基于阵列式换能器的光声成像系统的实现

关 添，李 尧，杨木群，何永红

(1.清华大学生物医学工程系，北京 100084； 2.清华大学深圳研究生院，深圳微创医学技术重点实验室，广东 深圳 518055)

光声成像(photoacoustic imaging，PAI)是一种新型的成像技术，在生物医学工程领域受到研究人员越来越多的关注。它是一种混合成像技术，将传统光学成像与超声成像(ultrasound imaging，USI)结合[1-2]。PAI的原理源于1880年Bell发现的光声效应[3]，具体的成像过程包括：1)一定波长的脉冲激光激励光吸收体；2)光吸收体发生热膨胀；3)声信号以超声(ultrasound，US)波的形式向外界各个方向发出，即光声(photoacoustic，PA)信号；4)US探测与接收；5)图像重建。相比于USI，PAI可提供更好的光学分辨率[1]。同时，在组织传播过程中PA信号的散射相比光学散射较弱。因此，PAI与单纯光学成像相比，可以达到更理想的成像深度，通常为数厘米[4-5]。

由于不同组织具备的不同光吸收特性，PAI的另一个特质是针对组织内源性的光学吸收对比直接进行成像，从而打破外源性造影剂的限制[6]。2003年，Wang L V等人发表了通过PA断层成像对鼠脑进行结构成像和功能成像的文章[7]，展开PAI的深入研究。目前，很多PAI系统已经可以对小动物[8]、人类乳房[9-10]以及前哨淋巴结[11-13]等目标进行成像，系统的PA图像分辨率通常可以达到100 μm量级[14-16]。

在众多光声成像系统中，有较多的系统是基于商用超声设备和商用超声换能器搭建的。Kim J等人基于临床超声系统搭建了可编程的光声/超声成像系统，可实现对人体的表层血管进行成像[1]；Dean J等人使用Philips iU22超声换能器搭建系统[17]；Jankovica L等人采用商用阵列式超声扫描器对注射造影剂的裸鼠进行成像[18]，Liu Y等人使用高频的商用超声换能器对斑马鱼实现光声断层成像[19]。商用超声设备和商用超声换能器的使用为光声信号的采集带来便利，加速光声成像系统实现临床应用。

此外，成像深度亦是PAI系统中备受关注的参数之一。Kim C等人基于临床US换能器搭建了穿透深度达大约5.2 cm的PAI系统[20]；Zhou Y等人通过使用波长为1 064 nm的激光对11.6 cm深的磷萘实现PA计算机断层扫描(PA computed tomography，PACT)[21]；Wang D等人使用1 064 nm快速小型激光器实现了大约4.1 cm深度的PACT。

本文详细阐述基于阵列式换能器的PAI系统的设计与实现，可完成激光激励、PA信号采集、PA图像重建等功能。通过使用PAI系统对特定的仿体进行成像，得到高质量的PA图像，并对图像质量进行量化，从而验证系统的实现。另外，通过对鸡胸肉和光吸收体进行成像，确定了本PAI系统的最大成像深度。

1 实验

1.1 系统搭建

PAI系统的结构示意图如图1所示，该系统主要由安装了前置宽带光参量振荡器(optical parametric oscillator，OPO)的脉冲激光、配有线性阵列式US换能器的US主机、PC以及相应成像样品组成。

图1 PAI系统结构示意图Fig.1 Schematic graph of the PAI system

脉冲激光器(Dawa-300，Beamtech Optronics Co., Ltd.，China)可以通过Nd:YAG激光泵浦源调Q产生脉宽为～8 ns的脉冲激光。激光光强和脉冲频率由连接水冷系统和电源的控制器控制。激光泵浦源出光的初始波长为532 nm，通过前置OPO(BB-OPO-725，Dalian Huayang Science &Technology Co., Ltd.，China)，与其匹配的一体机和自带的程序，将波长调制为728 nm。

商用便携式US主机(Clover，Shenzhen Wisonic Medical Technology Co., Ltd.，China)，可实时在屏幕上显示US图像。通过其集成的控制面板，模式切换、数字增益调节、图像提取等操控可以实现，同时，一些重要的医用信息也可添加和获取。此外，主机可控制US的发射过程，使发射在一个周期内开启、关闭交替进行，在US发射关闭的状态下采集PA信号。用于PA以及US信号采集的换能器为一商用的64通道线性阵列US换能器(L15-4，Shenzhen Wisonic Medical Technology Co., Ltd.，China)，中心频率为8 MHz。换能器64个阵列元同时工作，可采集64通道的压电信号，将其传输至US主机。该换能器可手持，操作便捷，探测灵敏度高。

