基于陣列式換能器的光聲成像系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

關(guān) 添，李 堯，楊木群，何永紅

(1.清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系，北京 100084； 2.清華大學(xué)深圳研究生院，深圳微創(chuàng)醫(yī)學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518055)

光聲成像(photoacoustic imaging，PAI)是一種新型的成像技術(shù)，在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域受到研究人員越來越多的關(guān)注。它是一種混合成像技術(shù)，將傳統(tǒng)光學(xué)成像與超聲成像(ultrasound imaging，USI)結(jié)合[1-2]。PAI的原理源于1880年Bell發(fā)現(xiàn)的光聲效應(yīng)[3]，具體的成像過程包括：1)一定波長的脈沖激光激勵(lì)光吸收體；2)光吸收體發(fā)生熱膨脹；3)聲信號(hào)以超聲(ultrasound，US)波的形式向外界各個(gè)方向發(fā)出，即光聲(photoacoustic，PA)信號(hào)；4)US探測與接收；5)圖像重建。相比于USI，PAI可提供更好的光學(xué)分辨率[1]。同時(shí)，在組織傳播過程中PA信號(hào)的散射相比光學(xué)散射較弱。因此，PAI與單純光學(xué)成像相比，可以達(dá)到更理想的成像深度，通常為數(shù)厘米[4-5]。

由于不同組織具備的不同光吸收特性，PAI的另一個(gè)特質(zhì)是針對(duì)組織內(nèi)源性的光學(xué)吸收對(duì)比直接進(jìn)行成像，從而打破外源性造影劑的限制[6]。2003年，Wang L V等人發(fā)表了通過PA斷層成像對(duì)鼠腦進(jìn)行結(jié)構(gòu)成像和功能成像的文章[7]，展開PAI的深入研究。目前，很多PAI系統(tǒng)已經(jīng)可以對(duì)小動(dòng)物[8]、人類乳房[9-10]以及前哨淋巴結(jié)[11-13]等目標(biāo)進(jìn)行成像，系統(tǒng)的PA圖像分辨率通?？梢赃_(dá)到100 μm量級(jí)[14-16]。

在眾多光聲成像系統(tǒng)中，有較多的系統(tǒng)是基于商用超聲設(shè)備和商用超聲換能器搭建的。Kim J等人基于臨床超聲系統(tǒng)搭建了可編程的光聲/超聲成像系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的表層血管進(jìn)行成像[1]；Dean J等人使用Philips iU22超聲換能器搭建系統(tǒng)[17]；Jankovica L等人采用商用陣列式超聲掃描器對(duì)注射造影劑的裸鼠進(jìn)行成像[18]，Liu Y等人使用高頻的商用超聲換能器對(duì)斑馬魚實(shí)現(xiàn)光聲斷層成像[19]。商用超聲設(shè)備和商用超聲換能器的使用為光聲信號(hào)的采集帶來便利，加速光聲成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用。

此外，成像深度亦是PAI系統(tǒng)中備受關(guān)注的參數(shù)之一。Kim C等人基于臨床US換能器搭建了穿透深度達(dá)大約5.2 cm的PAI系統(tǒng)[20]；Zhou Y等人通過使用波長為1 064 nm的激光對(duì)11.6 cm深的磷萘實(shí)現(xiàn)PA計(jì)算機(jī)斷層掃描(PA computed tomography，PACT)[21]；Wang D等人使用1 064 nm快速小型激光器實(shí)現(xiàn)了大約4.1 cm深度的PACT。

本文詳細(xì)闡述基于陣列式換能器的PAI系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，可完成激光激勵(lì)、PA信號(hào)采集、PA圖像重建等功能。通過使用PAI系統(tǒng)對(duì)特定的仿體進(jìn)行成像，得到高質(zhì)量的PA圖像，并對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行量化，從而驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。另外，通過對(duì)雞胸肉和光吸收體進(jìn)行成像，確定了本PAI系統(tǒng)的最大成像深度。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 系統(tǒng)搭建

PAI系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，該系統(tǒng)主要由安裝了前置寬帶光參量振蕩器(optical parametric oscillator，OPO)的脈沖激光、配有線性陣列式US換能器的US主機(jī)、PC以及相應(yīng)成像樣品組成。

圖1 PAI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic graph of the PAI system

脈沖激光器(Dawa-300，Beamtech Optronics Co., Ltd.，China)可以通過Nd:YAG激光泵浦源調(diào)Q產(chǎn)生脈寬為～8 ns的脈沖激光。激光光強(qiáng)和脈沖頻率由連接水冷系統(tǒng)和電源的控制器控制。激光泵浦源出光的初始波長為532 nm，通過前置OPO(BB-OPO-725，Dalian Huayang Science &Technology Co., Ltd.，China)，與其匹配的一體機(jī)和自帶的程序，將波長調(diào)制為728 nm。

