光声成像技术及其医学应用进展

光声成像技术是一种具有广泛应用前景的无损生物医学成像技术,其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,克服了光在组织中的高散射限制,实现了对活体深层组织的高分辨、高对比度成像．近年,光声成像技术得到了飞速发展,从技术层面到应用层面都在不断突破．文中将阐述光声成像技术的基本原理,介绍各种光声成像方法模式的发展现状,总结光声成像技术的优点并展望其在生物医学领域的应用前景及面临的挑战．     

基于光声、热声技术的脑组织结构及功能成像

根据不同组织的光及微波吸收差异，利用光声成像在体观测了小鼠脑皮层血管的分布结构，对由外部针刺所致的脑损伤及脑皮层出血进行高分辨的成像，并利用血管光声信号的强度反映血容量的变化，实现光声脑缺血检测．应用热声成像对小鼠脑部金属异物进行定位检测，结合光声脑皮层血管损伤成像，实现快速异物定位及组织损伤检测双结合的功能成像．实验结果表明光声、热声成像既能显示生物组织的形态结构，又能进行组织内部异物的检测，有望发展成为新型的脑功能成像技术．     

光纤光栅在光声成像中的应用

光纤光栅作为一种新型传感器,受到人们广泛的关注,世界各国学者开展了与之相关的各类研究。该文主要讨论光纤光栅在光声成像系统中对超声波的探测情况,该系统中,可以得到清晰的铅笔芯图像。此外,因为光纤光栅有着体积小和纯光学的特性,可以用在电磁干扰很强的医学内窥镜探测中。在将来,光纤光栅结合光声成像系统有潜力成为一种高质量的成像方式。     

光声成像在生物医学研究中的应用进展

光声成像是一种同时拥有丰富对比度、高空间分辨率和大穿透深度等特点的新型多功能影像技术.其最突出的特征是能够利用生物分子如血红蛋白、脂类、黑色素、胶原蛋白和水的光学吸收差异来表征生理学特性,呈现不同信号源的多对比度清晰图像以揭示组织的解剖结构、功能、代谢和组织学信息.同时,利用外源性对比剂分子可进一步增强图像信噪比和成像深度,特异性成像体内某些低吸收组织器官如淋巴系统、膀胱、肠道,促进疾病的精准诊断或追踪深部组织的生物活动如免疫反应等.光声成像实际上可称为光声分子成像,目前已广泛应用于生物医学研究,但尚缺少系统的总结.该文分别从无标记光声分子成像和有标记光声分子成像两方面回顾典型的应用案例和最新进展,并展望其临床转化前景.     

不同扫描角度下的光声层析成像

光声成像结合了组织纯光学成像和组织纯声学成像的优点,是一种有潜力的无损伤的医学成像技术。本文利用单元探测器对组织进行了90°、120°、150°、180°和360°的旋转扫描,由仿真和实验结果表明,探测器扫描的角度越大,其成像效果越好。     

生物组织的光声层析成像方法

生物组织的光声层析成像是一种新兴的医学成像技术，它可以提供生物组织的光学吸收信息和声学信息，是一种很有前途的可以发展成为临床的医学检测方法。简要介绍了光声层析成像技术的机理，报道了国内外几种典型的光声成像方法，讨论了目前光声层析成像研究中存在的问题，并指出了光声层析成像发展方向。     

激光波长对光声成像深度影响研究

基于组织纯吸收理想模型,研究了组织吸收对穿透光强的影响,得出激光在组织中特定穿透深度时光强与吸收系数的关系曲线,结合各种波长激光在血红蛋白中的吸收系数,提出了激光在血红蛋白中的有效穿透深度分别为d≤1 cm,1 cm相似文献   

基于声学散射透镜的低成本光声断层成像方法

光声断层成像需要使用换能器阵列及多通道系统，硬件成本较高，制约了其广泛应用.为降低成本，设计了一种基于声学散射透镜的光声断层成像方法，利用声学多重散射过程中的多路径效应达到增大探测阵列等效数值孔径的作用，从而减少信号探测过程所需换能器数量.通过数值模拟实验，首先分析了散射透镜格林函数的精确测量方法，随后利用四个散射透镜共同作用实现了高质量光声断层成像，并对影响成像质量的相关因素进行了具体研究.提出的散射透镜无须复杂制作工艺或特殊材料，系统只需四个超声换能器即可实现快速成像，可降低光声断层成像系统的硬件成本.     

