频域光声成像系统的探讨

广州工商学院电子信息工程系 刘伟慈 梁瑞生

频域光声成像系统的探讨

广州工商学院电子信息工程系 刘伟慈 梁瑞生

本文研究频域光声成像系统，即频域光声断层成像系统和频域光声显微系统，并探讨了其成像模式：线性频率调制模式、离散频率调制模式和复合频率调制模式。

频域光声断层成像系统；频域光声显微系统；频率调制模式

1　引言

光声成像作为一种新型无损的生物医学影像技术，具有非接触、高对比度、高分辨率及深度探测等优点，近年来在生物组织医学图像领域广受关注与期待，具有很大的发展与创新空间。光声成像系统主要分为时域光声成像系统和频域光声成像系统。在过去二十多年，时域光声成像取得了极大的发展，但是价格高，不便携，图像重建质量还有待提升。因此，近年来国内外多个研究小组，如美国、加拿大、德国、瑞生等，国内如北京大学、复旦大学、天津大学、华南师范大学、深圳先进技术研究院等纷纷转向研究频率域光声成像技术。频域光声成像是指使用输出幅值受到周期性调制的连续波激光器作为光源辐射组织产生光声信号的成像方式，兼具光学成像对比度大与声学成像深度大的优点，在生物组织病变诊断及材料特性分析具有重要优势。本文主要探讨频域光声断层成像系统和频域光声显微成像系统，以及成像调制模式。

2　频域光声成像系统

频域光声成像系统主要有频域断层成像系统和频域显微成像系统。

2.1频域光声断层成像

光声断层成像作为光声成像领域发展较早的一项技术，因其成像效果上受限最少，在实际应用中非常通用。

图1　频率域光声成像系统框图

图2 频域光声和双光子混合显微系统图

图1为频域光声成像系统，其工作原理是函数发生器产生调制波形输给连续波激光器，然后激光器输出调制后的激光光束，准直后照射到样本产生超声波，传感器接收超声波后将其转为电信号，放大器放大该电信号传输到数据采集卡。最后利用频域信号处理方法和图像重建算法，即可得到样本某一个截面的图像信息。

2.2光声显微成像

光声显微成像利用组织光吸收特性的差异作为对比机制，又利用了声波在组织内穿透深度较大的特点，结合了光学显微和声学显微各自的优势。而多光子显微系统能揭示生物样本的结构和功能信息，是近年来新兴的强有力的显微成像模式。

在图2中，频域光声和双光子混合显微成像系统中激光光束经过衰减、准直到达第一个分色镜并耦合到多光子光路中，接着经过透镜组聚焦，到达扫描振镜，随之激光光束经过分色镜通过电镜系统扩束后进入物镜，然后光束聚焦到组织样本产生超声波并转化为电信号，经过放大器放大后被数据采集卡采集记录.最后 通过调整传感器的聚焦位置，实现聚焦成像或是离焦成像。

3　成像调制模式

3.1线性频率调制模式

线性频率调制模式是采用连续波激光光源，利用一定频段的线性扫频对连续波激光器的输出光强进行调制。但这种模式实际上是一种时域和频域混合的模式存在成像时间较长，占用内存较多等时域光声成像普遍存在的问题

3.2离散频率调制模式

离散频率调制模式是函数发生器连续产生若干个单一频率的正弦波对连续波激光器输出光强进行调制.将离散频率模式中的各个频率分量作为谐波分量，加和产生一个复合波形，用这个包含特定谐波分量的复合波形调制激光器激发样本，从频域的角度讲，就是同时用若干个频率分量对样本进行激发，并对这若干个频率分量对应的超声信号进行同时采集，从而大幅提高成像和信号采集时间，使成像过程更加实时。

离散频率调制模式是离散频率分量分别对样本进行激发，然后利用送些特定频率分量处的超声信号对样本进行重建成像模式。因此，如果该模式选择了合适的频率带宽和频率数量，即可获得较好质量的重建图像。

3.3复合频率调制模式

复合调制模式是指将离散模式下的各个单一频率的正弦波作为若干个谐波分量进行加和形成时域复合波形。复合频率调制模式能进行有效成像，使得成像时间缩短并且提供更丰富的目标信息，方便更全面地了解目标特性。

4　结束

频域光声成像具有广泛的应用前景，进一步提升基于频率模式的频域光声重建算法的性能，改进频域光声断层成像系统和频域光声显微系统的硬件设计，以逼近实时成像，提升图像信噪比，争取设计出新型的智能便携纯频域光声成像系统，并希望将该技术早日运用到临床实践中，为人类疾病检测和治疗、药物研制等提供支持和帮助，造福人类。

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项目：本文由广州工商学院2016科研项目支持，项目编号：KA201625。