商用便攜式US主機(jī)(Clover，Shenzhen Wisonic Medical Technology Co., Ltd.，China)，可實(shí)時(shí)在屏幕上顯示US圖像。通過其集成的控制面板，模式切換、數(shù)字增益調(diào)節(jié)、圖像提取等操控可以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，一些重要的醫(yī)用信息也可添加和獲取。此外，主機(jī)可控制US的發(fā)射過程，使發(fā)射在一個(gè)周期內(nèi)開啟、關(guān)閉交替進(jìn)行，在US發(fā)射關(guān)閉的狀態(tài)下采集PA信號(hào)。用于PA以及US信號(hào)采集的換能器為一商用的64通道線性陣列US換能器(L15-4，Shenzhen Wisonic Medical Technology Co., Ltd.，China)，中心頻率為8 MHz。換能器64個(gè)陣列元同時(shí)工作，可采集64通道的壓電信號(hào)，將其傳輸至US主機(jī)。該換能器可手持，操作便捷，探測靈敏度高。

為了將脈沖激光器的出光與超聲主機(jī)的光聲信號(hào)采集相匹配，需對(duì)激光器與超聲主機(jī)進(jìn)行同步處理。通過使用激光器的控制器，可將激光泵浦源設(shè)置為外觸發(fā)模式，接受外部輸入信號(hào)的觸發(fā)完成出光。在US主機(jī)關(guān)閉US發(fā)射的狀態(tài)下，主機(jī)會(huì)通過信號(hào)輸出接口向外輸出頻率為10 Hz的+5 V方波的觸發(fā)信號(hào)，脈沖激光的頻率也為10 Hz。將超聲主機(jī)的信號(hào)輸出端與脈沖激光器的信號(hào)輸入端相連，調(diào)節(jié)US主機(jī)的US接受與發(fā)射延時(shí)，完成兩者的同步。

US主機(jī)配備了一個(gè)安裝于PC(X230，Lenovo Group Ltd.，China)的軟件端，通過無線網(wǎng)與US主機(jī)相連接。軟件端可以控制主機(jī)進(jìn)行US圖像顯示的參數(shù)調(diào)節(jié)、優(yōu)化，以及實(shí)現(xiàn)PA信號(hào)的采集。信號(hào)采集過程中，原始模擬信號(hào)經(jīng)過放大器放大后，經(jīng)14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter，ADC)以40 MHz采樣率進(jìn)行采樣，獲得生數(shù)據(jù)。使用PC基于Matlab編寫圖像重建軟件平臺(tái)，采用Delay-and-Sum(DAS)算法，基于生數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建，最終獲得PA圖像。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

開啟脈沖激光器和US主機(jī)，確認(rèn)輸出激光波長為728 nm?？刂萍す馄鬏敵鲭妷?，調(diào)節(jié)出光能量大約為15 mJ/cm2，低于ANSI安全限制。在US主機(jī)的觸發(fā)下，激光脈沖的重復(fù)頻率為10 Hz。使用光纖束引導(dǎo)激光至成像樣品，接著將64通道、中心頻率為8 MHz的線性陣列US換能器置于樣品正上方，在軟件平臺(tái)控制下獲取PA信號(hào)的生數(shù)據(jù)。在通過DAS算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建的過程中，對(duì)生數(shù)據(jù)進(jìn)行以中心頻率為4 MHz帶通濾波處理，使圖像的噪聲偽影得到極大的改善，進(jìn)而獲得效果良好的PA圖像。

1)圖像質(zhì)量評(píng)估

在500 mL燒杯中的不同位置放置黑色頭發(fā)絲(直徑～60 μm)作為光吸收體，這樣，不同位置的頭發(fā)絲距離US換能器的深度不同。使用PAI系統(tǒng)對(duì)頭發(fā)絲進(jìn)行成像。通過DAS算法重建出PA圖像后，通過計(jì)算PA信號(hào)包絡(luò)的半極大處全寬度(full width at half maximum, FWHM)來量化圖像的橫向、縱向分辨率。

2)最大成像深度測定

為了確定系統(tǒng)的最大成像透深度，使用PAI系統(tǒng)對(duì)一個(gè)裝滿純黑墨水的5 mm內(nèi)徑塑料管進(jìn)行成像，如圖2所示。首先，引入雞胸肉來制作仿體的介質(zhì)，因?yàn)殡u胸肉的光學(xué)特質(zhì)與人類組織的相當(dāng)[22-23]。接下來，為了最大限度的減少US反射對(duì)PA信號(hào)帶來的干擾，將大約5 cm厚的雞胸肉鋪在500 mL燒杯底部，然后再放置塑料管。在實(shí)驗(yàn)過程中，在塑料管上方層層疊加雞胸肉，使塑料管可以達(dá)到不同的深度，將換能器與光纖置于雞胸肉正上方，并且緊貼雞胸肉表面。使用PAI系統(tǒng)對(duì)仿體進(jìn)行成像，控制激光出光能量約為15 mJ/cm2，峰值功率160 mW/cm2，低于ANSI安全限制。最后，通過圖像重建得到一系列PA圖像。

