光声成像开始走向临床

Mike Hatcher

Editor in Chief of https://www.360docs.net/doc/187878872.html,

光声成像开始逐步应用到临床患者的身上，这项技术将对临床医学成像，如从早期肿瘤检测到神经学和无标记组织学研究都将产生革命性的影响。

在今年夏初召开的2012国际光学和光子学会(SPIE)欧洲光子学会议上，来自华盛顿大学(St. Louis)的光声成像先驱科学家汪立宏在大会主题发言中传递出以上振奋人心的信息。在一个热点论坛中，汪立宏给众多的听众描述了光声成像的最新进展，包括光声成像在乳腺癌和黑色素瘤人体体内实验的应用情况。

该项技术被认为将来有可能替代传统的扫描方法如磁共振(MRI)和基于X射线的断层扫描方法。光声断层技术(PA T)的优点包括它是非离子化的技术，不需要生物标志物，以及具有极高的分辨率、实时扫描等，因此可以显示一些常规扫描设备遗漏的细微结构。光声成像一个主要的局限性在于它的成像深度，但是该局限性也正在被逐步克服，现在它的成像穿透深度可以达到7厘米。

按照汪教授的说法，光声成像的一个较大优势在于它的可延展性，从单个细胞、直到整个器官、再到小动物的整个身体都可以实施光声成像。由于显微成像和宏观成像不太可能使用相同的造影剂，所以不可能做到观察成像的延展性。但是因为光声成像在各个层次都使用相同的造影剂，所以它可以在各个层面上使用。

光产生声

实际上最早描述光声原理的是电话发明人贝尔，根据光声的简单原理，他搭建了最早的一部“光电话”。现在的光声成像系统一般使用纳秒级的激光脉冲照射到检测部位上，该部位受热并发生膨胀。热膨胀产生声学信号，由此可以以超声波的形式来进行接收，重建之后产生的图像可以显示出靶部位内部光学吸收的分布情况。

汪教授使用不同位置的三个人听到雷声的例子来做比喻，雷声最初在一个点产生，通过三角测量可以将雷声产生的点进行定位。在光声成像中，通过在数百个位置点和多个方向检

测激光产生的超声波信号，就可以产生出人体组织靶部位的结构图像。

由于生物组织对声波造成的散射远远低于光子在可见光区域的散射(通常低3个数量级)，这些重构的图像可以显示出较高的分辨率。

另外，激光的波长可以用来探测特定的分子，并且由于超声波信号强度与光吸收水平直接相关，非吸收的分子由此不会产生信号，因而就去除了图像的背景噪音信号，从而得到更高清晰度的图像。

汪教授在华盛顿大学光学影像实验室的团队一直走在光声研发的前沿，现在他们拥有一个512通道的超声波阵列系统，可以重建出完美质量的图像。在布鲁塞尔，汪教授展示了一段有关小鼠光声全身扫描的视频，显示出100 μm的平面间分辨率。

临床进展

汪教授指出，光学技术如显微镜用来对细微结构成像，非光学技术如X射线和常规超声用来对较大结构如整个器官成像，光声成像由于它的可延展性从而“弥补了这两者之间的鸿沟”。光声成像已经成为一个快速发展的研究领域，现今光声技术正由微观实验室阶段逐步走向宏观临床实践阶段。

最初的临床应用期望用于新生儿脑部成像和前列腺癌的血氧饱和度检测。众多的例子可以支持这些展望，其中包括与飞利浦研究部门合作开发的手持式光声探头，以及美国Endra 公司开发的Nexus 128小动物光声成像系统，汪教授是Endra公司科学顾问团队成员。

乳腺癌是另一项早期临床检测的应用领域。使用650nm激光器在10 mJ/cm2能量下(美国国家标准研究所American National Standards Institute (ANSI)标准规定能量的一半)，光声成像显示可以实施乳腺癌的体内成像，这将会对全球几百万病例的筛查产生根本性的影响。

现今的乳腺癌筛查最大的问题是会导致大量切除肿瘤的手术病例。不仅90%的手术是不必要的，而且手术本身将会导致5%的并发症。使用光声成像特异性的筛查将会大幅度降低手术和并发症的比率。

