成像深度對光聲層析成像的影響

譚　毅，李長輝

(1.陜西理工大學 物理與電信工程學院，陜西 漢中 723001；2.北京大學 工學院 生物醫學工程系，北京 100871)

?

成像深度對光聲層析成像的影響

譚毅1*，李長輝2

(1.陜西理工大學 物理與電信工程學院，陜西 漢中 723001；2.北京大學 工學院 生物醫學工程系，北京 100871)

為了研究不同成像深度對光聲層析成像質量的影響，利用多元線性陣列探測器在有限方位進行探測成像。由仿真和實驗結果表明，吸收體離探測器越近，其成像效果較好，當多元線性陣列探測器的尺寸與成像深度比小于1時，重建圖像畸變明顯。在這種情況下，采用旋轉掃描探測，其成像效果明顯提高。該研究結果對光聲層析成像掃描軌跡的設計、成像效果評估具有較好的參考價值。

光聲層析成像；成像深度；醫用光學與生物技術

1　引　言

利用時變的光束照射吸收體時，吸收體因受熱膨脹而產生聲壓，這種現象叫做光聲效應。在各個方向探測從吸收體中傳播出來的光聲壓，并通過相應的圖像重建算法，就可以重建出吸收體的光吸收分布。這種成像方法集合了光學性質的高對比度的優點以及超聲成像技術的高分辨率、高穿透深度的優點，所以可以得到高分辨率、高對比度的重建圖像[1-3]。

為了提高光聲信號的采集效率，國內外很多研究小組都在發展各種多元陣列探測器在有限方位探測成像[4-8]。為了進行更深層病變組織的光聲成像，研究人員利用微波激發熱聲信號[9-10]，以及給病變組織加入特定波長吸收的造影劑[11-18]，使光聲信號的強度增加，從而可以實現深層病變組織的快速光聲成像。但是對于多元陣列探測器在有限方位對深層病變組織進行探測成像時，由于數值孔徑的變小，導致圖像質量變差。為了解決這個問題，研究人員提出利用1個或者2個聲反射鏡[19-20]，使探測的數值孔徑變大，通過超聲加熱編碼使探測的數值孔徑變大[21]，或者通過旋轉多元陣列探測器[22]、旋轉樣品[23]以及直接采用環形陣列探測器[24]，在360°范圍內探測掃描成像，從而改善重建圖像的質量。但基于成像深度變化引起探測器的數值孔徑變化，從而引起重建圖像有著不同的畸變，究竟在什么情況下需要通過旋轉多元陣列探測器來改善其數值孔徑，而且旋轉的次數對圖像質量究竟有多大的改變，目前還沒有類似報道。

本文利用多元線性陣列探測器在有限方位對不同成像深度進行光聲層析成像，由仿真和實驗結果表明，吸收體離探測器越近，即探測器的數值孔徑越大，其成像效果較好，當多元線性陣列探測器的尺寸與成像深度比小于1時，重建圖像畸變明顯，在這種情況下，采用旋轉掃描探測，其成像效果明顯提高。

2　理論分析

光聲成像就是對光吸收空間分布的反演。在忽略熱傳導的情況下，對于聲速均勻的組織，探測器在空間某一位置接收到的光聲信號p(r,t)和光吸收系數分布A(r)的關系可以表示為[2]:

(1)

式中，β為等壓膨脹系數，c為聲速，Cp為比熱，I0為光強，τ為脈沖激光的脈寬，r表示光聲信號場點的位置，r′表示光聲源的位置，t表示光聲信號從源點傳播到場點所用的時間。

由于多元線性陣列探測器只在有限方位接收光聲信號，假設不能掃描方位的數據為零，由式(1)可得二維斷層反投影重建光吸收分布為[25]:

(2)

圖1　多元線性陣列探測器與成像區域的相對位置 Fig.1　Relative position of the multiple linear array detectors and the imaging area

3　仿真研究

圖1中兩個圓形的黑點為吸收體，設其直徑均為2.0 mm，圓心距為8.0 mm，其光學吸收系數為1.0，背景的光學吸收系數為0.02，成像區域的像素點數為201×201個(尺寸為2.0 cm×2.0 cm)，像素點之間的點距為0.1 mm/pixel，吸收體和背景之間沒有聲阻抗差別，脈沖激光沿著-z軸方向均勻的照射在成像區域上。根據式(1)計算吸收體在不同位置處產生的光聲壓，將多元線性陣列探測器(共有128個探測單元，每個探測單元都視為一個理想的點探測器，相鄰探測單元之間的距離為0.31 mm，即整個多元線性陣列探測器的寬度約為4.0 cm)置于成像區域的左側，選用多元線性陣列探測器正對兩個圓形黑色吸收體的探測單元進行光聲信號的探測，其結果如圖2(a)～2(d)所示，探測單元到成像區域邊緣的距離(即探測距離)分別為d=0.0 cm、d=1.0 cm、d=3.0 cm、d=5.0 cm，具體做法是將整個多元線性陣列探測器向左平移，從圖2中可以看出，隨著探測距離的增加，其信號強度和信噪比都在明顯減弱，其原因由式(1)可知，光聲信號從源點到場點的距離ct越大，光聲信號p(r,t)的值將越小。