为了将脉冲激光器的出光与超声主机的光声信号采集相匹配，需对激光器与超声主机进行同步处理。通过使用激光器的控制器，可将激光泵浦源设置为外触发模式，接受外部输入信号的触发完成出光。在US主机关闭US发射的状态下，主机会通过信号输出接口向外输出频率为10 Hz的+5 V方波的触发信号，脉冲激光的频率也为10 Hz。将超声主机的信号输出端与脉冲激光器的信号输入端相连，调节US主机的US接受与发射延时，完成两者的同步。

US主机配备了一个安装于PC(X230，Lenovo Group Ltd.，China)的软件端，通过无线网与US主机相连接。软件端可以控制主机进行US图像显示的参数调节、优化，以及实现PA信号的采集。信号采集过程中，原始模拟信号经过放大器放大后，经14位模数转换器(analog-to-digital converter，ADC)以40 MHz采样率进行采样，获得生数据。使用PC基于Matlab编写图像重建软件平台，采用Delay-and-Sum(DAS)算法，基于生数据进行图像重建，最终获得PA图像。

1.2 实验过程

开启脉冲激光器和US主机，确认输出激光波长为728 nm。控制激光器输出电压，调节出光能量大约为15 mJ/cm2，低于ANSI安全限制。在US主机的触发下，激光脉冲的重复频率为10 Hz。使用光纤束引导激光至成像样品，接着将64通道、中心频率为8 MHz的线性阵列US换能器置于样品正上方，在软件平台控制下获取PA信号的生数据。在通过DAS算法对数据进行图像重建的过程中，对生数据进行以中心频率为4 MHz带通滤波处理，使图像的噪声伪影得到极大的改善，进而获得效果良好的PA图像。

1)图像质量评估

在500 mL烧杯中的不同位置放置黑色头发丝(直径～60 μm)作为光吸收体，这样，不同位置的头发丝距离US换能器的深度不同。使用PAI系统对头发丝进行成像。通过DAS算法重建出PA图像后，通过计算PA信号包络的半极大处全宽度(full width at half maximum, FWHM)来量化图像的横向、纵向分辨率。

2)最大成像深度测定

为了确定系统的最大成像透深度，使用PAI系统对一个装满纯黑墨水的5 mm内径塑料管进行成像，如图2所示。首先，引入鸡胸肉来制作仿体的介质，因为鸡胸肉的光学特质与人类组织的相当[22-23]。接下来，为了最大限度的减少US反射对PA信号带来的干扰，将大约5 cm厚的鸡胸肉铺在500 mL烧杯底部，然后再放置塑料管。在实验过程中，在塑料管上方层层叠加鸡胸肉，使塑料管可以达到不同的深度，将换能器与光纤置于鸡胸肉正上方，并且紧贴鸡胸肉表面。使用PAI系统对仿体进行成像，控制激光出光能量约为15 mJ/cm2，峰值功率160 mW/cm2，低于ANSI安全限制。最后，通过图像重建得到一系列PA图像。

图2 最大成像深度测定实验仿体实物图Fig.2 The actual photo of the phantom for experiments of maximum imaging depth

2 实验结果与讨论

重建的PA图像验证了PAI系统的实现，实验结果显示出了较高的图像质量。通过对图像质量进行量化与分析，进而可以对系统表现的相关参数进行确定。

2.1 图像质量

使用PAI系统对不同深度的头发丝端面进行成像，分别得到了其US图像和PA图像。获得单幅PA图像的成像速度约为2.1 s。图3(a)对深度1.2 cm、2.3 cm、2.7 cm和3.4 cm四个位置的结果进行展示。对比每个深度的US图像和PA图像，PA图像的光学对比度明显高于US图像。并且，无论是横向分辨率还是纵向分辨率，PA图像皆优于US图像。

为了量化PA图像的分辨率，解析PA信号包络的FWHM。对于深度1.2 cm、2.3 cm、2.7 cm和3.5 cm四个位置的结果，其纵向、横向的标准化PA信号幅值以及FWHM如图3(b)和3(c)所示。

图3 不同深度的头发丝成像结果Fig.3 The result images of hair at different depthsa：不同深度的头发丝端面US图像与PA图像：左侧一列为US图像，右侧一列为PA图像； b：纵向 PA信号幅值及FWHM； c：横向PA信号幅值及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

为了量化PA图像的分辨率，解析PA信号包络的FWHM。对于深度1.2 cm、2.3 cm、2.7 cm和3.5 cm四个位置的结果，其纵向、横向的标准化PA信号幅值以及FWHM如图3(b)和3(c)所示。

