光聲成像技術在兔腦成像中的應用

周智斌

（湖南工業大學綠色包裝與生物納米技術應用重點實驗室，湖南株洲412007）

光聲成像技術在兔腦成像中的應用

周智斌

（湖南工業大學綠色包裝與生物納米技術應用重點實驗室，湖南株洲412007）

伴隨著無損檢測技術的不斷發展，光聲成像技術已成為生物醫學工程領域的研究熱點之一。采用環形陣列探測器作為成像平臺，高頻短波脈沖激光作為輻射源，濾波反投影重建算法進行圖像重建，利用光聲成像技術對兔子頭部進行快速成像試驗。結果表明，該系統能夠實現兔子腦部無損傷、快速高效地成像，并揭示了提高大尺寸動物成像分辨率的方法，為進一步實現醫學無損檢測提供堅實有利的技術條件。

生物醫學工程；光聲成像；兔子；腦部

0 引言

隨著現代醫學的不斷發展以及學科分類的不斷細化，微血管的組織功能與結構日益成為人們關注的焦點。現代醫學研究表明，人類很多腦部疾病的發生都與血管的組織結構和功能有著密切的關系。這不僅需要從宏觀上對腦部進行整體研究，更需要從微觀上對腦血管的結構和功能進行研究，以便通過對血管異常形態的早期檢測實現對某些疾病的有效治療。此外，希望利用光聲成像技術實現對腦部疾病的早期檢測。

在生物醫學工程領域，動物模型被科學家廣泛地應用于生命科學研究中，并起著不可替代的作用。由于技術條件的限制，研究者一直無法完整地獲得動物模型的生理和結構信息。光聲成像技術的出現可以有效地解決上述問題，對生命科學的研究具有重要的價值[1]。但是，在動物模型中對于大尺寸動物腦部成像的研究報道較少，只有少數研究小組利用核磁共振技術進行了初步研究。

醫學成像領域主要形成了以下幾種成像技術：超聲成像技術（ultrasonic imaging）、核磁共振成像技術（magnetic resonance imaging）、X射線成像技術（X-ray imaging technology）、計算機斷層成像技術（computed tomography）、光學相干斷層成像技術（optical coherent tomography）、光聲成像技術（photoacoustic tomography）等。作為成像領域的新秀，光聲成像技術結合了聲學和光學的成像優勢，并展現出了強大的發展潛力。光聲成像技術是指當寬束短脈沖激光輻照生物組織時，位于組織體內的吸收體（如腫瘤）吸收脈沖光能量，從而升溫膨脹，產生超聲波；這時，位于組織體表面的超聲探測器件可接收到這些外傳的超聲波，并依據探測到的光聲信號來重建組織內光能量吸收分布的圖像[2]。目前，光聲成像技術在老鼠頭部檢測已經取得了豐碩成果[3-6]，但在大尺寸動物腦部研究鮮有報道；另一方面，在大尺寸動物光聲成像中很少有人利用陣列探測器進行快速成像研究。因此，利用環形陣列探測器研究大尺寸動物腦部結構功能具有重要意義。中國白兔具有腦部血管豐富、頭蓋骨薄、獲取容易等優點，在光聲成像研究中具有很大的優勢。本研究組主要利用光聲成像技術對白兔進行成像研究，以期揭示如何提高大尺寸動物成像分辨率，并為光聲成像技術在人類疾病的早期檢測中提供依據。

1 理論基礎

1.1 光聲效應

把寬束短脈沖激光照射到組織器官中，組織中的血紅蛋白吸收光子的能量從而產生局部溫差，使得組織器官發生熱彈性膨脹進而產生壓力波；利用體表的超聲探測器接收壓力波的超聲信號；在此過程中完成了由光信號到聲信號的轉變。由此可以看出，光聲成像不僅繼承了純光學成像的高分辨率、高對比度，還集合了純超聲的高穿透等優點。作為新型的無損檢測成像技術，光聲成像可以更安全、更快、更好地為臨床監測提供技術支持[7]。