圖2　光聲信號隨探測距離增大而衰減 Fig.2　Attenuation of photoacoustic signal with the increase in detection distance

為了研究不同成像深度(多元線性陣列探測器到吸收體的距離，設為s)對光聲層析成像的影響，將多元線性陣列探測器置于成像區域的下方，如圖1中虛線部分A′B′所示，距離成像區域邊緣分別為d=0.0 cm、d=1.0 cm、d=3.0 cm、d=5.0 cm，具體做法是將整個多元線性陣列探測器向下平移，即多元線性陣列探測器在有限方位進行光聲信號的探測，再利用濾波反投影算法對采集的光聲信號進行成像，其結果如圖3(a)～3(d)所示，從重建圖像上可以看出，隨著成像深度的增加，即s=1.0 cm，s=2.0 cm，s=4.0 cm，s=6.0 cm，兩個圓形吸收體的畸變也越來越明顯，即在x方向被拉長了，即分辨率在下降，其原因是由于探測的數值孔徑在變小，并且由于成像深度的增加，光聲信號衰減，其成像對比度也在下降。

圖3　不同成像深度對光聲層析成像的影響 Fig.3　Influence of imaging depth on image reconstruction

對于圖3(c)～3(d)，成像深度處于4 cm和6 cm，多元線性陣列探測器的尺寸為4 cm，即多元線性陣列探測器的尺寸與成像深度的比值≤1，導致了成像質量下降明顯。為了改善這一結果，分別將多元線性陣列探測器旋轉1次和3次(掃描步長均為90°)，其結果如圖4(a)～4(b)所示。圖4(a)是將多元線性陣列探測器置于成像區域的左側和下方(即多元線性陣列探測器旋轉了1次，探測距離d=2.0 cm)，從圖中可以看出，其重建圖像的質量得到了明顯的提高；圖4(b)是將多元線性陣列探測器置于成像區域的四周(即在全方位探測，多元線性陣列探測器旋轉了3次，探測距離d=2.0 cm)，從圖中可以看出，其重建圖像的質量相對于圖4(a)有所提高，但已經不明顯。

圖4　多元線性陣列探測器旋轉掃描層析成像 Fig.4　Image reconstruction after rotating the multiple linear array detectors

為了進一步研究成像深度對光聲層析成像的影響，模擬了26個字母作為吸收體，分別將多元線性陣列探測器旋轉0次、1次和3次(掃描步長均為90°，探測距離d=2.0 cm)，其結果如圖5中(a)～(c)所示。圖5(a)是將多元線性陣列探測器置于成像區域的上方，從重建圖像上可以看出，離多元線性陣列探測器較近的第一排字母基本上還可以辨認出來，但離多元線性陣列探測器越遠的則越不能分辨，其主要原因是探測器的數值孔徑在變小；為了改善這一結果，將多元線性陣列探測器旋轉1次，即把多元線性陣列探測器置于成像區域的上方和左側，其成像質量得到明顯的提高，如圖5(b)所示，26個字母都可以很好的辨認；圖5(c)是將多元線性陣列探測器置于成像區域的四周(即在全方位探測，多元線性陣列探測器旋轉了3次)，從圖中可以看出，其重建圖像的質量相對于圖5(b)有所提高，但不明顯。

圖5　深層復雜吸收體的光聲層析成像 Fig.5　Photoacoustic tomography of deep and complex absorbers

4　實驗結果與討論

為了進一步驗證不同成像深度對光聲層析成像的影響，在豬油中埋了一根長碳棒，碳棒長度為5.2 cm，直徑為0.7 mm，碳棒在豬油中最淺端為0.5 mm，最深端為20 mm，碳棒與水平面的夾角約為22.6°，如圖6(a)所示，實驗裝置與實驗方法與參考文獻[5]一致。