其他的研发工作还包括共聚焦光声显微镜，已经用来对人黑色素瘤皮肤癌进行成像，使用的是金纳米颗粒和金纳米笼来寻找特异性激素受体来显示该疾病早期发病征兆。

光声技术最令人印象深刻的特点就是汪教授预测的应用领域的广泛性。汪教授指出光声成像和其变型不仅可提供解剖信息，还可提供功能信息、代谢信息、分子和基因信息等各个方面。近期的例子包括测定血氧饱和度，无标记代谢速率(已知的一种肿瘤发展的早期指示物)和无标记体内组织学检测等(Endra Nexus 128)。

在一项未发表的研究工作中，光声显微镜可以直接显示单个红细胞释放氧的情形，该项研发工作可使我们探究微循环内部的详细情况，这也被认为是早期肿瘤形成中的一个关键性因素。

临床成像的革新

在最近的一期美国科学周刊上，汪教授强调了此项新技术如何能够冲破目前健康筛查方法的局限，他写道：“将小动物代谢光声技术扩大至人类将会对代谢性疾病的筛查、诊断、和治疗产生革命性变化，特别是在肿瘤和脑脊髓疾病方面。”

将代谢光声技术缩小至细胞水平将会带来更多的机会，因为过度代谢是肿瘤最典型的特征，代谢光声分析可以使得肿瘤早期体内筛查成为可能，而且不使用外源性造影剂。

光声技术仍然面临一些挑战。在布鲁塞尔，汪教授也指出了由骨骼产生的问题，特别是由大块致密的骨骼如人头盖骨产生的干扰，会导致声学信号的扭曲。同样需要解决的还有成像深

度、由体内气体产生的散射问题。

汪教授因此也指出了光子学的发展如何能够将光声成像技术进一步推向临床应用。对于类似常规CT扫描的深度穿透光声成像来说，需要视频-速率脉冲重复(video-rate pulse repetition)的高能量激光器来解决。对于快速显微镜或内窥镜应用来说，则需要具有快速波长调谐的高重复速率(high-repetition-rate)激光器。这些都是从长远发展观点来考虑的。但是随着第一套临床科光声成像系统的商业化，当务之急是确保临床系统能够通过每种新系统都必需要通过的审批程序。

如果通过了这些审批程序，无论是在基础生命科学研究成像，还是临床病例护理成像方面，光声成像技术和其各种衍生技术将会带来成像技术的一个革新。

Endra Nexus 128小动物光声成像系统

Endra公司是由辉瑞、默克、强生、雅培、Lilly、诺华诺德、阿斯特拉等七大制药公司组成的Enlight Biosciences实体投资成立的。Endra发展光声的历史可以追溯到2001年，迄今已有11年的历史，目前Endra已经在肿瘤生物学和探针研发方面开展了3年多的应用性研究。

Endra Nexus 128小动物光声成像系统原理的发明人正是汪立宏教授，汪教授也是Endra 科学顾问团队成员之一。它是一种新型的无损伤活体成像模式，同时具备光学成像的高对比度特性和超声成像的高穿透深度特性，可以提供高分辨率和高对比度的组织成像。Nexus 128成像系统既可以实现内源性结构成像，也可以在对比增强剂辅助下得到对比度更高的图像。它可以应用于心血管、药物代谢、疾病早期诊断、基因表达研究、干细胞及免疫、肿瘤生物学，脑神经生物学等各研究领域，为科学研究提供更可靠更全面的实验数据。