1.2 濾波反投影算法

物理學熱傳導方程可以表示為[8-9]

然后把式（1）分解成時間和空間的函數，經過相應的變化可得

由于檢測光聲信號可計算出投影S(r)，即可通過積分重建出光吸收分布A(r)，進而得到光聲圖像為

然而在試驗操作中，由于探測器寬帶有限而且容易受到其他因素的影響，因此可將光聲信號表示為

式中：P(r, t)為實際得到的光聲信號；h(t)是探測器的脈沖響應函數。

為了消除探測器脈沖響應函數對圖像重建的影響以及運算的準確性，在進行圖像重建時先對信號進行逆卷積運算及濾波，進而得到實現光聲信號：

式中：IFFT表示傅里葉逆變換；j表示與點源半徑有關的函數；P′()和H()分別表示P′(r, t)和h(t)的傅里葉變換；W()表示濾波的窗函數；W()則表示光聲信號的濾波函數。

2 材料及方法

2.1 材料

準備好8只體質健康、結構緊湊的中國白兔，中國白兔購于湖南省株洲市蘆淞區花鳥市場；戊巴比妥鈉，美國Sigma公司生產；5 mL一次性無菌注射器，河南曙光健士醫療器械集團有限公司生產；脫毛膏，廣州市有喜化妝品有限公司生產。

2.2 試驗裝置

光聲成像系統示意圖如圖1所示。本試驗在光學平臺與隔振系統（M-RS4000-410-12，美國）中進行。脈沖激光（波長532 nm）從激光器（LT-2211，白俄羅斯）中發出，經過光路調節和擴束后使得激光垂直入射到白兔腦部。試驗過程中利用水作為超聲耦合介質。步進機可以控制由256個探元組合而成的復合材料環形陣列光聲傳感器（廣州多浦樂科技有限公司，如圖2所示）的移動，由高速數據采集卡（PCI-5105，美國NI公司）對信號進行采集，信號經過放大濾波，然后經過模數轉換后存儲到計算機中，最后利用濾波反投影算法在計算機中進行光聲圖像重建。

圖1 光聲成像系統示意圖Fig.1Schematic of photoacoustic imaging system

圖2 復合材料環形陣列光聲傳感器Fig.2Composite annular array photoacoustic sensor

2.3 試驗過程

試驗的主要步驟如下。

1）利用質量分數為3%的戊巴比妥鈉（美國sigma，30 mg/kg）靜脈注射將中國白兔麻醉，麻醉后利用脫毛液將其頭部白毛脫去。

2）把白兔頭部和身體固定好，頭部始終保持水平，并在頭部上方覆蓋透明薄膜且兩者直接充滿耦合液，在薄膜上方放滿水。

3）調節環形陣列探測器的高度，以使探測器與兔子頭部處于同一個水平面，并且頭部中心位于環的圓心位置處。

4）進行光聲成像試驗，獲得光聲信號；然后利用濾波反投影算法重建光聲圖像。

5）試驗結束后，通過注射高濃度的戊巴比妥鈉將白兔處死，然后去掉頭蓋骨，觀察其腦部結構，并與試驗圖像進行對比。對老鼠進行光聲成像實驗時采用相同的方式進行。

3 結果與分析

參照光聲成像技術在小鼠腦部中的試驗方法，對白兔的不同截面進行成像，獲取結構完整影像清晰的光聲圖像。本次試驗是基于環形陣列探測器的快速光聲成像研究。試驗中，光聲信號數據采集、傳輸所用的總時間是3 s；與單探頭成像（一般需要20 min）相比，環形陣列探測器完全能夠實現快速高效成像；未來有望實現實時快速監測和成像。圖3a為利用光聲成像技術獲得的兔子大腦皮層血管圖像，圖3b為兔子開顱后的腦部圖像。圖4a為利用光聲成像技術獲得的小鼠腦部圖像，圖4b為小鼠開顱后的腦部圖像。