圖6(b)為多元線性陣列探測器垂直于碳棒掃描的光聲層析像，一共掃描了5個層析面(A、B、C、D、E)，掃描的步長為1.2 cm，從重建圖像中可以看出，各個斷層面都較好地反映了碳棒的位置和形狀，其主要原因是成像深度與多元線性陣列探測器的尺寸(大小為49 mm)比沒有超過1，但隨著碳棒深度的增加，其層析像的強度在逐漸減小，主要原因是激光在組織中傳播的衰減以及光聲信號在組織中的衰減；當然，如果把重建圖像放大進行觀察，可以看到圖像在x方向都被拉長了一些，其主要原因還是多元線性陣列探測器在有限角度探測光聲信號，并且隨著成像深度的增加，探測器的數值孔徑變小，圖像被拉長也相對明顯一些，如果再把多元線性陣列探測器旋轉掃描1次，其重建圖像的質量將會得到一些改善，但不會明顯。

圖6　不同深度組織的光聲層析成像 Fig.6　Photoacoustic tomography of targets at different depths

5　結　論

本文利用多元線性陣列探測器對不同成像深度進行光聲層析成像，由仿真和實驗結果表明，吸收體離探測器越近，其成像效果較好，當探測器的尺寸與成像深度比小于1時，重建圖像畸變明顯；在這種情況下，采用旋轉掃描探測，其成像效果明顯提高。該研究結果對光聲層析成像掃描軌跡的設計、成像效果評估具有較好的參考價值，特別是采用多元線性陣列探測器對深層病變組織進行光聲成像，有著較好的借鑒意義。

[1]WU N,YE SH Q,REN Q SH,etal.. High-resolution dual-modality photoacoustic ocular imaging[J].OpticsLetters,2014,39(8):2541-2454.

[2]WANG Y,XING D,ZENG Y G,etal.. Photoacoustic imaging with deconvolution algorithm[J].PhysicsinMedicineandBiology,2004,49(14):3117-3124.

[3]苗少峰,楊虹,黃遠輝,等.光聲成像研究進展[J].中國光學,2015,8(5):699-713.

MIAO SH F，YANG H，HUANG Y H，etal.. Research progresses of photoacoustic imaging[J].ChineseOptics,2015,8(5):699-713.(in Chinese)

[4]YANG D W,XING D,ZHAO X H,etal.. A combined reconstruction algorithm for limited-view multi-element photoacoustic imaging[J].ChineseOpticsLetters,2010,27(5):0543011- 4.

[5]譚毅,何軍鋒.基于多元相控技術的一體化光聲快速成像系統[J].光子學報,2007,36(9):1726-1729.

TAN Y,HE J F. Integrative fast photoacoustic imaging system based on multi-element phase-controlled technique[J].ActaPhotonicaSinica,2007,36(9):1726-1729.(in Chinese)

[6]KIM C H,ERPDLDING T N,JANKOVIC L,etal.. Deeply penetrating in vivo photoacoustic imaging using a clinical ultrasound array system[J].BiomedicalOpticsExpress,2010,1(1):278-284.

[7]YUAN Y,YAGN S H,XING D. Three-dimensional endoscopic photoacoustic imaging based on multielement linear transducer array[J].J.Applied.Physics,2011,110:0547011-5.

[8]吳泳波,唐志列.基于聲透鏡的三維同時光聲層析成像技術[J].科學通報,2011,56(23):1887-1890.

WU Y B,TANG ZH L. The three-dimensional simultaneous photoacoustic tomography imaging technique based on acoustic lens[J].ChineseScienceBulletin,2011,56(23):1887-1890.(in Chinese)

[9]杜勁松,高揚,畢欣,等.S波段微波熱致超聲成像系統研究[J].物理學報,2015,64(3):0343011-6.

DU J S,GAO Y,BI X,etal.. S-band microwave-induced thermo-acoustic tomography system[J].ActaPhysicaSinica,2015，64(3):0343011-6.(in Chinese)

[10]LOU C G,YANG S H,JI ZH,etal.. Ultrashort microwave-induced thermoacoustic imaging:a breakthrough in excitation efficiency and spatial resolution[J].PhysicsReviewLetters,2012,109(21):2181011-5.

[11]駱三,查正寶,李妍妍,等.光聲成像造影劑的研究進展[J].現代生物醫學進展,2014,14(25):4974-4977.

LUO S,ZHA ZH B,LI Y Y,etal.. The research progress of photoacoustic imaging contrast agents[J].ProgressinModernBiomedicine,2014,14(25):4974-4977.(in Chinese)

[12]孫正,韓朵朵,王健健.血管內光聲成像圖像重建的研究現狀[J].光電工程,2015,42(3):20-27.

SUN ZH，HAN D D，WANG J J. Review of image reconstruction for intravascular photoacoustic imaging[J].Opto-ElectronicEngineering,2015,42(3):20-27.(in Chinese)

[13]殷杰,陶超,劉曉峻.多參量光聲成像及其在生物醫學領域的應用[J].物理學報,2015,64(9):0891021-10.

