用这种技术进行探索和研究。
结论总体来说，光声成像技术的研究和应用正逐渐发展成为许多领域中不可或缺的工具。
虽然在其进一步发展的过程中还会遇到一些障碍和挑战，但是它的优点和潜力已经足以吸引越来越多的学者和科技公司加入其中，为其进一步的发展提供支持和推动。
光声层析成像技术的研究进展
光声层析成像技术的研究进展作者：池妍谭治良来源：《硅谷》2014年第05期摘要光声层析成像技术是一种新兴的医学成像技术，具有高分辨率、高对比度、高穿透深度的优点。
文章简要介绍光声层析成像技术的原理，并报道基于单聚焦换能器扫描的层析成像技术和基于多探元超声探测方式的层析成像技术，指出该技术在医学检测上具有重要的应用前景。
关键词光声层析成像技术；高分辨率；高穿透深度中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）05-0002-02光声成像技术是基于光声效应的一种成像技术。
当物质受到短脉冲激光或者周期性的强度调制的光照时，物质内部将会产生周期的温度变化，温度变化使这部分物质及其邻近介质产生周期性的涨缩，从而产生声信号，这种声信号被称为光声信号。
光声成像技术具有高分辨率、高对比度、高穿透深度的优点，主要包括光声内窥镜、光声显微成像、光声层析成像等。
本文阐述了光声层析成像技术的原理，并报道基于单聚焦换能器扫描的层析成像技术和基于多探元超声探测方式的层析成像技术。
1 光声层析成像技术原理光声层析成像技术利用大照射面积的脉冲激光作为照射源，当激光照射在样品时，由于样品介质的散射作用，使到样品内部目标组织被均匀照射，所激发超声信号传播到组织表面的时候用带扫描机制的超声探测器或者超声探测器阵列进行探测，直接或者通过特定的算法进行图像重构。
由于样品内部不同深度位置的声信号到达样品表面的超声信号存在时间差异，因此，利用时间分辨技术可以获得不同层析面的光声信号，从而获得组织的三维光声图像。
2 光声层析成像技术2.1 基于单聚焦换能器扫描的层析成像技术在光声层析成像技术的应用领域最简单的探测方式就是采用单探元的传感方式来进行探测，利用单个聚焦换能器横向扫描探测外部的光声信号就可以获得组织内部某一层析层面的光声图像的一种方法。
该想法最早由Kruger等于1994年提出，并于2004年被Kolkman等用一个PVDF材料制造的双环换能器实现了聚焦探测光声信号。
基于高动态范围的光学投影层析成像技术的玉石三维成像
第37卷第1期佛山科学技术学院学报（自然科学版）Vol.37No.1 2019年1月Journal of Foshan University（Natural Sciences Edition）Jan.2019文章编号：1008-0171（2019）01-0018-05基于高动态范围的光学投影层析成像技术的玉石三维成像熊红莲，黎思娜，韩定安，易俊，林秋萍，秦晓萌，曾亚光（佛山科学技术学院光电子与物理学系，广东佛山528000）摘要：介绍了基于传统的光学投影层析成像技术(Optical Projection Tomography,OPT)，采用高动态范围成像算法对光不均匀吸收的玉石内部结构成像，即采集玉石每个1.8°方向上的高动态范围的图像数据，得到200组吸收投影图像数据进行三维结构成像。
其无嵌入式呈现出的三维结构图以及其清晰的层析切片结构图大大辅助了市场上人们对玉石内部及其表面质量好坏的判断鉴定，增加了鉴定过程中的准确性、客观性、科学性。
关键词：光学投影层析成像技术；高动态范围；玉石；三维结构图；鉴定中图分类号：O439文献标志码：ADOI:10.13797/ki.jfosu.1008-0171.2019.0004随着人们生活水平的提高，喜欢翡翠玉石等有收藏价值的矿石的人群越来越多，且对翡翠玉石质量要求越来越高，而因其频于变化的玉石品种及价格，具有较大的跨越性，使得我国内地翡翠玉石业发展迅速。
影响玉石质量的主要标准有三大类，分别为透明度、“翠性”（絮）以及颜色。
而靠自然力量制成的宝石和翡翠质量好的少之又少。
在新材料化学与新技术的发展下，以及人们对翡翠玉石的需要和追求下，催生了很多人工玉石的出产，部分不良商家在利益诱惑下出售经人为加工的次翡翠玉石，如经过酸洗与冲胶处理后的B货翡翠；或人工切磨成状后填充染料的翡翠仿制品C货。
在这些产品充斥下，市场上对翡翠质量的鉴定具有相当的必要性。
目前人们主要有两种方式去观察玉石：一是凭经验用肉眼进行观察，但很难避免会出现误判等不准确的结果，极易受主观因素的影响，且很难清晰观察到玉石内部层析结构纹理；二是红外线光谱分析方法，采用相关吸收光谱分析翡翠玉石内部的共价键类型判断其天然还是仿制品，但此方法无法观察到内部纹理及色度等信息。
生物光声层析成像中不均匀和不稳定照明解决方法
第14卷第2期 2021年3月文章编号 2095-1531(2021)02-0307-13生物光声层析成像中不均匀和不稳定照明解决方法孟琪5孙正^(1•华北电力大学电子与通信工程系，河北保定071003;2.华北电力大学河北省电力物联网技术重点实验室，河北保定071003 )摘要:在生物组织光声层析成像(Photoacoustic Tomography, PAT)算法中，为了简化问题，通常假设在均匀和稳定照明的理想情况下，重建组织的初始声压分布图、光吸收能量分布图和光学特性参数分布图。