基于增强倏逝波的声透镜光声成像系统设计

光声成像是一种新近迅速发展起来、基于生物组织内部光学吸收差异、以超声作媒介的无损生物光子成像方法。在分析当前光声成像系统中传统声学透镜的倏逝波衰减导致包含图像细节的高频信息丢失的基础上,提出使用负折射透镜,让倏逝波参与成像,突破传统声学透镜的衍射极限,从而大幅提高成像分辨率。同时依据光声效应产生的超声波具有波的特性,在研究中还发展、完善了声学信息系统的相关理论以及三维声成像技术。通过实验对比得到了超越普通声学透镜的生物组织的光声成像效果。     

光声耦合液的研制方法

为了提高光声成像的质量,本文提出了利用与组织声速匹配的耦合液进行光声成像,并配置了几种适合于组织声速的超声耦合液：调节水温、调节盐水浓度、调节甘油溶度等。这将对光声层析成像技术发展成为新型的无损伤的临床医学诊断方法,特别是对肿瘤进行临床诊断,有重要的应用价值。     

光声傅里叶变换成像理论

依据光声效应产生的超声波具有波的特性，借鉴光学成像理论，提出了一种新的光声信号成像模式－利用声透镜直接成像。以声场复振幅来描述声场分布，根据基尔霍夫衍射理论，从理论上推导了声透镜的脉冲响应，并通过实验得到了生物组织的功能成像。     

等深度脉冲回波法进行非线性声参量成像的研究

提出了等深度脉冲回波法对生物组织进行非线性声参量成像的原理和方法，建立了一套脉冲反射式C扫B／A成像系统。利用该系统，对猪肝和脂肪组织的四种组合样品进行了非线性参量C－扫成像的实验，所得图像与样品模型符合的较好。     

二维声子晶体负折射成像效应及其分辨率对比

采用有限元分析方法,研究了声子晶体负折射现象与板厚度的关系.通过对比分析声子晶体单板成像系统和串联式声子晶体多板成像系统,结果发现多板系统的像点强度较强,但分辨率却高于单板系统.利用串联式声子晶体多板成像系统可以提高成像质量.     

光声成像技术在鸣禽脑中的应用

鸣禽鸣啭学习与记忆机制的研究是当今神经科学领域的一个特色分支,近年来该研究迅猛发展.光声成像是一种新型无损脑功能成像技术.该文首次采用光声成像技术对鸣禽斑胸草雀脑进行研究,以期为揭示鸣禽鸣唱机制提供新的手段.     

基于生物组织偏振特性的肝癌检测方法研究

肝细胞性肝癌属于原发性肝癌的一种,在我国发病率较高,且发病隐匿。癌变组织的组织结构和细胞形态会发生改变,这种亚波长微观结构的改变可以通过生物组织的偏振特性进行表达。根据光与生物组织相互作用原理,设计生物组织偏振成像系统,对30 μm厚的未染色肝细胞性肝癌切片进行成像,借助与组织作用后背向散射光的偏振差异来表征生物组织的结构差异。实验结果表明,在各起偏角度的线偏振度图像中,肝癌组织与肝硬化组织的对比度较普通强度图像平均提升91%,最高提升155%,在切片较厚、未染色条件下线偏振度成像方法具有区分癌变组织和非癌变组织的能力,为肝癌的病理检测提供了一种新的思路。     