对一个深度下10个结果图像的纵向、横向PA信号包络的FWHM求平均值，得到1.2 cm深头发丝断面包络的FWHM分别为(0.18±0.01)mm(mean±S.D.)和(0.94±0.08)mm。同样的，深度2.3 cm时为(0.17±0.005)mm和(1.39±0.05) mm，深度2.7 cm时为(0.17±0.005)mm和(1.56±0.06)mm，深度3.4 cm时为(0.18±0.008)mm和(1.84±0.05)mm。对于所有的成像深度，平均纵向、横向FWHM分别为(0.18±0.007)mm与(1.44±0.3)mm。

2.2 系统最大成像深度

为了确定系统的最大成像深度，使用PAI系统对烧杯中的鸡胸肉和装满黑色墨水的塑料管进行成像。通过叠加不同厚度的鸡胸肉，对塑料管位于1.6、2.5、3.5和4.6 cm的深度分别进行成像得到结果。将US主机得到的US图像与PA图像叠加后，塑料管不同放置深度的结果如图4(a)所示，其中US图像以灰度图展示，PA图像以伪彩图展示。

图4 不同深度塑料管与鸡胸肉成像结果Fig.4 The result images of the tube at different depths with chicken breast tissuea：不同深度塑料管与鸡胸肉的PA图像与US图像； b：不同深度对应的PA信号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)计算同一深度10张PA图像的信噪比均值，其中，Vs为归一化的PA信号幅值，Vn为背景信号的标准差。各深度的信噪比如图4(b)所示，信噪比在1.6、2.5、3.5和4.6 cm四个深度的平均值为27.7 dB。通过对结果进行线性拟合，可见随着深度的增加，信噪比以大约以8.3 dB/cm递减。深度为4.6 cm时，图像信噪比为15.5 dB。此深度下，由于激光的散射和外界噪声干扰，PA信号几乎无法从背景噪声中被分辨出来，因此4.6 cm可看作是PAI系统的最大成像深度。

从PAI系统对头发丝成像得到的PA图像来看，图像的光学对比度比US图像要好。US主机获得US图像的分辩率大约为1.5 mm，本PAI系统的横向分、纵向分辨率分别为(1.44±0.3)mm(mean±S.D.)和(0.18±0.007)mm，皆优于USI系统。与国际上其他研究组搭建的PAI系统相比，本系统的图像分辨率达到同一量级，大约100 μm[14-16]。其中纵向分辨率甚至超过其他组几百微米的水平[16,24]。另外，因为PA信号是由光吸收体向外发出的内源性信号，有别于USI的成像过程中获取反射的US信号。因此，对比图3(a)中的两列图像，本系统的PA图像几乎不存在伪影，相比于US主机表现出更高的图像质量。

图3(b)、3(c)展示出待测头发丝随深度增加其PA图像的横向和轴向分辨率的具体变化。纵向PA信号幅值的FWHM不随深度变化而改变，基本上保持恒定。但是，横向PA信号幅值的FWHM随深度增加而增大，所以图像横向分辨率随成像深度的增加而增大，此现象与US图像一致。因此，在今后的系统优化中对成像算法做进一步优化，以提高PA图像对不同深度成像的横向分辨率。

本PAI系统的成像深度为4.6 cm左右，此结果与其他组研究成果水平相当，皆达到4-5 cm[1,25-26]。系统中激光的能量为15 mJ/cm2，远低于ANSI安全极限，另外，光纤束在激光传播中削减其能量。通过适当的增加光强和更换传输效率更高的光纤，系统成像深度有望得到进一步提高。在测定系统成像深度的实验中，在塑料管中加入的为黑墨水而非磷萘[21]或亚甲蓝[20,27]等特定造影剂。其中，Kim C等人搭建的系统使用的激光器波长为650 nm，与亚甲蓝的峰值光吸收波长667 nm相近[20]，进而促进成像样品对光的吸收，增强光声信号。在未来的实验中，亦可考虑对于特定波长的激光，匹配相应的造影剂作为成像样品，提高成像样品对光的吸收。

本系统的PA图像质量和成像深度均达到较好水平。系统在接下来仍需进一步相关参数优化，并用于进一步的活体动物组织实验，为人体组织实验打下坚实基础。

3 总结

本文成功地搭建了一个基于脉冲激光、阵列式US换能器以及临床US主机的PAI系统，并采用DAS算法对采集的PA信号进行图像重建。通过对头发丝断面和充盈黑色墨水的塑料管进行成像作，系统的图像质量得到评估，成像深度得以确定。系统的在图像质量和成像深度均达到国际研究水平。

在未来的研究中，将通过优化DAS算法和其他算法的实现来提高图像质量，特别是提高PA图像的横向分辨率。另外，本系统中激光器的前置OPO提供了720-790 nm范围的可调激光波长，为未来针对不同成像样品匹配此特定波长的激光提供可能。同时，对于不同组织可使用不同商用手持US换能器，为PA信号采集带来便利。本PAI系统将用于未来的活体组织实验开展，并进一步用于对人体组织的临床成像与诊断。