但在实际应用中，当光在生物组 织中传播时,会出现光衰减和光通量分布不均匀的情况，导致重建精度下降。
本文对非理想条件下用于补偿由不均匀和 不稳定照明所致PA T 成像误差的主要方法进行归纳和总结，讨论不同方法的优势和不足。
关键词:光声层析成像；图像重建；不稳定照明；光通量；光吸收系数;光衰减中图分类号:R445;TP391.41 文献标志码:Adoi ： 10.37188/C0.2020-0142Solutions to inhomogeneous and unstable illumination inbiological photoacoustic tomographyMENG Qi 1.2, SUN Zheng 1'”(1. Department o f E lectronic and Communication Engineering,North China Electric Power University^ Baoding 071003, China ；2. Hebei Key Laboratory o f P ower Internet o f Things Technology,North China Electric Power University, Baoding 071003, China)* Correspondingauthor,E-mail,******************.cnAbstract: In biological Photoacoustic Tomography (PAT ), the images of initial pressure , optical depositionand optical properties are usually reconstructed from acoustic measurements based on an ideal assumption of uniform and stable illumination for simplicity . However , in practical applications , optical attenuation and in homogeneous distribution of light fluence in tissues may occur after the imaging target is illuminated by short laser pulses , which results in inaccurate image reconstruction and reduced image quality . This paper summar izes current methods for reducing errors caused by inhomogeneous and unstable illumination in PAT under non-ideal conditions and discusses the advantages and limits of these methods .Key words: photoacoustic tomography ； image reconstruction ； unstable illumination ； light fluence ； optical ab sorption coefficient ； optical attenuation中国光学 Chinese OpticsVol. 14 No. 2Mar. 2021收稿日期:2020-08-12;修订日期:2020-09-21基金项目：国家自然科学基金资助项目（No. 62071181)Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 62071181)308中国光学第14卷1引言光声层析成像（Photoacoustic Tomography，PAT)是一种新型的生物医学成像方法，它结合了 光学成像的高对比度和超声成像的高分辨率' 可应用于眼科[2]、胃肠疾痢31、脑科学[41、心脏病学151和皮肤病学等。
光声断层层析成像系统[发明专利]
![光声断层层析成像系统[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/5e9a0f9da417866fb94a8ea5.png)
专利名称：光声断层层析成像系统
专利类型：发明专利
发明人：龚小竞,刘成波,孟静,林日强,于绍恒,冷官冀,蔺祥伟,胡德鹏,刘筱阳,宋亮,孙明健
申请号：CN201710348851.9
申请日：20170517
公开号：CN107174205A
公开日：
20170919