YIN J,TAO CH,LIU X J. Multi-parameter photoacoustic imaging and its application in biomedicine[J].ActaPhysicaSinica,2015，64(9):0891021-10.(in Chinese)

[14]ZHOU Y,LI G,ZHU L R,etal.. Handheld photoacoustic probe to detect both melanoma depth and volume at high speed in vivo[J].J.Biophotonics,2015,8(11):961-967.

[15]LI W W,CHEN X Y. Gold nanoparticles for photoacoustic imaging[J].Nanomedicine,2015,10(2):299-320.

[16]XIE W M,LIU Y B,LI ZH F,etal.. Reconstruction of 3D light distribution produced by cylindrical diffuser in deep tissues based on photoacoustic imaging[J].ChineseOpticsLetters,2014,12(5):0517021-4.

[17]JATHOUL A P,LAUFER J,OGUNLADE O,etal.. Deep in vivo photoacoustic imaging of mammalian tissues using a tyrosinase-based genetic reporter[J].NaturePhotonics,2015,9:239-246.

[18]ZHONG J P,YAGN S H. Contrast-enhanced photoacoustic imaging using indocyanine green-containing nanoparticles[J].J.InnovativeOpticalHealthSciences,2014,7(1):13502291-7.

[19]HUANG B,XIA J,MASLOV K,etal.. Improving limited-view photoacoustic tomography with an acoustic reflector[J].J.BiomedicalOptics,2013,18(11):1105051-3.

[20]LI G,XIA J,WANG K,etal.. Tripling the detection view of high-frequency linear-array-based photoacoustic computed tomography by using two planar acoustic reflectors[J].QuantitativeImaginginMedicineandSurgery,2014,5(1):57-62.

[21]WANG L D,LI G XIA J,etal.. Ultrasonic-heating-encoded photoacoustic tomography with virtually augmented detection view[J].Optica,2015,2(4):307-312.

[22]YANG D W,XING D,YANG S H,etal.. Fast full-view photoacoustic imaging by combined scanning with a linear transducer array[J].OpticsExpress,2007,15(23):15566-15575.

[23]LI G,LI L,ZHU L R,etal.. Multiview Hilbert transformation for full-view photoacoustic computed tomography using a linear array[J].J.BiomedicalOptics,2015,20(6):0660101-6.

[24]楊迪武,黃仲,曾呂明,等.基于環形陣列探測器的快速光聲成像[J].激光生物學報,2015,24(5):423-427.

YANG D W，HUANG ZH，ZENG L M,etal.. Fast photoacoustic imaging based on an annular transducer array[J].ActaLaserBiologySinica,2015,24(5):423-427.(in Chinese)

[25]吳丹,陶超,劉曉峻.有限方位掃描的光聲斷層成像分辨率研究[J].物理學報,2010,59(8):5846-5851.

WU D,TAO CH,LIU X J. Study of the resolution of limited-view photoacoustic tomography[J].ActaPhysicaSinica,2010,59(8):5846-5851.(in Chinese)

Influence of imaging depth on photoacoustic tomography

TAN Yi1*, LI Chang-hui2

(School of Physics and Telecommunication Engineering,ShaanxiSCI-TECHUniversity,Hanzhong723001,China;2.DepartmentofBiomedicalEngineering,CollegeofEngineering,PekingUniversity,Beijing100871,China)*Correspondingauthor,E-mail：tanyi@snut.edu.cn

In order to research on the influence of imaging depth on photoacoustic tomography, the multiple linear array detectors is used for detection imaging at limited-view. Both simulation and experimental results show that the reconstructed image qualities are better as the absorber is closer to the detectors. Image distortion becomes obvious when the ratio of detectors size to the imaging depth is less than 1. We also demonstrated that the image distortion can be significantly reduced by rotating the multiple linear array detectors. This study helps the design of scanning strategy and the evaluation of reconstructed images.

photoacousitc tomography;imaging depth;medical optics and biotechnology

2016-04-20；

2016-05-15

國家重大科學儀器專項資助項目(No.2011YQ030114)；國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)資助項目(No.2011CB707502)；國家自然科學基金資助項目(No.11104058)

2095-1531(2016)05-0515-08

Q334

Adoi:10.3788/CO.20160905.0515

譚毅(1975—)，男，湖南衡陽人，碩士，副教授，主要從事光聲成像與應用光學仿真方面的研究。E-mail:tanyi@snut.edu.cn

李長輝(1974—)，男，山東德州人，博士，教授，博士生導師，主要從事光聲成像、活體熒光分子成像以及多模態分子醫學影像方面的研究。E-mail:chli@pku.edu.cn

Supported by National Major Scientific Instrument Special Project of China(No.2011YQ030114)，National Program on Key Basic Research Projects of China(No.2011CB707502)，National Natural Science Foundation of China(No.11104058)