光声成像系统性能比较

近红外小动物成像系统性能比较和比较（黑体字是制作地内容，红字是技术地回应）型号备注全身扫描能力唯一能进行整鼠三维成像地系统；度环状激光，与弧状阵列超声侦测装置固定，老鼠线性移动；全鼠冷冻切片影像资料库. 动物被探测器包围探测，前提是动物必须浸在水中成像. 非全视图断层截面扫描（局部）；单向激光与碟状侦测剂设计，超声侦测装置以螺旋状移动进行扫描；无法做大面积三维成像. 无法进行脑部成像. 探测器在组织下方，意味着需要更少地偶联剂，偶联剂或水仅在动物下方.脑部成像已经有常规地应用，不需要动物浸入水中. 唯有小鼠全身实时扫描，才能进行药物动力学分析(). 研究，如果使用切片式扫描地，无法进行体积吸收研究.第一个切片和最后一个切片地获取肯定不在一个时间点上. 系统在吸收研究中已经是常规地应用，典型地试验通常每周做只动物地扫描. 空间分辨率整鼠横切面扫描: 不是等向性分辨率，切片厚度大于. 是年前在原型机上地分辨率，具有<地等向性分辨率，切片厚度是 (发表文献). 基于度环状激光发光设计及微阵列超声叹投讯号接收，即使在小鼠深部横切面处，分辨率依然很好. 分辨率与激光发射形状没有任何联系.仅取决于换能器地几何学.写这种文字地人对光声没有任何专业知识. 对比灵敏度< () < ( ) () 这是年前原型机地灵敏度，是在激光能量较低地情况下获得地，我们现在轻松达到深度 <. . 仅仅拿一个切片获得地数据来充当一个体积地数据，切片外地光都浪费了，光声信号也浪费掉了. 视野范围视野范围: ()()；可撷取整个小鼠横切面视野；穿透深度；手动改变视野范围；无法进行整只小鼠地造影. 我们地是 ,对小鼠来说足够.超声不是全身成像地技术，对于光声成像来说，要让声波穿透有气体存在地空间来成像是根本不可能地. 唯有地探测深度能穿透整只小鼠. 激光系统脉冲能量: ；波长可调范围: ；波长切换时间: <; °均匀环状激发. 使用光纤会降低激光能量. 脉冲能量: ；波长范围: ；波长切换时间: ；单向（下方）激发设计. 使用紧凑型激光器，牢固可靠，且应用于多项工业应用中. 单元部件完全密封不需要维护.我们地激光脉冲频率为，拥有一个有效地光学系统（无光纤无能量损失），光达到动物身上地能量与一样. 可使用地荧光标记物更多、信噪比与脉冲能量成正比，信噪比更好. 信噪比取决于几个方面，包括声学接收器和探测器、电子元件等.上述说法没有任何根据.地激光器是为桌面型物理研究设计地，在生物学应用研究领域没有任何可参考地数据.激光达到动物地能量是符合激光标准地，难道胆敢超过这个标准吗？

光声成像开始走向临床

光声成像开始走向临床 Mike Hatcher Editor in Chief of https://www.360docs.net/doc/187878872.html, 光声成像开始逐步应用到临床患者的身上，这项技术将对临床医学成像，如从早期肿瘤检测到神经学和无标记组织学研究都将产生革命性的影响。在今年夏初召开的2012国际光学和光子学会(SPIE)欧洲光子学会议上，来自华盛顿大学(St. Louis)的光声成像先驱科学家汪立宏在大会主题发言中传递出以上振奋人心的信息。在一个热点论坛中，汪立宏给众多的听众描述了光声成像的最新进展，包括光声成像在乳腺癌和黑色素瘤人体体内实验的应用情况。该项技术被认为将来有可能替代传统的扫描方法如磁共振(MRI)和基于X射线的断层扫描方法。光声断层技术(PA T)的优点包括它是非离子化的技术，不需要生物标志物，以及具有极高的分辨率、实时扫描等，因此可以显示一些常规扫描设备遗漏的细微结构。光声成像一个主要的局限性在于它的成像深度，但是该局限性也正在被逐步克服，现在它的成像穿透深度可以达到7厘米。按照汪教授的说法，光声成像的一个较大优势在于它的可延展性，从单个细胞、直到整个器官、再到小动物的整个身体都可以实施光声成像。由于显微成像和宏观成像不太可能使用相同的造影剂，所以不可能做到观察成像的延展性。但是因为光声成像在各个层次都使用相同的造影剂，所以它可以在各个层面上使用。光产生声实际上最早描述光声原理的是电话发明人贝尔，根据光声的简单原理，他搭建了最早的一部“光电话”。现在的光声成像系统一般使用纳秒级的激光脉冲照射到检测部位上，该部位受热并发生膨胀。热膨胀产生声学信号，由此可以以超声波的形式来进行接收，重建之后产生的图像可以显示出靶部位内部光学吸收的分布情况。汪教授使用不同位置的三个人听到雷声的例子来做比喻，雷声最初在一个点产生，通过三角测量可以将雷声产生的点进行定位。在光声成像中，通过在数百个位置点和多个方向检