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供一种光声断层层析成像系统。
通过在激光器及需要进行成像的生物样本之间设置一个具有透光反声特性的透光反声件装置透光反声件使得所述激光器发出的激光脉冲透过所述透光反声件声装置并照射到所述生物样本上，所述生物样本受激产生的光声信号将沿所述激光脉冲传输方向原路返回并经所述透光反声件反射后，被超声换能器接收。
从而实现所述激光脉冲传输路径与光声信号传播路径共轴，进而透光反声件大幅提高了所述光声断层层析成像系统的探测效率，因此可保证获得高信噪比的光声信号，使得所述生物样本的成像更加的清晰准确。
申请人：深圳先进技术研究院
地址：518055 广东省深圳市南山区西丽大学城学苑大道1068号
国籍：CN
代理机构：广州三环专利商标代理有限公司
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光声断层成像原理及其在生物医学中的应用
光声断层成像原理及其在生物医学中的应用光声（Photoacoustic）断层成像是一种融合了光学和声学原理的非侵入性成像技术，通过激光照射样本，利用光声效应产生的声波信号来获取样本内部的组织结构和功能信息。
光声断层成像技术在生物医学领域具有广阔的应用前景，可以用于肿瘤检测、血管成像、神经科学研究等领域。
光声断层成像的原理可以简单地描述为，当样本受到激光照射时，吸收光能的组织会产生热膨胀，从而引起热传导和声传导。
热膨胀引起的声波通过超声探头接收，并转化为电信号。
通过测量声波的时间延迟和强度，可以重建出样本内部的组织结构。
光声成像结合了光学和声学的优势，既具备了高分辨率的光学成像能力，又具备了高穿透深度的声学成像能力。
光声断层成像在生物医学中的应用非常广泛。
首先，在肿瘤检测和诊断中，光声断层成像技术可以提供高分辨率的结构成像和功能成像。
对比于传统的医学成像技术，如X射线和磁共振成像（MRI），光声断层成像具有更高的分辨率和更好的组织对比度。
它可以观察到微小的血管结构和异常的血流动力学变化，以检测肿瘤的形态和功能。
此外，光声断层成像还可以通过标记特定的分子来实现肿瘤的免疫荧光显像，从而提高肿瘤的检测和诊断能力。
其次，在血管成像方面，光声断层成像可以实现无创的血管成像，不需要注射造影剂。
光声断层成像可以直接观察到血管的形态和血管内血流的速度，对血管病变和血流动力学的研究具有重要意义。
通过光声断层成像技术，医生可以实时检测血管阻塞、动脉粥样硬化等病变，为血管病的早期预警和治疗提供参考依据。
此外，光声断层成像还在神经科学研究中发挥着重要的作用。
光声断层成像技术可以用于大脑神经元的活动成像，实时观察神经元兴奋活动的变化。
与传统的电生理技术相比，光声断层成像具有更高的时空分辨率，可以捕捉到非常细微的神经元活动，对研究大脑认知、神经退行性疾病等具有重要意义。
除了以上应用之外，光声断层成像还可以应用于眼科成像、皮肤病检测、胚胎发育研究等领域。
光声层析成像研究进展
光声层析成像研究进展
吴宁;任秋实;李长辉
【期刊名称】《中国医疗设备》
【年(卷),期】2015(000)002
【摘要】光声层析成像（Photoacoustic tomography, PAT）是一种新兴的生物医学成像技术，它结合了组织的光学吸收特性以及超声探测优势，具有对比性强、灵敏度高、成像深度深的优点。
本文综述了PAT技术的原理和主要成像手段。
并重点结合PAT的技术优势，讨论了它在临床医学中的巨大应用前景。
【总页数】6页(P16-20,10)
【作者】吴宁;任秋实;李长辉
【作者单位】北京大学工学院生物医学工程系，北京100871;北京大学工学院生物医学工程系，北京100871;北京大学工学院生物医学工程系，北京100871【正文语种】中文
【中图分类】R197.39
【相关文献】
1.光声层析成像研究进展 [J], 吴培;
2.医学光声层析成像技术及其临床应用研究进展 [J], 龚小竞;孟静;白晓淞;郑加祥;宋亮
3.定量光声层析成像的研究进展 [J], 孙正;郑兰
4.生物光声层析成像中不均匀和不稳定照明解决方法 [J], 孟琪;孙正
5.采用稀疏测量数据的有限角度光声层析成像的研究进展 [J], 孙正;闫向阳
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光声层析成像的信号处理_曾亚光
文章编号:0258-7025(2005)01-0097-04光声层析成像的信号处理曾亚光,邢 达*,付洪波,王 毅(华南师范大学激光生命科学研究所,广东广州510631)摘要 报道了采用滤波反投影的光声层析成像的信号处理方法,为了还原空间位置的光声信号,声探测器接收到的光声信号和探测器的脉冲响应在频域进行逆卷积处理;由于光声信号相对于触发时刻的延迟时间就是光声源到探测器的走时,重建时根据光声信号的延迟时间以及声速的距离,把速度势信号反投影到与探测器等距离的圆弧上。
