小型化光学超声传感器及其在光声成像中的应用进展（特邀）

目前光声成像中用于探测超声波的主流器件是基于压电材料的超声换能器,考虑到这类换能器的探测性能随器件尺寸的减小而大幅下降,科研者们近年来开始逐渐关注于小型化光学超声传感器的研究与开发。相较于传统的压电超声换能器,这些小型化的光学超声传感器通常具备较宽的探测带宽和与尺寸几乎无关的高灵敏度,在推动更深和更高分辨率的光声成像方面展现出了巨大的潜力。本文首先对光学超声传感器的发展历程进行了简要回顾,然后比较了3种重要的小型化光学超声传感器以及并行寻址的方法,其次介绍了这些传感器在光声活体成像方面的应用进展,最后展望了光学超声传感器的未来前景。     

基于光纤的反射模式的声分辨光声显微系统

提出一种简单的基于光纤照明的暗场反 射型声分辨光声显微(AR-PAM)系统。 9根光纤均匀分布在超声换能器周围,每根光纤与声换能器中心轴线夹角为45°, 光纤传输脉冲激光进入样本内部,形成一个中心无光的环形聚焦区域,与声换能 器的焦面重合,实现暗场共焦光声成像。声换能器的中心频率为50M Hz, 带宽为30MHz,声透镜的焦距为4.1mm,F值为1.4。使用本文系统分别对打印 的200μm宽黑格子和大鼠耳朵进行扫描成像实验,成像的黑格子宽 度与实际宽度相 符合,而且在大鼠耳朵扫描图像上可以清晰分辨出扫描部位的血管。实验结果证 明,基于简单光纤照明的共焦暗场AR-PAM系统具有较高的分辨率、对比度和大的成像深度 。     

基于激光诱导超声换能器的磁声电成像研究

生物组织的电学特征对肿瘤的早期诊断具有重要意义。通过测量样品的洛伦兹力效应,磁声电成像可以检测到生物组织电导率的变化,从而实现肿瘤组织的早期诊断。现有的磁声电成像采用传统的压电超声换能器产生超声激励,为了避免静磁场对超声激励系统的干扰,这种方法要求压电超声换能器必须远离被测样品,从而导致超声探头和被测样品间存在较大的超声传播距离,不利于在临床中进一步研究。首先设计了基于光声热弹效应的激光诱导超声换能器,这种光学超声换能器采用优化的炭黑和聚二甲基硅氧烷复合结构,减小了复合膜厚度,有望产生高频和高强度超声信号;然后对优化的复合膜激光诱导超声换能器的超声特性进行分析,并利用激光诱导超声换能器进行磁声电成像实验。结果表明:激光诱导超声换能器产生的超声信号具有与压电换能器产生的超声信号可比的压强幅度和超声带宽,-6 dB超声带宽接近7.5 MHz,产生的超声强度达到2.5 MPa;在磁场环境中,激光诱导超声换能器能提供一种无电子结构的超声激励方式,有效减小了磁声电成像中超声激励源的电磁干扰,具有良好的电磁兼容特性。     

新型声学分辨率光声显微镜系统照明设计

声学分辨率光声显微镜探测深度可达厘米量级,已有声学分辨率光声显微镜照明方式的主流设计方案在明场、暗场照明方式切换,光能利用率等方面仍存在不足,在一定程度上限制了声学分辨率光声显微镜系统的应用范围。提出了一种能够提高光能利用率,可实现明场、暗场照明切换并增大调节范围的声学分辨率光声显微镜系统设计,利用凸透镜对光束的会聚功能,对发散环形光束产生一定程度的聚焦,减小环形光束的环带尺寸。蒙特卡罗模拟结果显示,最终入射在组织表面的光斑直径得到有效减小,组织中超声换能器有效探测区域的光能流量分布最多可增强6倍,因此光声信号强度也相应地得到线性增强;与此同时,凸透镜的加入还增加了系统光聚焦深度的调节范围,在超声换能器聚焦深度不变的情况下,调节系统的光聚焦深度,有助于在不同样品中获得最佳的光声信号强度。     

基于脉冲激光二极管的小型化光学分辨式光声显微成像系统

采用具有价格低、体积小、寿命长、重复率高等优点的脉冲激光二极管,搭建了一套光学分辨模式的小型化光声显微成像系统,并获得了碳纤维原丝和微血管网络样品的光声显微成像。实验中,脉冲激光二极管光源由三维平移台驱动做C型扫描逐点激发,产生的光声信号由1-3复合材料超宽带超声传感器接收。实验表明,接收的光声数据信噪比可达约11dB,该系统的横向分辨率在上一代系统样机500μm的基础上提高到1.5μm,有望发展成为一种低成本、实时、便携式的高分辨率光声显微成像技术。     

