光聲成像系統(tǒng)之進(jìn)階篇
光聲成像系統(tǒng)之進(jìn)階篇
背景介紹
光聲顯微成像（PAM）是一種混合體內(nèi)成像技術(shù)，通過光聲效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)性成像的技術(shù)。與純光學(xué)顯微技術(shù)不同，PAM利用了組織中微弱的聲學(xué)散射，從而突破了光學(xué)擴(kuò)散極限（在軟組織中約1毫米）。憑借其出色的可擴(kuò)展性，PAM可以在所需的最大成像深度上提供高分辨率的圖像，深度可達(dá)數(shù)毫米。與基于背散射的共聚焦顯微鏡和光學(xué)相干斷層成像相比，PAM提供了吸收對(duì)比而不是散射對(duì)比。此外，與基于熒光的方法（如寬視場、共聚焦和多光子顯微鏡）相比，PAM可以在其吸收的波長上對(duì)更多的分子（內(nèi)源性或外源性）進(jìn)行成像。最重要的是，PAM可以同時(shí)成像體內(nèi)的解剖、功能、分子、流動(dòng)動(dòng)態(tài)和代謝對(duì)比。博銳創(chuàng)基于PAM最新的技術(shù)特點(diǎn)和不同用戶的科研需求，研發(fā)了光聲顯微成像系統(tǒng)，以下詳細(xì)介紹系統(tǒng)分類，以及關(guān)鍵參數(shù)特性。
系統(tǒng)分類
PAM結(jié)合了光學(xué)和聲學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，使得其成像分辨率、成像深度及成像速度等重要屬性都得到很大的提升。同時(shí)可進(jìn)一步將其分為光學(xué)分辨率PAM（OR-PAM）和聲學(xué)分辨率PAM（AR-PAM），前者的光學(xué)聚焦比聲學(xué)聚焦更加嚴(yán)格，后者的聲學(xué)聚焦則比光學(xué)聚焦更加嚴(yán)格。此外，光聲內(nèi)窺鏡（PAE）被認(rèn)為是用于內(nèi)部器官成像的PAM的一個(gè)變種，它通常是基于旋轉(zhuǎn)掃描。在PAM中，深度分辨聲波呈現(xiàn)為一維PA圖像（A-掃描），而二維光柵掃描可產(chǎn)生三維PA圖像（C-掃描）。
關(guān)鍵參數(shù)
（1）橫向分辨率
OR-PAM和AR-PAM的橫向分辨率由雙焦點(diǎn)的組合點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)決定，如圖(a)，所產(chǎn)生的超聲波首先被一個(gè)凹面聲學(xué)透鏡聚焦到組合器的底部（數(shù)值孔徑：0.44），然后被一個(gè)連接到棱鏡上表面的寬帶超聲波傳感器（中心頻率：50MHz）檢測。一個(gè)校正透鏡被加入以抵消棱鏡的光學(xué)畸變。對(duì)于570nm的波長和0.13的光學(xué)物鏡數(shù)值孔徑，顯微鏡的橫向分辨率測得為2.56μm。
與OR-PAM不同，AR-PAM通常在反射模式下實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗饕菫楹裰氐奈矬w設(shè)計(jì)的。除了暗場AR-PAM之外，還開發(fā)出了基于光纖的明場AR-PAM。由于即使在沒有散射的情況下（>2mm），光束也比聲學(xué)焦點(diǎn)寬得多。此時(shí)圖(b)中的暗場AR-PAM可達(dá)到了橫向分辨率為45μm，最大成像深度為3mm。
（2）軸向分辨率
OR-PAM和AR-PAM的軸向分辨率由成像深度和超聲換能器的頻率響應(yīng)共同決定，采用相同的公式，RA,OR/AR = 0.88vA/ΔfA，這是基于假設(shè)PA對(duì)點(diǎn)狀目標(biāo)的響應(yīng)遵循高斯頻率分布。ΔfA是PA信號(hào)帶寬，可近似為超聲波傳感器的探測帶寬，通常與中心頻率fA成正比。然而，這是基于假設(shè)PA信號(hào)帶寬比檢測帶寬更寬。如上所述，聲波的高頻成分比低頻成分衰減得更快，因此，PA信號(hào)帶寬隨著成像深度的增加而減少，導(dǎo)致更大深度的軸向分辨率下降。使用中心頻率為50MHz、單向-6dB帶寬為100%的超聲波傳感器，圖(a)中的OR-PAM和圖(b)中的暗場AR-PAM實(shí)現(xiàn)了相同的15μm的軸向分辨率，盡管其橫向分辨率不同。除了傳統(tǒng)的寬帶壓電超聲波傳感器外，在OR-PAM中，一個(gè)薄膜微鏡諧振器已被用于聲波的光學(xué)檢測。微鏡諧振器的聲學(xué)帶寬有可能達(dá)到1GHz，這可以在犧牲穿透力的情況下實(shí)現(xiàn)低至2μm的軸向分辨率。同樣，在OR-PAM中探索一種聲學(xué)帶寬為100MHz的法布里-珀羅聚合物薄膜超聲傳感器，其軸向分辨率達(dá)到了10μm。
（3）最大成像深度
