廣州工商學院電子信息工程系 劉偉慈 梁瑞生

頻域光聲成像系統(tǒng)的探討

廣州工商學院電子信息工程系 劉偉慈 梁瑞生

本文研究頻域光聲成像系統(tǒng)，即頻域光聲斷層成像系統(tǒng)和頻域光聲顯微系統(tǒng)，并探討了其成像模式：線性頻率調(diào)制模式、離散頻率調(diào)制模式和復(fù)合頻率調(diào)制模式。

頻域光聲斷層成像系統(tǒng)；頻域光聲顯微系統(tǒng)；頻率調(diào)制模式

1　引言

光聲成像作為一種新型無損的生物醫(yī)學影像技術(shù)，具有非接觸、高對比度、高分辨率及深度探測等優(yōu)點，近年來在生物組織醫(yī)學圖像領(lǐng)域廣受關(guān)注與期待，具有很大的發(fā)展與創(chuàng)新空間。光聲成像系統(tǒng)主要分為時域光聲成像系統(tǒng)和頻域光聲成像系統(tǒng)。在過去二十多年，時域光聲成像取得了極大的發(fā)展，但是價格高，不便攜，圖像重建質(zhì)量還有待提升。因此，近年來國內(nèi)外多個研究小組，如美國、加拿大、德國、瑞生等，國內(nèi)如北京大學、復(fù)旦大學、天津大學、華南師范大學、深圳先進技術(shù)研究院等紛紛轉(zhuǎn)向研究頻率域光聲成像技術(shù)。頻域光聲成像是指使用輸出幅值受到周期性調(diào)制的連續(xù)波激光器作為光源輻射組織產(chǎn)生光聲信號的成像方式，兼具光學成像對比度大與聲學成像深度大的優(yōu)點，在生物組織病變診斷及材料特性分析具有重要優(yōu)勢。本文主要探討頻域光聲斷層成像系統(tǒng)和頻域光聲顯微成像系統(tǒng)，以及成像調(diào)制模式。

2　頻域光聲成像系統(tǒng)

頻域光聲成像系統(tǒng)主要有頻域斷層成像系統(tǒng)和頻域顯微成像系統(tǒng)。

2.1頻域光聲斷層成像

光聲斷層成像作為光聲成像領(lǐng)域發(fā)展較早的一項技術(shù)，因其成像效果上受限最少，在實際應(yīng)用中非常通用。

圖1　頻率域光聲成像系統(tǒng)框圖

圖2 頻域光聲和雙光子混合顯微系統(tǒng)圖

圖1為頻域光聲成像系統(tǒng)，其工作原理是函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生調(diào)制波形輸給連續(xù)波激光器，然后激光器輸出調(diào)制后的激光光束，準直后照射到樣本產(chǎn)生超聲波，傳感器接收超聲波后將其轉(zhuǎn)為電信號，放大器放大該電信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡。最后利用頻域信號處理方法和圖像重建算法，即可得到樣本某一個截面的圖像信息。

2.2光聲顯微成像

光聲顯微成像利用組織光吸收特性的差異作為對比機制，又利用了聲波在組織內(nèi)穿透深度較大的特點，結(jié)合了光學顯微和聲學顯微各自的優(yōu)勢。而多光子顯微系統(tǒng)能揭示生物樣本的結(jié)構(gòu)和功能信息，是近年來新興的強有力的顯微成像模式。

在圖2中，頻域光聲和雙光子混合顯微成像系統(tǒng)中激光光束經(jīng)過衰減、準直到達第一個分色鏡并耦合到多光子光路中，接著經(jīng)過透鏡組聚焦，到達掃描振鏡，隨之激光光束經(jīng)過分色鏡通過電鏡系統(tǒng)擴束后進入物鏡，然后光束聚焦到組織樣本產(chǎn)生超聲波并轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過放大器放大后被數(shù)據(jù)采集卡采集記錄.最后 通過調(diào)整傳感器的聚焦位置，實現(xiàn)聚焦成像或是離焦成像。

3　成像調(diào)制模式

3.1線性頻率調(diào)制模式

線性頻率調(diào)制模式是采用連續(xù)波激光光源，利用一定頻段的線性掃頻對連續(xù)波激光器的輸出光強進行調(diào)制。但這種模式實際上是一種時域和頻域混合的模式存在成像時間較長，占用內(nèi)存較多等時域光聲成像普遍存在的問題

3.2離散頻率調(diào)制模式

離散頻率調(diào)制模式是函數(shù)發(fā)生器連續(xù)產(chǎn)生若干個單一頻率的正弦波對連續(xù)波激光器輸出光強進行調(diào)制.將離散頻率模式中的各個頻率分量作為諧波分量，加和產(chǎn)生一個復(fù)合波形，用這個包含特定諧波分量的復(fù)合波形調(diào)制激光器激發(fā)樣本，從頻域的角度講，就是同時用若干個頻率分量對樣本進行激發(fā)，并對這若干個頻率分量對應(yīng)的超聲信號進行同時采集，從而大幅提高成像和信號采集時間，使成像過程更加實時。

離散頻率調(diào)制模式是離散頻率分量分別對樣本進行激發(fā)，然后利用送些特定頻率分量處的超聲信號對樣本進行重建成像模式。因此，如果該模式選擇了合適的頻率帶寬和頻率數(shù)量，即可獲得較好質(zhì)量的重建圖像。

3.3復(fù)合頻率調(diào)制模式

復(fù)合調(diào)制模式是指將離散模式下的各個單一頻率的正弦波作為若干個諧波分量進行加和形成時域復(fù)合波形。復(fù)合頻率調(diào)制模式能進行有效成像，使得成像時間縮短并且提供更豐富的目標信息，方便更全面地了解目標特性。

4　結(jié)束

頻域光聲成像具有廣泛的應(yīng)用前景，進一步提升基于頻率模式的頻域光聲重建算法的性能，改進頻域光聲斷層成像系統(tǒng)和頻域光聲顯微系統(tǒng)的硬件設(shè)計，以逼近實時成像，提升圖像信噪比，爭取設(shè)計出新型的智能便攜純頻域光聲成像系統(tǒng)，并希望將該技術(shù)早日運用到臨床實踐中，為人類疾病檢測和治療、藥物研制等提供支持和幫助，造福人類。

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項目：本文由廣州工商學院2016科研項目支持，項目編號：KA201625。