多种长焦区聚焦超声采集频率的人体甲状腺光声成像

临床上常规的超声成像对甲状腺结节进行诊断时存在误诊和漏诊。研究了利用多种采集频率的长焦区聚焦换能器进行光声成像的方法。在模拟样品里埋入不同尺寸的血块模拟病变组织,采用不同中心频率的换能器对模拟样品进行光声成像,然后将血液注入正常人体甲状腺内部形成两处瘀血区,模拟病变甲状腺组织,经二维扫描重构出模拟病变甲状腺组织的三维光声图像。结果表明,不同频率的超声换能器对不同尺寸病灶体的探测灵敏度存在较大差异,5MHz的宽带换能器对几百微米直至毫米量级大小的病灶体均具有良好的灵敏度。获得了甲状腺及其内部两处瘀血区域的较高分辨率和对比度的三维图像。此项技术有望与超声成像技术结合,进一步提高甲状腺疾病诊断的准确率。     

基于Labview的光声信号采集和成像系统

为了实现光声信号的快速采集和图像重建,采用基于Labview软件平台的光声信号采集和成像系统进行光声信号采集,并调用Matlab程序对采集到的数据进行处理,最后利用滤波反投影重建算法,实现了对模拟组织样品的光声层析成像。成像系统的分辨率为0.15mm,重建图像与实物十分吻合。实验表明,该系统具有快速、方便、直观等特点,有望发展成为一种低成本的实用的临床诊断仪器。     

高速128通道小动物多光谱光声断层成像系统

为了实现小动物光声断层信号的高速采集和实时高质量图像的重建,采用了覆盖角度为270°的128阵元弧形聚焦超声换能器、4个32通道的NI公司数据采集模块和可调谐脉冲激光器以及正则化优化的基于模型的光声断层重建算法。结果表明,系统的空间分辨率可以达到180μm;此系统可以在1ms内完成光声断层数据的采集,在40s以内获得高质量的重建图像。该系统可以用于开展小动物在体的多光谱光声断层成像实验研究。     

声折射对光声成像的影响

研究了光声信号声速失配时所起的声折射对光声成像的影响,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.实验结果表明,进行声速匹配后重建出的图像对比度有明显地提高,背景伪迹减少,分辨率由0.50 mm提高到0.15 mm,重建图像与实物十分吻合.     

小型化光声成像技术在生物医学领域的研究进展

光声成像具有无损、高分辨率、高对比度等特点,在心脑血管研究、肿瘤研究、脑科学研究与疾病初期诊断等领域有广泛的应用。随着光机电技术的进步,小型化光声成像技术得到了较快发展。本文围绕光声成像系统的小型化与集成化应用,分别对光声成像在手持式、可穿戴式、便携式和内窥式方面的研究进展进行了综述。     

光声显微成像技术研究进展及其应用

光声显微成像技术是近年发展迅速的一种基于光学吸收差异的成像技术,它继承了光学成像对比度高、超声成像深度深的优点,表现出纯光学显微成像技术所无法比拟的优越性。光声显微成像实现了从声学分辨率至光学分辨率的多尺度成像,发展出从单纯的吸收结构到功能的多参量成像、从依靠内源吸收体到外源对比剂的多对比度成像、从依赖超声换能器到全光学激发与探测、从单一吸收成像到与光学相干层析成像、荧光成像、双光子成像、二次谐波成像等结合形成多模态的光声显微成像技术。现已在血管生物学、肿瘤学、神经学、眼科学,以及皮肤学等生物医学领域得到应用。     

基于虚拟仪器的光声信号采集和成像系统

为了实现光声信号的快速采集和图像重建,采用基于虚拟仪器的光声信号采集和成像系统进行光声信号采集,由LABVIEW调用MATLAB程序对采集到的数据进行处理,最后利用滤波反投影重建算法,实现了对模拟组织样品的光声层析成像。成像系统的分辨率为0.15mm,重建图像与实物十分吻合。结果表明,该系统具有快速、方便、直观等特点,有望发展成为一种低成本的实用的临床诊断仪器。     

组织光声弹性成像

触诊和弹性成像是测量组织硬度、反映疾病状态的常见医学诊断方法,在现有的组织弹性成像技术中超声弹性成像已经相当成熟。光声成像利用组织吸收脉冲光产生的光声信号进行成像,兼具光学成像高选择性和纯超声成像高成像深度的优点;弹性成像是将材料的弹性信息转换成图像,一般分为诱导形变、测量形变和形成图像这几个步骤。基于光声技术的弹性探测及成像的机理和技术已有报道,回顾了当前光声弹性探测的研究成果。在此基础上,基于光声信号本身即为组织热弹性形变产生的超声波,即超声波的传输与组织的弹性特性相关,提出基于光声信号的组织弹性分析,结合光声的功能成像实现功能和弹性的多功能成像,为疾病,特别是肿瘤的诊断与治疗提供更精确的信息。     

生物组织高对比度的快速光声层析成像

为了得到高对比度的快速光声层析成像,采用甘油增加组织的透明度,结合多元相控技术的成像方法,获得了活体动物不同直径血管的光声重建图像.成像系统的横向分辨率为0.5mm,光声采集成像时间为5s.实验结果表明,该成像方法与现有的方法比较,具有成像对比度高、快速方便等特点,并有望成为一种组织功能在体成像的新方法.     