光声成像技术的最新进展

第4卷第2期 2011年4月中国光学 Chinese Optics Vol．4No．2 Apr．2011 收稿日期：2010- 11-01；修订日期：2011-02-13文章编号1674- 2915（2011）02-0111-07光声成像技术的最新进展张建英，谢文明，曾志平，李晖（福建师范大学物理与光电信息科技学院，医学光电科学与技术教育部重点实验室，福建福州350007）摘要：光声成像技术是生物医学领域中新兴的无损检测技术，具有对比度高、分辨率好、穿透能力强等优点。本文介绍了光声成像技术近年来的进展状况，主要涉及成像探测方式的改进、成像速度的加快、成像分辨率的提高以及图像重构算法的发展等。以该项技术在现代临床诊断中的应用为例，描述了其在生物医学领域中应用范围的拓宽。最后，总结了该项技术现存的主要问题，指出多模式组合的成像方式，如光声与超声的组合，光声与OCT 方式的组合是该项技术的发展趋势；另外，结合造影剂的分子光声成像技术也同样很有发展前景。关键词：生物医学光子学；光声成像技术；图像重构算法；生物医学应用中图分类号：Q- 334文献标识码：A Recent progress in photoacoustic imaging technology ZHANG Jian-ying ，XIE Wen-ming ，ZENG Zhi-ping ，LI Hui （Key Laboratory of Optoelectronic Science and Technology for Medicine ，Ministry of Education ，School of Physics and Optoelectronics Technology ，Fujian Normal University ，Fuzhou 350007，China ）Abstract ：Photoacoustic Imaging Technology （PAT ）with high contrast ，excellent resolution and deep penetra-tion is an emerging noninvasive detecting technology in biomedical applications．This paper introduces the lat-est progress in PAT ，which contains the improvement of image detecting modes ，increase of imaging speed ，enhancement of imaging resolution and the modification of image reconstruction algorithm．By taking applica-tion of PAT to the clinical diagnosis as examples ， it describes that the PAT applications have been expanded in biomedical fields．Finally ，it overviews the shortcomings of the PAT ，and points out that multi-mode combina-tion will a developing trend of the PAT ，such as combination of the photoacoustic imaging and the ultrasonic imaging or the photoacoustic imaging and the OCT．Moreover ，the molecular PAT based on the contrast agent will also has a good prospect． Key words ：biomedicine photonics ；Photoacoustic Imaging Technology （PAT ）；image reconstructed algorithm ； biomedical applications

光声成像系统性能比较

近红外小动物成像系统性能比较 iThera和Endra比较（黑体字是iThera制作的内容，红字是Endra技术的回应）型号iThera Medical Endra Nexus 128 备注全身扫描能力唯一能进行整鼠三维成像的系统； 360度环状激光，与弧状阵列超声侦测装置固定，老鼠线性移动；全鼠冷冻切片影像资料库。动物被探测器包围探测，前提是动物必须浸在水中成像。非全视图断层截面扫描（局部）；单向激光与碟状侦测剂设计，超声侦测装置以螺旋状移动进行扫描；无法做大面积三维成像。无法进行脑部成像。探测器在组织下方，意味着需要更少的偶联剂，偶联剂或水仅在动物下方。脑部成像已经有常规的应用，不需要动物浸入水中。唯有小鼠全身实时扫描，才能进行药物动力学分析 (pK/pD)。 PK/PD研究，如果使用切片式扫描的，无法进行体积 3-D吸收研究。第一个切片和最后一个切片的获取肯定不在一个时间点上。 Endra系统在吸收研究中已经是常规的应用，典型的试验通常每周做50只动物的扫描。空间分辨率整鼠横切面扫描: 150um 不是等向性分辨率，切片厚度大于400um. 280um 280um是3年前在原型机上的分辨率，Endra具有<250um 的等向性分辨率， iThera切片厚度是400um (发表文献). 基于360度环状激光发光设计及微阵列超声叹投讯号接收，即使在小鼠深部横切面处，分辨率依然很好。分辨率与激光发射形状没有任何联系。仅取决于换能器的几何学。写这种文字的人对光声没有任何专业知识。对比灵敏度<95nM (ICG) <15fM (gold nanoparticle) 350nM (ICG) 这是3年前原型机的灵敏度，是在激光能量较低的情况下获得的，我们现在轻松达到 10mm深度<100nM。 iThera is better. iThera仅仅拿一个切片获得的数据来充当一个体积的数据，切片外的光都浪费了，光声信号也浪费掉了。视野范围视野范围: 20(25)x20(25)x120mm；可撷取整个小鼠横切面视野；穿透深度40mm 20mm；手动改变视野范围；无法进行整只小鼠的造影。我们的FOV是 25mm,对小鼠来说足够。超声不是全身成像的技术，对于光声成像来说，要让声波穿透有气体存在的空间来成像是根本不可能的。唯有 iThera的探测深度能穿透整只小鼠。激光系统脉冲能量: 80-120mJ；波长可调范围: 410-980nm；波长切换时间: <50ms; 360°均匀环状激发。使用光纤会降低激光能量。脉冲能量: 25mJ；波长范围: 680-980nm；波长切换时间: ~1S；单向（下方）激发设计。使用紧凑型激光器，牢固可靠，且应用于多项工业应用中。单元部件完全密封不需要维护。我们的激光脉冲频率为 20Hz，拥有一个有效的光学系统（无光纤无能量损失），光达到动物身上的能量与 iThera一样。 iThera可使用的荧光标记物更多、信噪比与脉冲能量成正比，iThera信噪比更好。信噪比取决于几个方面，包括声学接收器和探测器、电子元件等。上述说法没有任何根据。iThera的激光器是为桌面型物理研究设计的，在生物学应用研究领域没有任何可参考的数据。 Endra激光达到动物的能量是符合ANSI激光标准