PAM的最大成像深度與它的橫向分辨率大致成正比。到目前為止，通過改變橫向分辨率從220nm到560μm，各種PAM系統(tǒng)和PAMac已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從100μm到4cm的最大成像深度。
（4）成像速度
在PAM系統(tǒng)中，影響圖像成像速度的因素主要有激光器的重復(fù)頻率、掃描軸頻率、信號(hào)采集精度和同步處理的速度。其中信號(hào)采集精度和同步處理的速度尤為關(guān)鍵，基于NI的FPGA和高速數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集和處理對(duì)于系統(tǒng)性能和成像質(zhì)量至關(guān)重要。可以幫助用戶實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的數(shù)據(jù)采集和快速的數(shù)據(jù)處理，提高光聲成像系統(tǒng)的性能和成像速率，做到精確的同步和實(shí)時(shí)的閉環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)校正圖像的畸變。
通過NI 7976R FPGA高性能的模塊來保證信號(hào)的同步處理速度，該模塊具有高速數(shù)據(jù)處理、高度可定制、穩(wěn)定可靠等多方面的優(yōu)勢。其FPGA按照125MHz的時(shí)鐘循環(huán)執(zhí)行，能夠?qū)崿F(xiàn)快速數(shù)據(jù)處理，提高圖像數(shù)據(jù)處理效率和成像速度。該系統(tǒng)還配備了NI 5782 FlexRIO 16bit的收發(fā)儀適配器模塊，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集。由于超聲換能器的中心頻率為50MHz左右，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣頻率至少為100MHz，采用250MHz采樣率可以避免信號(hào)混疊和失真的問題，4個(gè)PFI接口分別采集激光器同步信號(hào)和掃描軸編碼器ABZ向的信號(hào)，保證了信號(hào)高精度的采集和信號(hào)還原。
同時(shí)利用NI LabVIEW FPGA模塊進(jìn)行編程，采用圖形化編程語言，可以快速定制算法，并在硬件上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。相對(duì)于傳統(tǒng)的硬件描述語言（如Verilog和VHDL）來說，使用起來更加方便簡單。FPGA模塊在此處用于同步控制激光器和掃描系統(tǒng)的時(shí)序，確保數(shù)據(jù)采集在正確的時(shí)間和位置進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的圖像高速重建。
成果展示
系統(tǒng)名稱:
可切換式光學(xué)/聲學(xué)分辨率的顯微成像系統(tǒng)
成像波長:
532nm & 1064nm（可定制）
橫向分辨率:
25um@光學(xué)分辨率顯微鏡，50um@聲學(xué)分辨率顯微鏡
軸向分辨率:
45um@光學(xué)和聲學(xué)分辨率顯微鏡
成像深度:
900nm@光學(xué)分辨率/532nm，3mm@聲學(xué)分辨率/532nm
掃描速度:
25秒/幀分辨率500*500掃描行程10mm（音圈電機(jī)行程10mm
掃描頻率10Hz）
以下為可切換式的聲學(xué)/光學(xué)雙分辨率成像模塊
簡介：為了匹配科研用戶不同場景下對(duì)分辨率和探測深度的平衡，推出了一款可切換式光學(xué)或者聲學(xué)分辨率的成像模塊，將光學(xué)和聲學(xué)探頭以及放大器模塊整合在一個(gè)封閉模塊內(nèi)，以進(jìn)行良好的設(shè)計(jì)和屏蔽，同時(shí)容易替換。
下圖為含“博”字樣的黑膠帶的成像效果圖
總結(jié)
光聲成像是一種集成高分辨率和大探測深度的成像方法，突破了傳統(tǒng)光學(xué)成像技術(shù)分辨率與成像深度相互制約的壁壘。博銳創(chuàng)基于可切換式光學(xué)/聲學(xué)雙分辨率模塊，降低了系統(tǒng)搭建的難度和提高了靈活度，NI硬件保證了數(shù)據(jù)的精度和成像速度。未來，我們將致力于提高顯微成像的速度和分辨率、拓展多模態(tài)成像、實(shí)時(shí)和無創(chuàng)成像以及提高便攜性和成本效益。此外對(duì)于新型光聲技術(shù)我們也將持續(xù)保持關(guān)注。
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