通过多个角度的反投影,能够重建出光声源的图像,但是由于反投影时光声信号投影到没有光声源的地方产生伪迹信号,模糊了光声源图像的边界,降低了图像的分辨率和对比度。
因此在反投影之前采用C T 成像中的R -T 空间滤波函数与光声速度势信号进行卷积处理,然后再进行反投影成像;这种方法降低了由反投影带来的伪迹。
应用这些处理方法,获得了埋藏深度为12mm 的四个光吸收体的二维光声层析成像。
关键词 激光技术;光声成像;滤波反投影;速度势中图分类号 Q 631 文献标识码 ASignal Process of Photoacoustic TomographyZENG Ya -guang ,XING Da ,FU Hong -bo ,WA NG Yi(I nstitute of Laser Li fe S cience ,South China N ormal University ,Guangz hou ,Guangdong 510631,China )A bstract A method of photoaco ustic (PA )tomo g raphy w ith the filte red back projection is proposed.F o r the PA signals o f the sour ce ,real PA pressur es a re obtained by deconvo luting the impulse respo nse o f the t ransducer used for detecting the P A sig nals of samples.T he o ptical abso rptio n dist ributions of the samples are reco nstruc ted using the filter ed back projection w ith sufficient P A pressures in different directio ns.The da ta ar e filtered with SL (Slion -Line )filter before back projecting.Simulatio ns and experiments were perfo rmed to compare the filtered back projection and the direct back projection.T he results prove the filtered back projection method is valid for P A bining this image method ,the tw o -dimension PA imag es of four abso rbe rs buried in 12mm w ere reco nstr ucted.Key words laser technique ;pho to acoustic image ;filter back -pro jectio n ;velocity po tential 收稿日期:2003-08-18;收到修改稿日期:2003-12-08 基金项目:国家重大基础研究前期专项(2002CCC00400)及广东省自然科学基金团队项目(015012)资助课题。
基于光学投影层析技术的非接触体积测量
基于光学投影层析技术的非接触体积测量曾亚光;王磊;王茗祎;韩定安【摘要】依据光学投影层析技术原理，建立一个光学成像系统。
运用labview和matlab软件进行采集与数据处理，实现对物体的三维图像重建，实现对不规则物体体积的非接触测量。
该系统结构简单、成本低、成像分辨率高。
%Based on the technology of optical projection tomography (OPT), the optical imaging system is established. With LabVIEW and MATLAB, data are acquired and processed, and the three dimensional reconstruction of the object is achieved. Also, non-contacting measurement of the volume of the irregular object can be obtained. This system has the advantages of simple structure, low cost and high resolution.【期刊名称】《仪器仪表用户》【年(卷),期】2017(034)001【总页数】3页(P30-31,68)【关键词】光学投影层析;三维成像;非接触光学测量【作者】曾亚光;王磊;王茗祎;韩定安【作者单位】佛山科学技术学院光信息工程系，广东佛山 528000;佛山科学技术学院光信息工程系，广东佛山 528000;佛山科学技术学院光信息工程系，广东佛山 528000;佛山科学技术学院光信息工程系，广东佛山 528000【正文语种】中文【中图分类】TN911.6光学投影层析与医用X-CT 的原理类似,是光学成像技术和CT技术的结合。
