基于陣列式換能器的光聲成像系統的實現

關 添，李 堯，楊木群，何永紅

(1.清華大學生物醫學工程系，北京 100084； 2.清華大學深圳研究生院，深圳微創醫學技術重點實驗室，廣東 深圳 518055)

光聲成像(photoacoustic imaging，PAI)是一種新型的成像技術，在生物醫學工程領域受到研究人員越來越多的關注。它是一種混合成像技術，將傳統光學成像與超聲成像(ultrasound imaging，USI)結合[1-2]。PAI的原理源于1880年Bell發現的光聲效應[3]，具體的成像過程包括：1)一定波長的脈沖激光激勵光吸收體；2)光吸收體發生熱膨脹；3)聲信號以超聲(ultrasound，US)波的形式向外界各個方向發出，即光聲(photoacoustic，PA)信號；4)US探測與接收；5)圖像重建。相比于USI，PAI可提供更好的光學分辨率[1]。同時，在組織傳播過程中PA信號的散射相比光學散射較弱。因此，PAI與單純光學成像相比，可以達到更理想的成像深度，通常為數厘米[4-5]。

由于不同組織具備的不同光吸收特性，PAI的另一個特質是針對組織內源性的光學吸收對比直接進行成像，從而打破外源性造影劑的限制[6]。2003年，Wang L V等人發表了通過PA斷層成像對鼠腦進行結構成像和功能成像的文章[7]，展開PAI的深入研究。目前，很多PAI系統已經可以對小動物[8]、人類乳房[9-10]以及前哨淋巴結[11-13]等目標進行成像，系統的PA圖像分辨率通常可以達到100 μm量級[14-16]。

在眾多光聲成像系統中，有較多的系統是基于商用超聲設備和商用超聲換能器搭建的。Kim J等人基于臨床超聲系統搭建了可編程的光聲/超聲成像系統，可實現對人體的表層血管進行成像[1]；Dean J等人使用Philips iU22超聲換能器搭建系統[17]；Jankovica L等人采用商用陣列式超聲掃描器對注射造影劑的裸鼠進行成像[18]，Liu Y等人使用高頻的商用超聲換能器對斑馬魚實現光聲斷層成像[19]。商用超聲設備和商用超聲換能器的使用為光聲信號的采集帶來便利，加速光聲成像系統實現臨床應用。

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

本文詳細闡述基于陣列式換能器的PAI系統的設計與實現，可完成激光激勵、PA信號采集、PA圖像重建等功能。通過使用PAI系統對特定的仿體進行成像，得到高質量的PA圖像，并對圖像質量進行量化，從而驗證系統的實現。另外，通過對雞胸肉和光吸收體進行成像，確定了本PAI系統的最大成像深度。

1 實驗

1.1 系統搭建

PAI系統的結構示意圖如圖1所示，該系統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、PC以及相應成像樣品組成。

圖1 PAI系統結構示意圖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Q產生脈寬為～8 ns的脈沖激光。激光光強和脈沖頻率由連接水冷系統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)，與其匹配的一體機和自帶的程序，將波長調制為728 nm。

商用便攜式US主機(Clover，Shenzhen Wisonic Medical Technology Co., Ltd.，China)，可實時在屏幕上顯示US圖像。通過其集成的控制面板，模式切換、數字增益調節、圖像提取等操控可以實現，同時，一些重要的醫用信息也可添加和獲取。此外，主機可控制US的發射過程，使發射在一個周期內開啟、關閉交替進行，在US發射關閉的狀態下采集PA信號。用于PA以及US信號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個陣列元同時工作，可采集64通道的壓電信號，將其傳輸至US主機。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的光聲信號采集相匹配，需對激光器與超聲主機進行同步處理。通過使用激光器的控制器，可將激光泵浦源設置為外觸發模式，接受外部輸入信號的觸發完成出光。在US主機關閉US發射的狀態下，主機會通過信號輸出接口向外輸出頻率為10 Hz的+5 V方波的觸發信號，脈沖激光的頻率也為10 Hz。將超聲主機的信號輸出端與脈沖激光器的信號輸入端相連，調節US主機的US接受與發射延時，完成兩者的同步。