光声成像

光声成像的原理生物通 https://www.360docs.net/doc/187878872.html, 虽然我们已经接受了X射线成像所获得的灰色照片，但这只是我们机体内部“照片” 的一个稀疏替代品。然而由于光子只能穿透约为一毫米的软体组织，之后就会散射出去，无法解析其途径，获得图形，因此我们只能接受这样的图片。生物通 https://www.360docs.net/doc/187878872.html, 但是散射并没有破坏光子，这些基本粒子能直达7厘米的深处（大约3英寸）。光声成像的方法就在于将深处的吸收光转变成了声波，后者比光散射情况低一千倍。这可以通过某光波长纳秒脉冲激光照射成像组织来实现。生物通 https://www.360docs.net/doc/187878872.html, 也就是说，当宽束短脉冲激光辐照生物组织时，位于组织体内的吸收体 (如肿瘤 )吸收脉冲光能量，导致升温膨胀，产生超声波。这时位于组织体表面的超声探测器件可以接收到这些外传的超声波，并依据探测到的光声信号来重建组织内光能量吸收分布的图像。生物通 https://www.360docs.net/doc/187878872.html, 由此可见光声成像技术检测的是超声信号，反映的是光能量吸收的差异，所以这一技术能很好地结合光学和超声这两种成像技术各自的优点。而且由于探测的是超声信号，所以这一技术能克服了纯光学成像技术在成像深度与分辨率上不可兼得的不足。而且由于光声技术的图像差异来源于组织体光学吸收的不同，这就能够有效地补充纯超声成像技术在对比度和功能性方面的缺陷。生物通 https://www.360docs.net/doc/187878872.html, 除此之外，光不同于X射线，不会产生任何健康威胁，而且光声成像也比X射线成像对比度更高，还能由“内源性”造影剂，获得彩色分子图像，这包括血红蛋白——随着获得和失去氧气，而改变颜色，还有黑色素，以及DNA——处于细胞核中的DNA 比细胞质中的DNA更“暗”。生物通 https://www.360docs.net/doc/187878872.html, 通过“外源性（引入）”造影剂的帮助，比如有机染料，或者能表达彩色分子的基因，光声成像也能对组织成像，比如淋巴结，这一结构易于周围环境混淆。汪教授还利用报告基因编码了彩色物质进行实验，这获得了良好的结果。生物通 https://www.360docs.net/doc/187878872.html,