先得到样品的投影, 经计算机重建,得到样品的断层及三维结构。
基于多元阵列探测器的快速光声层析成像
华南师范大学硕士学位论文基于多元阵列探测器的快速光声层析成像姓名：尹邦政申请学位级别：硕士专业：光学指导教师：邢达20040601中文摘要中文摘要本工作首先设计开发了以图形化编程语言ＬａｂＶＩＥＷ为应用程序开发平台的ＵＳＢ高速数据采集处理系统，此卡采用ＵＳＢｌ．１的总线接口协议，每秒传输速率达１２Ｍｂ／ｓ，最高采样率为２４ＭＳＰＳ，不仅能够实现对模拟信号的高速采集，一般的输入输出（ＩＯ）功能，而且能够实现高速的计数功能。
着重从硬件和软件方面讨论了该系统的设计，并给出了在ＬａｂＶＩＥＷ中对外部动态连接库的调用方法以及ＵＳＢ驱动程序的设计方法。
此采集卡应用于超微弱发光单光子计数细胞功能分析仪，实现了相关检测的全程自动化测量，该仪器能够灵敏、直接并有对照性地检测超微弱化学发光。
其次，在高速采集卡的基础上设计研制了基于多元线性阵列探测器系统的快速光声层析成像装置，首次实现了基予多元阵列探测器的光声成像。
该装置和方法与现有的成像方法比较，具有快速方便的特点，将它应用于生物组织的光声成像，有望成为一种组织功能在体成像的新方法，并发展成为一种低成本的实用的临床诊断装置。
最后，在基于相控聚焦的多元线性阵列探测器进行快速光声层析成像的方法和装置上，实现了模拟物质的光声层析成像。
实验中采用波长为５３２ｎｍ脉宽为７ｎｓ的倍频Ｑ—ＹＡＧ激光器作为激发光源。
多元线性阵列探测器由３２０个振元组成，采用相控聚焦的方法成像，每次由１１个振群的探测器接受信号并合并１路，一幅图像由“路这样的信号组成。
实验结果能够正确反映样品中的光学吸收分布。
文中详细讨论了多元线性阵列探测器系统的组成和实现方法以及实验装置的组成，相控聚焦的成像算法在多元线性阵列探测器中的应用。
该系统不仅能够实现光声成像，同时能够实现超声成像，还能够实现光声和超声结合成像，这种结合成像为生物组织的功能成像提供更丰富的信息，并进行了光声和超声结合的成像实验。
同时讨论了不同频带的光声信号对光声成像的影响，当探测器的带宽范围与光声压频谱范围基本吻合时，损失的频率成份较少，成像效果较好。
光声信号亚波长成像分辨率的分析与实现
光声信号亚波长成像分辨率的分析与实现TANG Shuai;WEN Ting-dun;HAN Jian-ning【摘要】为提高光声成像的亚波长分辨率,探究了光声信号产生的机理,并对其亚波长分辨率进行了傅里叶分析,发现普通正折射率透镜难以对携带诸多物质细节信息的倏逝波进行成像,通过COMSOL Multiphysics有限元模拟软件对声学超透镜进行建模和仿真,结果发现在该声学透镜对声波的调控作用下,倏逝波在近场区域能够实现较好的成像效果,在对样品进行制备与测试后,实验与仿真效果基本吻合,证实了该声学透镜的实用性.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2018(018)036【总页数】6页(P160-165)【关键词】声子晶体;光声成像;负折射率;声透镜【作者】TANG Shuai;WEN Ting-dun;HAN Jian-ning【作者单位】【正文语种】中文【中图分类】O426.5光声成像技术是声学与光学两大基础物理学科相交叉的一项前沿科学研究[1—5]，其成像的主要参数依据便是物质的光吸收系数，故而其成像特性具有较高的识别度。
由于成像信息的载体是高频超声波，所以光声成像技术与已有的超声成像具有一定的相似性，即能够获取高分辨率的深层组织影像，这使其在生物医学等领域具有广泛的应用前景。
目前在医学成像过程中仍存在一大关键问题：当生物组织受到光波照射后会散射出携带其内部信息的波，这些光波既有传输波又有倏逝波，且它们具有不同的波矢，虽然传输波能向远场传输，但其只记录了生物组织粗略几何形貌的信息特征，而承载其物理形态及化学成分等亚波长信息的倏逝波衰减非常快，只能在近场区进行局域，所以通常很难通过传统的透镜获取此类信息。
针对此种问题，本文提出设计具有负折射率的声学超透镜[6]来提高光声信号的分辨率，对携带更多物质细节信息的倏逝波进行成像，从而突破传统的远场成像手段，实现亚波长分辨率的近场成像效果。
1 光声信号分析光声信号的产生原理如图1所示，其核心即在于当生物组织受热超过一定阈值后，便会产生高频超声信号，而去除激光脉冲后，由于温度下降又会释放热流，如此往复便生成了周期性的超声信号。
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文章编号:025827025(2005)0120097204光声层析成像的信号处理曾亚光,邢 达3,付洪波,王 毅(华南师范大学激光生命科学研究所,广东广州510631)摘要 报道了采用滤波反投影的光声层析成像的信号处理方法,为了还原空间位置的光声信号,声探测器接收到的光声信号和探测器的脉冲响应在频域进行逆卷积处理;由于光声信号相对于触发时刻的延迟时间就是光声源到探测器的走时,重建时根据光声信号的延迟时间以及声速的距离,把速度势信号反投影到与探测器等距离的圆弧上。