圖3 兔子腦部圖像Fig.3Rabbit brain photoacoustic image

圖4 小鼠腦部圖像Fig.4Mice brain photoacoustic image

將圖3a與圖3b對比，可以看到利用光聲成像技術能夠實現對大尺寸動物進行腦部成像，從圖3a中可以清晰地看出兔子大腦皮層的主要血管和部分毛細血管；但是在圖像重建過程中，由于積分的疊加效應也使得圖像受到影響。以圖3與圖4的對比中可以看出白兔的實驗圖像比小鼠的實驗圖像略顯不足，其主要原因是由于腦部尺寸增加和圖像重建算法誤差等原因所致。

圖5a為超聲成像獲得人體前臂超聲圖像，圖5b為人體前臂圖。

圖5 人體前臂超聲成像Fig.5Ultrasound images of human forearm

從圖3a與圖5a的對比當中可以看出光聲成像具有明顯的優勢。由于超聲成像是根據組織聲阻抗不同進行成像；從圖5a中只能看到前臂大概的結構而不能看看到精細結構（如血管等），而且從圖中可以看出前臂超聲成像的成像分辨率很低。然而，光聲成像則不同，它是根據組織內光能量吸收分布來進行成像的，能看到兔子腦部的微血管等精細結構；因而可以解決生物醫學工程對動物模型精細結構無損檢測的要求。從兩者的比較可以看出光聲成像技術在大尺寸動物成像中有很大的應用價值。

試驗結果表明，基于環形陣列探測的快速光聲成像系統能夠獲得兔子腦部的光聲圖像，且獲得的兔子腦部圖像血管清晰、結構準確，完全能夠實現對大尺寸動物無損檢測的要求。通過對比光聲成像技術和超聲成像技術發現，光聲成像技術能夠實現對微血管的成像，而超聲成像則不能夠實現這一點。試驗說明，光聲成像技術可以在大尺寸動物的研究中廣泛使用，進一步研究有望實現對人體腦部結構功能成像。同時，光聲成像技術作為新型無損成像手段具有很大的優勢；加強對光聲成像技術的研究有利于造福人類。

4 結語

試驗設計的基于環形陣列探測器的快速光聲成像系統能夠實現大尺寸動物的快速成像，環形陣列探測器不僅大大縮減了成像所需時間，還有利于推廣光聲成像系統的臨床應用；同時，多個位置同時采集能夠提高圖像的信噪比。通過試驗可以發現，未來想要獲得更加清晰的大尺寸動物腦部圖像，可以從以下4個方面入手： 1）提高激光器的重復頻率；2）進一步改進圖像重建算法； 3）提高信號信噪比；4）開發專用的光聲成像陣列探測器。

到目前為止，已經進行了數十年的光聲成像技術研究，取得了豐碩的研究成果。從這些研究成果中可以看出，光聲成像的高分辨率、高對比度、無損傷等具有很大的優勢。可以預見，隨著科學技術的不斷進步、實驗設備性能的提高、技術路線的不斷完善以及圖像重建理論的不斷發展，光聲成像技術必將會在醫學成像領域占有重要地位。

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（責任編輯：申劍）

Application of Photoacoustic Tomography in Rabbit Brain

Zhou Zhibin
（Key Laboratory of Green Packaging and Biological Nanotechnology，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

With the development of the non-destructive testing technology, Photoacoustic imaging technology has become one of the research focuses in biomedical engineering. With an annular array detector as imaging platforms and high-frequency pulse laser as a radiation source, the experiment adopted a filter back-projection algorithm to rebuild images and applied the photoacoustic tomography for fast imaging of rabbit brain. Experimental results showed that the system realized non-destructive, fast and efficient rabbit brain imaging, which revealed how to improve the imaging resolution of large size animals and further provided solid favorable technical conditions for medical nondestructive testing.

biomedical engineering；photoacoustic tomography；rabbit；brain

O429

A

1673-9833(2014)04-0057-04

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.04.013

2014-02-25

國家自然科學基金資助項目（11374094）

周智斌（1989-），男，湖南郴州人，湖南工業大學碩士生，主要研究方向為光聲成像，E-mail：670857256@qq.com