光声成像的未来

万方数据

４光学与光电技术第７卷１２）射频诱导的热声层析成像能够作为未来的分子成像这种方法的优势是高分辨率、高灵敏度、高成像深度。射频信号如果频率足够低，可以穿透ｌｏｅｍ以上。在低频率时的背景信号，即体内的内源信号很弱，能够得到比较高的灵敏度。目前有个致命的问题，就是这种造影剂不存在。光学的造影剂已经有很多，但是射频的造影剂还不存在。所以，目前我们和很多化学家合作，想在这方面有些突破。４结束语１）超声和光／射频信号集成到一种组合式成像方式中。２）成像深度突破了光学准弹道光区域的成像软极限。３）空间分辨率由超声决定。４）对比度是由光学或射频提供的。５）图像的刷新频率可以很高，目前已经实现５０Ｈｚ，从根本上说是一种快速成像方式。６）避免了在光学弱相干层析成像和超声扫描成像中存在的散斑效应。７）使用非电离辐射，非常安全。８）价格较低，柏当ｒｒ超声成像系统。９）预测了最有发展前景的十二个方面。２０２０年之后，我们可以检验其中有哪些是对的。（本文为汪立宏博士在第三期武汉光电论坛所作学术报告全文，本刊发表时略有删节）汪立宏博士简介现任美国圣路易斯华盛顿大学生物工程系ＧｅｎｅＫ．Ｂｅａｒｅ杰出教授，是国际生物医学光学学会（１Ｂ（）ｓ）主席，国际光学工程学会（ＳＰＩＥ）、美国光学学会（ＯＳＡ）、美国医学和生物工程学会（ＡＩＭ【ＢＥ）、美国电子和电气工程学会（ＩＥＥＥ）等学会会士；担任ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ、ＪｏｕｍａｌｏｆＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＯｐｔｉｃｓ编委以及ＮａｔｕｒｅＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ＮａｔｕｒｅＰｈｏｔｏｎｉｃｓ、ＰＮＡＳ、ＡＰＩ，、０Ｐ、ＡＯ等３３种权威刊物的审稿人。多次担任国际会议主席；１０次担任美国国家卫生局科研项目的首席科学家；获科研经费超过一千万美元；曾在Ｎａ—ｔｕｒｅＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ＮａｔｕｒｅＰｒｏｔｏｃｏｌｓ、ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ、ＯｐｔｉｃａｌＬｅｔｔｅｒｓ和ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ等国际权威学术刊物上发表学术论文１５０余篇，均被ＳＣＩ收录，他引逾１５００次。主要学术成就包括：１）在国际上率先发展了ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ方法，并编制程序模拟了生物组织中光子传输规律，该方法和程序已成为本领域基础理论研究的经典内容；２）将光波与超声波技术进行了有效地结合，发明了暗场共焦光声显微镜，首次展示了活体小动物的功能性光声层析成像，并取得高质量的成像效果，填补了高分辨深层光学成像的空白。首次报道了光声层析的精确逆向重建方法，为将来的光声成像的研究工作奠定了坚实的基础。实验上发现了光声多普勒效应，为血流成像提供了一种新的机制；３）成功实现了生物组织的脉冲微波感应热声层析成像，通过精确重建算法，在生物组织深部的空间分辨率可达到０．５ｎｕｎ；４）首次实验上实现了声光层析成像，发明了扫频声光成像，阐明了生物组织等散射介质中的声光调制机理，开辟了物理学的新领域；５）深入研究了光学偏振弱相干层析成像理论，建立了生物组织散射特性与深度分辨率的定量关系，发明了密勒光学相干成像。　万方数据