通过多个角度的反投影,能够重建出光声源的图像,但是由于反投影时光声信号投影到没有光声源的地方产生伪迹信号,模糊了光声源图像的边界,降低了图像的分辨率和对比度。
因此在反投影之前采用CT 成像中的R 2T 空间滤波函数与光声速度势信号进行卷积处理,然后再进行反投影成像;这种方法降低了由反投影带来的伪迹。
应用这些处理方法,获得了埋藏深度为12mm 的四个光吸收体的二维光声层析成像。
关键词 激光技术;光声成像;滤波反投影;速度势中图分类号 Q 631 文献标识码 ASignal Process of Photoacoustic TomographyZEN G Ya 2guang ,XIN G Da ,FU Hong 2bo ,WAN G Y i(I nstitute of L aser L i f e Science ,S outh China N ormal Universit y ,Guangz hou ,Guang dong 510631,China )Abstract A method of photoacoustic (PA )tomography with the filtered back projection is proposed.For the PA signals of the source ,real PA pressures are obtained by deconvoluting the impulse response of the transducer used for detecting the PA signals of samples.The optical absorption distributions of the samples are reconstructed using the filtered back projection with sufficient PA pressures in different directions.The data are filtered with SL (Slion 2Line )filter before back projecting.Simulations and experiments were performed to compare the filtered back projection and the direct back projection.The results prove the filtered back projection method is valid for PA bining this image method ,the two 2dimension PA images of four absorbers buried in 12mm were reconstructed.K ey w ords laser technique ;photoacoustic image ;filter back 2projection ;velocity potential 收稿日期:2003208218;收到修改稿日期:2003212208 基金项目:国家重大基础研究前期专项(2002CCC00400)及广东省自然科学基金团队项目(015012)资助课题。
作者简介:曾亚光(1975—),男,湖南湘潭人,华南师范大学激光生命科学研究所硕士研究生,主要从事光声成像方面的研究。
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E 2mail :xingda @1 引 言 近年来,生物组织的光声层析成像受到越来越多的关注。
不同生物组织对光的吸收不同。
例如,近红外激光照射下,癌变组织和周围的正常组织光吸收的差异至少有5倍以上[1～3]。
因此生物组织内产生的光声信号反映了组织的光吸收差异,反映组织代谢和病变特征。
应用光声方法对乳腺癌的检测和层析成像成为目前研究的热点[4～10]。
本文报道光声层析成像的信号处理方法:探测器接收到的光声信号和探测器的脉冲响应进行逆卷积处理,得到实际的光声压强;重建中用R 2T 滤波函数来进行空间滤波,并详细给出了这个滤波函数在光声图像重建中的处理方法。
2 光声信号处理方法 探测器在空间某一位置接收到的光声信号和光第32卷 第1期2005年1月中 国 激 光C H IN ESE J OU RNAL O F L ASERSVol.32,No.1J anuary ,2005吸收分布的关系可以表达为[7]λr ′-r i =c 0t A (r ′)d r ′=-4πc pβI 0ρv 0τ0t ∫tp (r i ,ξ)d ξ,(1)方程(1)中A (r ′)表示光吸收量的空间分布,p (r i ,ξ)为光声压强,c p 表示定压热容量,β为热膨胀系数,I 0为照射激光的强度,ρ为密度,v 0为声速,τ0为脉冲激光的脉宽。