圖2 最大成像深度測定實(shí)驗(yàn)仿體實(shí)物圖Fig.2 The actual photo of the phantom for experiments of maximum imaging depth

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

重建的PA圖像驗(yàn)證了PAI系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出了較高的圖像質(zhì)量。通過對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行量化與分析，進(jìn)而可以對(duì)系統(tǒng)表現(xiàn)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行確定。

2.1 圖像質(zhì)量

使用PAI系統(tǒng)對(duì)不同深度的頭發(fā)絲端面進(jìn)行成像，分別得到了其US圖像和PA圖像。獲得單幅PA圖像的成像速度約為2.1 s。圖3(a)對(duì)深度1.2 cm、2.3 cm、2.7 cm和3.4 cm四個(gè)位置的結(jié)果進(jìn)行展示。對(duì)比每個(gè)深度的US圖像和PA圖像，PA圖像的光學(xué)對(duì)比度明顯高于US圖像。并且，無論是橫向分辨率還是縱向分辨率，PA圖像皆優(yōu)于US圖像。

為了量化PA圖像的分辨率，解析PA信號(hào)包絡(luò)的FWHM。對(duì)于深度1.2 cm、2.3 cm、2.7 cm和3.5 cm四個(gè)位置的結(jié)果，其縱向、橫向的標(biāo)準(zhǔn)化PA信號(hào)幅值以及FWHM如圖3(b)和3(c)所示。

圖3 不同深度的頭發(fā)絲成像結(jié)果Fig.3 The result images of hair at different depthsa：不同深度的頭發(fā)絲端面US圖像與PA圖像：左側(cè)一列為US圖像，右側(cè)一列為PA圖像； b：縱向 PA信號(hào)幅值及FWHM； c：橫向PA信號(hào)幅值及FWHMa:US images (left column) and PA images (right column) of cross section of the hair at different depths;b:Axial PA signals and related FWHM;c:Lateral PA signals and related FWHM

為了量化PA圖像的分辨率，解析PA信號(hào)包絡(luò)的FWHM。對(duì)于深度1.2 cm、2.3 cm、2.7 cm和3.5 cm四個(gè)位置的結(jié)果，其縱向、橫向的標(biāo)準(zhǔn)化PA信號(hào)幅值以及FWHM如圖3(b)和3(c)所示。

對(duì)一個(gè)深度下10個(gè)結(jié)果圖像的縱向、橫向PA信號(hào)包絡(luò)的FWHM求平均值，得到1.2 cm深頭發(fā)絲斷面包絡(luò)的FWHM分別為(0.18±0.01)mm(mean±S.D.)和(0.94±0.08)mm。同樣的，深度2.3 cm時(shí)為(0.17±0.005)mm和(1.39±0.05) mm，深度2.7 cm時(shí)為(0.17±0.005)mm和(1.56±0.06)mm，深度3.4 cm時(shí)為(0.18±0.008)mm和(1.84±0.05)mm。對(duì)于所有的成像深度，平均縱向、橫向FWHM分別為(0.18±0.007)mm與(1.44±0.3)mm。

2.2 系統(tǒng)最大成像深度

為了確定系統(tǒng)的最大成像深度，使用PAI系統(tǒng)對(duì)燒杯中的雞胸肉和裝滿黑色墨水的塑料管進(jìn)行成像。通過疊加不同厚度的雞胸肉，對(duì)塑料管位于1.6、2.5、3.5和4.6 cm的深度分別進(jìn)行成像得到結(jié)果。將US主機(jī)得到的US圖像與PA圖像疊加后，塑料管不同放置深度的結(jié)果如圖4(a)所示，其中US圖像以灰度圖展示，PA圖像以偽彩圖展示。

圖4 不同深度塑料管與雞胸肉成像結(jié)果Fig.4 The result images of the tube at different depths with chicken breast tissuea：不同深度塑料管與雞胸肉的PA圖像與US圖像； b：不同深度對(duì)應(yīng)的PA信號(hào)SNRa:PA images and US images of the tube at different depths in chicken breast tissue;b:SHR of PA signals at different depths

基于公式SNR=20l g(Vs/Vn)計(jì)算同一深度10張PA圖像的信噪比均值，其中，Vs為歸一化的PA信號(hào)幅值，Vn為背景信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差。各深度的信噪比如圖4(b)所示，信噪比在1.6、2.5、3.5和4.6 cm四個(gè)深度的平均值為27.7 dB。通過對(duì)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，可見隨著深度的增加，信噪比以大約以8.3 dB/cm遞減。深度為4.6 cm時(shí)，圖像信噪比為15.5 dB。此深度下，由于激光的散射和外界噪聲干擾，PA信號(hào)幾乎無法從背景噪聲中被分辨出來，因此4.6 cm可看作是PAI系統(tǒng)的最大成像深度。