光声成像论文

光声成像技术【摘要】光声成像是近年来发展起来的一种无损医学成像方法，它结合了纯光学成像的高对比度特性和纯超声成像的高穿透深度特性，可以提供高分辨率和高对比度的组织成像。光声成像技术基于光声效应，应用在医学领域里，有着其他医学影像设备不可超越的特长。【关键字】光声成像技术，原理，优点，医学应用，发展前景随着科学技术的进步,生物组织无损检测技术蓬勃发展,医学对人体某些疾病的检测,如人体组织成分(血糖、血氧)检测、组织病变细胞检测、以及组织切片检测等,正由传统的基于症状的有创检测模式向以信息为依据的无损检测模式转变。由于在600～1300nm之间的近红外"光学窗"范围内, 生物组织的透光性能好,对光的吸收小,且近红外技术能够实现真正意义上的无损检测,所以,近红外技术成为目前生物无损检测技术的研究重点。然而,组织的强散射特性制约了近红外技术的应用,严重影响了其测量的精度和使用范围。但是基于光声效应的时域光声谱技术将光学和声学有机地结合起来,部分地克服了光在组织中传输时组织强散射效应的影响。在这种背景下，光声成像成为近年来发展起来的一种无损医学成像方法，它结合了纯光学成像的高对比度特性和纯超声成像的高穿透深度特性，可以提供高分辨率和高对比度的组织成像。光声技术的理论基础是光声效应（用光辐照某种媒质时, 由于媒质对光的吸收会使其内部的温度改变从而引起媒质内某些区域结构和体积变化; 当采用脉冲光源或调制光源时,媒质温度的升降会引起媒质的体积涨缩, 因而可以向外辐射声波。这种现象称为光声效应。），其成像原理是当一束光照射到生物组织上以后,生物组织吸收光能量而产生热膨胀,伴随着热膨胀会产生超声波,吸收光能量的多少决定了产生的超声波的强度。于是不同的组织就会产生不同强度的超声波,可以用来区分正常组织和病变组织。正是由于这一特点,光声技术在医学中有着广泛的应用前景。光声技术的最大优点就是试样不用经过预处理就直接可以进行光声信号相位与幅度的测量,不仅操作简单而且能够保持生物试样的自然形态,可以进行活体检测。光声技术的应用非常广泛,其中以医学中的应用最为重要。光声层体成像的最大优点就是高分辨率和高对比度,特别是当组织的不同部分吸收系数和散射系数差别很大的时候,就能够取得更理想的效果。特别是组织中的血红蛋白的吸收特性和散射特性都很好,所以光声成像对血管的成像效果特别好,无论是对血管系统疾病的直接诊断,还是对血管周围的病变组织进行成像,都有很好的效果。光声成像正逐步成为生物组织无损检测技术领域的另一研究热点。它在生物无损检测领域内主要的应用方向是人体组织成分检测和组织层析成像。下面我们列举几个例子，来看看光声成像技术在医学领域的应用。（一）脑成像利用光声成像技术进行脑成像研究是医学成像技术的研究热点之一。由于脑组织的光学吸收与血氧消耗以及脑生理状态等密切相关, 光声成像可用于研究脑组织结构和脑功能。通过监控脑血氧的动力学变化, 可以得到脑神经系统的动态信息和功能特征信息, 在神经生理学和神经病理学中具有重要的应用前景。目前，常用的脑成像技术包括功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，FMRI)、正电子发射断层扫描技术（Positron Emission Tomography，PET）和单光子发射计算机断层成像(Single Photon Emission Computed Tomography，SPECT)。与上述三种技术相比，光声技术用于脑成像不仅具有无损伤、成本较低的优点，而且还可获得氧化型和还原型血红蛋白的分布特性，提供更加完整的脑部血氧

小动物光声成像系统技术文档

目录一． (2) 多模式光声成像系统原理 (2) Endra Nexus 128技术优势 (3) 1 优异的科研级激光器系统 (4) 2 探测器系统与真正的3-D成像 (4) 3 方便快捷科学的动物处理系统 (5) 4 分辨率和灵敏度 (5) 5 穿透深度 (6) 6.操作步骤简单 (6) 7 光声图像定位 (7) 8 强大的软件处理功能 (7) 9卓越的科学顾问团队 (7) Endra Nexus 128系统硬件配置 (7) 二Endra Nexus 128系统科研应用 (8) 2.1 肿瘤学应用 (8) 2.1.1 肿瘤形态学 (8) 2.1.2 肿瘤灌注 (9) 2.1.3 探针吸收-动态扫描 (9) 2.1.4肿瘤治疗 (10) 2.2 纳米材料(新型造影剂)中的应用 (10) 2.3 解剖学应用 (12) 2.4 光学造影剂应用 (12) 三同动物活体荧光成像比较 (15)

一．多模式光声成像系统原理当一束光照射到生物组织上，生物组织吸收光能量而产生热膨胀，伴随着热膨胀会产生超声波，吸收光能量的多少决定了产生的超声波的强度。于是不同的组织就会产生不同强度的超声波，可以用来区分正常组织和病变组织。光声成像技术检测的是超声信号（该技术克服了光学成像技术在成像深度与分辨率上不可兼得的不足），反映的是光能量吸收的差异（补充超声成像技术在对比度和功能性方面的缺陷），结合光学和超声这两种成像技术各自的优点，能实现对组织体较大深度的高分辨率、高对比度的功能成像。 Endra Nexus 128多模式小动物光声成像是一种在生物医学基础研究和疾病相关的应用研究中都具有广阔前景的新技术。以动物模型为对象的生物医学研究可以避免在人体进行实验带来的风险，克服某些疾病潜伏期长、病程长的缺点，并且可以严格控制动物实验条件、减少个体差异的影响，是目前动物模型研究中不可或缺的工具之一。