方程(1)的强度对应以探测器为球心,半径为c 0t 的球面上的所有点的光吸收总和,因此速度势信号就是光吸收分布的投影信号。
然而探测器接收后的信号并不是实际的光声信号p (r i ,ξ),而是光声信号和探测器的脉冲响应h (t )的卷积。
为了滤去探测器的脉冲响应,把光声信号和脉冲响应信号都变换到频域处理,然后再逆变换得到p (r ,t )≈IFF T p (ω)I (ω)1+cos πωωc ,(2)其中p (ω)和I (ω)分别为探测器接收到的光声信号和探测器的脉冲响应的傅里叶变换,1+co s (πω/ωc )为滤波的窗函数,由于光声信号主要频段在500k Hz ～10M Hz 附近,因此必须加窗函数限制,在实际处理中ωc 取为10M Hz 。
为了求得实际的光声信号必须测量到探测器的脉冲响应,通过聚焦透镜把弱激光聚焦到一块黑色的铝板上产生光声信号,水听器在铝板的背后接收信号,接收到的光声信号作为探测器的脉冲响应信号。
图1中分别给出了探测器接收到的光声信号(A );探测器的脉冲响应信号(B )和光声速度势信号(C )。
图1中纵坐标表示各种信号的相对强度,横坐标表示相对于触发时刻的延迟时间。
图1光声信号(A ),探测器的脉冲响应信号(B )以及处理后的光声速度势信号(C )的波形Fig.1Profile of the photoacoustic signal (A ),impulse response of the detector (B )and the velocity potential (C )3 实验方法 实验样品是用3g 琼脂粉,100g 水和2mL 浓度为20%的脂肪乳剂(int ralipit )溶液加热到70℃后在圆形烧杯中冷却凝结而成。
样品的有效光散射系数约为μs =5mm -1。
样品中埋藏的吸收体是直径为017mm ,长度大约为1～115mm 的铅笔芯,埋藏深度为12mm 。
实验采用的探测器是针状的PVDF 膜水听器(Precision Acoustics L TD ),其探测灵敏度为900nV/Pa ,带宽为50k Hz ～125M Hz ,接收面积直径为015mm ,探测器在离样品65mm 处接收信号。
采用的脉冲激光是倍频的调Q YA G 激光,波长532nm ,脉宽7ns ,脉冲的重复频率为30Hz 。
水听器在光束的正对方向的另一侧接收信号,信号经过前置放大和主放大器后送入数字示波器(TDS3032,Tekt ronix ,最高采样率215GHz ,带宽300M Hz ),数字示波器将采集到的信号数字化后通过GPIB 卡传输到计算机并存储。
样品固定在旋转平台上,计算机控制步进电机旋转样品。
4 投影信号的空间卷积 根据公式(1),某时刻t 的光声信号的积分(速度势)的强度是以探测器为球心,半径为c 0t 的球面上的所有点的光吸收总和(二维情况是以探测器为圆心,半径为c 0t 圆弧上所有的点的光吸收总和)。
图像重建时,将速度势信号的数值赋给与探测器距离为c 0t 的各个点上。
通过多个采集位置的信号叠加,光声源的地方由于叠加的次数多而凸现出来。
本文的实验是对二维的光声层析成像,设I (i ,j )为成像区域的某点的投影信号I (i ,j )=ΣMk =1<(m ,l ),(3)其中M 表示总的探测器数目,l 表示与第m 个探测器的距离,<(m ,l )表示第m 个探测器距离为l 的速度势信号的强度。
这种方法的缺点就是反投影的时候在原来没有光声信号的地方也反投影了信号,产生了伪迹。
实验中采用R 2T 的滤波函数[11],模拟和实际的成像都说明这个滤波函数能有效地抑制光声层析成像中的伪迹,滤波函数时域的离散表达式为h (n )=-2π2d 2(4n 2-1) n =0,±1,…,N 0,(4)其中d 为采样间距,它等于采样率的倒数。
对于旋转扫描采集的情况,同时考虑到滤波函数总是对称的,因此卷积表达为89中 国 激 光 32卷 A (n ,k )=<(n ,k )3h (n )=ΣN 0l =-N 0<(n +l ,k )h (l ) n =0,1,…,N 0,(5)其中<(n ,k )为投影信号,n 表示离探测器的距离,N 0为成像区域总的采样点数,k 表示每次旋转的角度。
实验中只采集到n =1到N 0的<(n )信号,根据方程(5),在卷积过程中还要用到n =-N 0到-1和n =N 0-1到2N 0间的<(n )的值,因此必须扩充<(n )。
成像中按如下方法扩充:在n =-N 0到0之间补以<(n )=[<(1)+<(2)]/2;在n =-N 0-1到2N 0之间补以<(n )=[<(N 0-1)+<(N 0)]/2。
取平均值是为了减小偶然误差。
5 结果和讨论 为了说明这种处理对于成像的作用,给出了模拟成像的比较。
图2(a )中假设一个有一定噪音背景的圆形区域内有一个任意形状的吸收体产生一个局部均匀的光吸收分布。
成像中采用了40个探测器等角度地分布在圆形区域的边界上接收信号并投影成像。