從PAI系統(tǒng)對(duì)頭發(fā)絲成像得到的PA圖像來看，圖像的光學(xué)對(duì)比度比US圖像要好。US主機(jī)獲得US圖像的分辯率大約為1.5 mm，本PAI系統(tǒng)的橫向分、縱向分辨率分別為(1.44±0.3)mm(mean±S.D.)和(0.18±0.007)mm，皆優(yōu)于USI系統(tǒng)。與國際上其他研究組搭建的PAI系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)的圖像分辨率達(dá)到同一量級(jí)，大約100 μm[14-16]。其中縱向分辨率甚至超過其他組幾百微米的水平[16,24]。另外，因?yàn)镻A信號(hào)是由光吸收體向外發(fā)出的內(nèi)源性信號(hào)，有別于USI的成像過程中獲取反射的US信號(hào)。因此，對(duì)比圖3(a)中的兩列圖像，本系統(tǒng)的PA圖像幾乎不存在偽影，相比于US主機(jī)表現(xiàn)出更高的圖像質(zhì)量。

圖3(b)、3(c)展示出待測頭發(fā)絲隨深度增加其PA圖像的橫向和軸向分辨率的具體變化?？v向PA信號(hào)幅值的FWHM不隨深度變化而改變，基本上保持恒定。但是，橫向PA信號(hào)幅值的FWHM隨深度增加而增大，所以圖像橫向分辨率隨成像深度的增加而增大，此現(xiàn)象與US圖像一致。因此，在今后的系統(tǒng)優(yōu)化中對(duì)成像算法做進(jìn)一步優(yōu)化，以提高PA圖像對(duì)不同深度成像的橫向分辨率。

本PAI系統(tǒng)的成像深度為4.6 cm左右，此結(jié)果與其他組研究成果水平相當(dāng)，皆達(dá)到4-5 cm[1,25-26]。系統(tǒng)中激光的能量為15 mJ/cm2，遠(yuǎn)低于ANSI安全極限，另外，光纖束在激光傳播中削減其能量。通過適當(dāng)?shù)脑黾庸鈴?qiáng)和更換傳輸效率更高的光纖，系統(tǒng)成像深度有望得到進(jìn)一步提高。在測定系統(tǒng)成像深度的實(shí)驗(yàn)中，在塑料管中加入的為黑墨水而非磷萘[21]或亞甲藍(lán)[20,27]等特定造影劑。其中，Kim C等人搭建的系統(tǒng)使用的激光器波長為650 nm，與亞甲藍(lán)的峰值光吸收波長667 nm相近[20]，進(jìn)而促進(jìn)成像樣品對(duì)光的吸收，增強(qiáng)光聲信號(hào)。在未來的實(shí)驗(yàn)中，亦可考慮對(duì)于特定波長的激光，匹配相應(yīng)的造影劑作為成像樣品，提高成像樣品對(duì)光的吸收。

本系統(tǒng)的PA圖像質(zhì)量和成像深度均達(dá)到較好水平。系統(tǒng)在接下來仍需進(jìn)一步相關(guān)參數(shù)優(yōu)化，并用于進(jìn)一步的活體動(dòng)物組織實(shí)驗(yàn)，為人體組織實(shí)驗(yàn)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3 總結(jié)

本文成功地搭建了一個(gè)基于脈沖激光、陣列式US換能器以及臨床US主機(jī)的PAI系統(tǒng)，并采用DAS算法對(duì)采集的PA信號(hào)進(jìn)行圖像重建。通過對(duì)頭發(fā)絲斷面和充盈黑色墨水的塑料管進(jìn)行成像作，系統(tǒng)的圖像質(zhì)量得到評(píng)估，成像深度得以確定。系統(tǒng)的在圖像質(zhì)量和成像深度均達(dá)到國際研究水平。

在未來的研究中，將通過優(yōu)化DAS算法和其他算法的實(shí)現(xiàn)來提高圖像質(zhì)量，特別是提高PA圖像的橫向分辨率。另外，本系統(tǒng)中激光器的前置OPO提供了720-790 nm范圍的可調(diào)激光波長，為未來針對(duì)不同成像樣品匹配此特定波長的激光提供可能。同時(shí)，對(duì)于不同組織可使用不同商用手持US換能器，為PA信號(hào)采集帶來便利。本PAI系統(tǒng)將用于未來的活體組織實(shí)驗(yàn)開展，并進(jìn)一步用于對(duì)人體組織的臨床成像與診斷。