US主機配備了一個安裝于PC(X230，Lenovo Group Ltd.，China)的軟件端，通過無線網與US主機相連接。軟件端可以控制主機進行US圖像顯示的參數調節、優化，以及實現PA信號的采集。信號采集過程中，原始模擬信號經過放大器放大后，經14位模數轉換器(analog-to-digital converter，ADC)以40 MHz采樣率進行采樣，獲得生數據。使用PC基于Matlab編寫圖像重建軟件平臺，采用Delay-and-Sum(DAS)算法，基于生數據進行圖像重建，最終獲得PA圖像。

1.2 實驗過程

開啟脈沖激光器和US主機，確認輸出激光波長為728 nm。控制激光器輸出電壓，調節出光能量大約為15 mJ/cm2，低于ANSI安全限制。在US主機的觸發下，激光脈沖的重復頻率為10 Hz。使用光纖束引導激光至成像樣品，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，在軟件平臺控制下獲取PA信號的生數據。在通過DAS算法對數據進行圖像重建的過程中，對生數據進行以中心頻率為4 MHz帶通濾波處理，使圖像的噪聲偽影得到極大的改善，進而獲得效果良好的PA圖像。

1)圖像質量評估

在500 mL燒杯中的不同位置放置黑色頭發絲(直徑～60 μm)作為光吸收體，這樣，不同位置的頭發絲距離US換能器的深度不同。使用PAI系統對頭發絲進行成像。通過DAS算法重建出PA圖像后，通過計算PA信號包絡的半極大處全寬度(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

為了確定系統的最大成像透深度，使用PAI系統對一個裝滿純黑墨水的5 mm內徑塑料管進行成像，如圖2所示。首先，引入雞胸肉來制作仿體的介質，因為雞胸肉的光學特質與人類組織的相當[22-23]。接下來，為了最大限度的減少US反射對PA信號帶來的干擾，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。在實驗過程中，在塑料管上方層層疊加雞胸肉，使塑料管可以達到不同的深度，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系統對仿體進行成像，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驗仿體實物圖Fig.2 The actual photo of the phantom for experiments of maximum imaging depth

2 實驗結果與討論

重建的PA圖像驗證了PAI系統的實現，實驗結果顯示出了較高的圖像質量。通過對圖像質量進行量化與分析，進而可以對系統表現的相關參數進行確定。

2.1 圖像質量

使用PAI系統對不同深度的頭發絲端面進行成像，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)對深度1.2 cm、2.3 cm、2.7 cm和3.4 cm四個位置的結果進行展示。對比每個深度的US圖像和PA圖像，PA圖像的光學對比度明顯高于US圖像。并且，無論是橫向分辨率還是縱向分辨率，PA圖像皆優于US圖像。

為了量化PA圖像的分辨率，解析PA信號包絡的FWHM。對于深度1.2 cm、2.3 cm、2.7 cm和3.5 cm四個位置的結果，其縱向、橫向的標準化PA信號幅值以及FWHM如圖3(b)和3(c)所示。

圖3 不同深度的頭發絲成像結果Fig.3 The result images of hair at different depthsa：不同深度的頭發絲端面US圖像與PA圖像：左側一列為US圖像，右側一列為PA圖像； b：縱向 PA信號幅值及FWHM； c：橫向PA信號幅值及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信號包絡的FWHM。對于深度1.2 cm、2.3 cm、2.7 cm和3.5 cm四個位置的結果，其縱向、橫向的標準化PA信號幅值以及FWHM如圖3(b)和3(c)所示。