光声技术在脑组织成像中的应用（特邀）

基于激光诱导超声机制的光声成像技术结合了光学成像的高对比度和超声成像的深穿透性,能无标记、非侵入反映生命体内源性吸收物质的分布,适合啮齿类动物模型全脑的即时成像。为了证明光声技术在脑科学研究和脑疾病监测中的应用,搭建了光声显微成像系统,其空间分辨率可达几十微米,有效成像深度可达1 mm以上,并以APP/PS1转基因阿尔茨海默症（Alzheimer’s disease, AD）模型小鼠和野生型WT小鼠为研究对象,从脑组织切片、离体全脑和活体全脑三个层面探究了光声成像在表征AD鼠和WT鼠脑结构变化和血管网络的能力,证明了光声技术在研究脑疾病发展过程中监控脑结构变化和脑血管网络特征的巨大潜力,可以为诸多脑科学研究和神经退行性疾病发展机制提供更深入的见解。     

聚偏氟乙烯有机压电薄膜超声换能器及其应用

本丈描述了聚偏氟乙烯(PVDF)有机压电薄膜超声换能器的结构设计、工艺要点、性能测试和有效的应用。 测试结果指出,PVDF超声换能器具有良好的宽带特性以及在直到10MHz频率范围的平坦的频率响应。 实验证明,利用铜背衬结构可以提高薄膜换能器的发射灵敏度和接收灵敏度。 若干应用预示,PVDF压电薄膜超声换能器在超声无损检测、超声成像和超声诊断等诸多应用领域有着广阔的前景。     

频率域光声成像系统的研究

频率域光声成像是指使用连续波激光器输出激光光源,利用该调制后的激光信号辐射组织,在频率域对激励的光声信号进行处理并成像的方式。首先阐述光声成像和频率域光声成像的原理、发展以及研究现状,然后介绍频率域光声成像的具体实验方法和基本重建算法。为了弥补时域光声成像成本高、伤害性大、便携性差等缺点,提出了频率域光声成像的两种成像方式,给出了完整的实验系统结构图,展示其相对于传统时域光声成像不同的研究特点与方向。最后对频率域光声成像进行展望,为光声成像在国内的研究和发展提供一定的借鉴和引导。     

其它相关学科与技术

Y2000-62004-707 0008994工业超声学、散射与流量=Industrial ultrasonics,scat-tering and flow[会,英]//Proceedings of 1998 IEEE Ul-trasonics Symposium,Vol.1.—707-774(Z)本部分共包括16篇论文。主要研究了超声学理论与超声波技术的工业应用,超声成像,超声 CT 系统,超声场中合金材料的分析,超声振动,超声换能器,声散射等内容。     

基于FPGA的超声相控阵发射系统设计

为使水声成像系统小型化,首创性地提出了将相控阵技术和水下超声成像技术结合在一起,设计了一种基于FPGA的超声相控阵发射系统。对相控聚焦的发射原理进行了分析,利用FPGA的内部逻辑资源和丰富的I/O引脚实现了六通道超声相控阵发射,为有效激励压电换能器设计了信号调理电路对激励信号进行D/A转换及放大。通过实验测试表明,该系统可以实现超声信号的相控发射,相控延时精度达到2.5ns,发射信号稳定,系统集成度高,为水下超声成像提供了一种新的途径,具有较强的应用价值。     

超声内窥合成孔径成像技术的研究

将广泛应用于雷达系统的合成孔径技术引入超声内窥成像系统,提出一种基于单换能器探头的超声内窥镜合成孔径成像方法。利用单换能器探头的旋转效应,在旋转的不同时刻与位置发射并接收超声回波,等效合成较大的超声发射孔径,以增强超声图像的信噪比与分辨率。分析了单探头合成孔径技术的原理与合成方法,并在此基础上根据超声回波的编码与线性调频特性,完成纵向与横向的脉冲压缩。最后采用中心频率为8 MHz的换能器对猪皮样本进行探测,可分辨出尺寸为0.8 mm×2 mm的目标,系统的信噪比提升了9.38 dB。