基于生物组织偏振特性的肝癌检测方法

肝细胞性肝癌属于原发性肝癌的一种,在我国发病率较高,且发病隐匿。癌变组织的组织结构和细胞形态会发生改变,这种亚波长微观结构的改变可以通过生物组织的偏振特性进行表达。根据光与生物组织相互作用原理,设计生物组织偏振成像系统,对30μm厚的未染色肝细胞性肝癌切片进行成像,借助与组织作用后背向散射光的偏振差异来表征生物组织的结构差异。实验结果表明,在各起偏角度的线偏振度图像中,肝癌组织与肝硬化组织的对比度较普通强度图像平均提升91%,最高提升155%,在切片较厚、未染色条件下线偏振度成像方法具有区分癌变组织和非癌变组织的能力,为肝癌的病理检测提供了一种新的思路。     

基于光声技术的火灾气体探测系统设计

近年来，针对标识性气体的探测成为火灾探测技术中发展最活跃的领域之一。将可检测极低浓度的某一气体的光声检测技术应用于极早期火灾气体产物的检测是一个新的尝试，将可能实现高灵敏度、高可靠性的火灾探测。但常规光声气体检测设备结构复杂、价格昂贵，必须恰当的重新设计才能应用到火灾探测系统中。分析了该技术在火灾探测中应用的关键问题,并提出了一种利用光声腔和光源间的“自由吸收路径”进行测量的光声气体探测系统，避免了对光源的窄带滤波要求，实现了在线式的气体检测。起始状态下，光声腔密封有纯CO气体，吸收光源中4.6 μm的辐射，产生一定强度的初始光声信号；当火灾气体产物流经吸收路径时，其中的CO气体吸收使到达光声腔的光辐射在4.6 μm波长上发生衰减，导致光声信号减弱，这个信号的变化量就反映了吸收路径中的CO气体浓度。     

基于反馈环全光纤干涉的一种新型光声检测方法

提出了一种光声检测的新方法,这种检测方法的拾音器部分主要采用了单模光纤,通过带有反馈环的全光纤干涉系统来放大光声信号.气体吸收腔则采用了在气体吸收红外指纹区具有较宽低损窗口的空芯光纤作为谐振光声池.基于光纤应变传感器的基本原理和弹光效应推导出光声换能公式,并搭建了整个实验系统进行测量,得到干涉信号的强度与声信号衰减趋势相同.根据实测结果进行了干涉信号强度与声信号强度的指数衰减曲线的拟合,得到了平均为0.98的较高的拟合度.比较了不同内径的空芯光纤光声池的实验结果,发现内径较大的光声池灵敏度更高.     

扫描电子声显微镜对生物样品的成像研究

介绍了利用扫描电子声显微镜对多种生物材料进行的各种成像实验及其结果.为了显示亚表面深层结构,利用扫描电子声信号的不同分量进行成像实验.利用不同相位的电子声信号的x分量和y分量成像,对小鼠的心脏组织、肝组织、人的角膜组织等进行了成像实验,得到了各种组织的亚表面分层结构像.通过光热技术测得生物材料的热扩散长度近似值,估算出了分层成像各层的大致深度.最后,对电子束照射引起的损伤区域,利用扫描电子声显微镜和扫描电子显微镜进行对比实验,结果表明,利用扫描电子声显微镜技术可以看到扫描电子显微镜看不到的损伤区域.     

基于锌（II）-二甲基吡啶胺的靶向探针成像研究

锌（II）-二甲基吡啶胺（ZnDPA）作为小分子靶向基团,靶向凋亡或死亡细胞中的阴离子磷脂质膜——磷脂酰丝氨酸（PS）.文章总结了ZnDPA与其他分子成像探针结合的体内成像,如荧光成像、磁共振成像（MRI）、光声成像（PAI）、正电子发射型计算机断层显像（PET）,并且结合药物分子成为诊疗一体化探针,在炎症、细菌感染、癌症等方面都有着广泛的应用.最后讨论并展望了ZnDPA小分子探针未来的发展趋势.