對一個深度下10個結果圖像的縱向、橫向PA信號包絡的FWHM求平均值，得到1.2 cm深頭發絲斷面包絡的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時為(0.17±0.005)mm和(1.39±0.05) mm，深度2.7 cm時為(0.17±0.005)mm和(1.56±0.06)mm，深度3.4 cm時為(0.18±0.008)mm和(1.84±0.05)mm。對于所有的成像深度，平均縱向、橫向FWHM分別為(0.18±0.007)mm與(1.44±0.3)mm。

2.2 系統最大成像深度

為了確定系統的最大成像深度，使用PAI系統對燒杯中的雞胸肉和裝滿黑色墨水的塑料管進行成像。通過疊加不同厚度的雞胸肉，對塑料管位于1.6、2.5、3.5和4.6 cm的深度分別進行成像得到結果。將US主機得到的US圖像與PA圖像疊加后，塑料管不同放置深度的結果如圖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：不同深度對應的PA信號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信號幅值，Vn為背景信號的標準差。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四個深度的平均值為27.7 dB。通過對結果進行線性擬合，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，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系統的最大成像深度。

從PAI系統對頭發絲成像得到的PA圖像來看，圖像的光學對比度比US圖像要好。US主機獲得US圖像的分辯率大約為1.5 mm，本PAI系統的橫向分、縱向分辨率分別為(1.44±0.3)mm(mean±S.D.)和(0.18±0.007)mm，皆優于USI系統。與國際上其他研究組搭建的PAI系統相比，本系統的圖像分辨率達到同一量級，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，因為PA信號是由光吸收體向外發出的內源性信號，有別于USI的成像過程中獲取反射的US信號。因此，對比圖3(a)中的兩列圖像，本系統的PA圖像幾乎不存在偽影，相比于US主機表現出更高的圖像質量。

圖3(b)、3(c)展示出待測頭發絲隨深度增加其PA圖像的橫向和軸向分辨率的具體變化。縱向PA信號幅值的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，此現象與US圖像一致。因此，在今后的系統優化中對成像算法做進一步優化，以提高PA圖像對不同深度成像的橫向分辨率。

本PAI系統的成像深度為4.6 cm左右，此結果與其他組研究成果水平相當，皆達到4-5 cm[1,25-26]。系統中激光的能量為15 mJ/cm2，遠低于ANSI安全極限，另外，光纖束在激光傳播中削減其能量。通過適當的增加光強和更換傳輸效率更高的光纖，系統成像深度有望得到進一步提高。在測定系統成像深度的實驗中，在塑料管中加入的為黑墨水而非磷萘[21]或亞甲藍[20,27]等特定造影劑。其中，Kim C等人搭建的系統使用的激光器波長為650 nm，與亞甲藍的峰值光吸收波長667 nm相近[20]，進而促進成像樣品對光的吸收，增強光聲信號。在未來的實驗中，亦可考慮對于特定波長的激光，匹配相應的造影劑作為成像樣品，提高成像樣品對光的吸收。

本系統的PA圖像質量和成像深度均達到較好水平。系統在接下來仍需進一步相關參數優化，并用于進一步的活體動物組織實驗，為人體組織實驗打下堅實基礎。

3 總結

本文成功地搭建了一個基于脈沖激光、陣列式US換能器以及臨床US主機的PAI系統，并采用DAS算法對采集的PA信號進行圖像重建。通過對頭發絲斷面和充盈黑色墨水的塑料管進行成像作，系統的圖像質量得到評估，成像深度得以確定。系統的在圖像質量和成像深度均達到國際研究水平。

在未來的研究中，將通過優化DAS算法和其他算法的實現來提高圖像質量，特別是提高PA圖像的橫向分辨率。另外，本系統中激光器的前置OPO提供了720-790 nm范圍的可調激光波長，為未來針對不同成像樣品匹配此特定波長的激光提供可能。同時，對于不同組織可使用不同商用手持US換能器，為PA信號采集帶來便利。本PAI系統將用于未來的活體組織實驗開展，并進一步用于對人體組織的臨床成像與診斷。