光声成像与近红外光学成像的完美结合

1，光声成像结合近红外光学，两种成像模式的融合：近红外超声成像技术的原理：当近红外脉冲激光照射到生物组织上,生物组织吸收光能量而产生热膨胀，在脉冲间隙释放能量发生收缩。伴随着热胀冷缩的过程会产生高频超声波，吸收光能量的多少决定了产生的超声波的强度。因为不同的组织对近红外光的吸收不同，于是就会产生不同强度的超声波，这个技术对于血管成像十分理想，因为血红蛋白是近红外超声成像内源性的造影剂。利用这个技术，在肿瘤学的研究中可以用来区分正常组织和病变组织（因为癌症组织的血管十分丰富）。另外，光声成像技术检测的是超声信号（该技术克服了纯光学成像技术在成像深度与分辨率上不可兼得的不足），反映的是光能量吸收的差异（补充纯超声成像技术在对比度和功能性方面的缺陷），结合近红外光学和超声这两种成像技术各自的优点，能实现对组织体较大深度的高分辨率、高对比度、高灵敏度的结构成像和功能成像的结合，并且能对感兴趣区域（肿瘤部位）做断层成像，效果要优于小动物CT。并且近红外成像由于其穿透力较深和组织背景低等特点，特别适合于体内的成像；并且该系统所配备的近红外实时成像系统，可实时指导小动物乃至大动物的手术操作，在造影剂的辅佐下，可完成靶向部位的探测成像，指导手术的细微操作。因此，该成像平台不仅可以完成无标记的组织结构和功能成像（光声部分），又可在造影剂的增强效果下完成手术的导航（近红外光学部分），是科研定量研究和转化医学的结合产物。近红外超声成像平台是近年来发展起来的一种无损医学成像方法，它结合了纯光学成像的高对比度特性和纯超声成像的高穿透深度特性，可以提供高分辨率和高对比度的组织成像。并可对组织进行3D定量分析，可完成多波长激发的断层扫描，可实时指导动物模型的手术操作过程，它是近几年来新兴的无损医学成像方法，也是动物模型研究中不可或缺的工具之一。目前应用近红外超声技术的文章多在国际前沿杂志上发表，如nature等，它代表了新型的小动物成像发展的趋势，也给小动物成像带来了技术上的革新。所以能够购买此平台将会大大提高科研技术水平，缩短与国际领先实验室的技术差距。近红外光学部分在染料、探针或造影剂的选择上与光声成像是兼容的，因为光声成像的波长就是在近红外区域，所以从实验设计上来讲，就能够做到完全与光声成像同步。不需要设计和增加额外的探针或造影剂，就能够实时同步确证的实验，从而节约了研究成本，也能够确保数据对比的可靠性。近红外光学部分具有实时光学成像的特点，可以持续对研究对象进行成像并录制成连续动态的电影，观察探针或造影剂在体内分布的时间分布。这种实时成像同时还具有开放的特点，即不需要专业暗室，动物也不需要进行麻醉，只要将近红外光学探头对准动物即可。这种简单易用的操作，不需要特殊试验条件的特点使得近红外光学更具有较强的实用性。由于它具有实时成像、实时录影的特点，因此对于某些吸收较快、清除较快的探针具有特别重要的现实意义。任何一个时间段的荧光信号变化都能够被完全捕获下来，不会漏掉某

基于声成像技术风力发电机噪声源识别

基于声成像技术风力发电机噪声源识别杨炯明，范德功，唐新安，陆金红金风科技股份有限公司摘要声成像技术通过多个传声器获取声场信息，使用成像成原理对声场信号进行处理，能对宽带声源进行有效识别。利用基于声成像噪声源分析技术，研究了风力发电机组辐射噪声的频率特性和能量分布特性，通过与光学图像的自动重叠，获得了风力发电机最大噪声源的频率、空间位置和产生来源。试验结果表明，声成像术能够快速有效地进行噪声源诊断和声源空间定位，从而为低噪声电机优化设计提供了依据。关键词风电机组，声阵列分析，噪声源识别，声成像技术 Abstract: Acoustic imaging technique through multiple microphones for sound field information, the use of imaging principle to the acoustic signal processing, can effectively to broadband noise source identification. Based on the acoustic imaging noise analysis technology, research the frequency characteristics and energy distribution characteristics of the wind power generators noise emission, through the optical image automatic overlap, get the frequency, space position and origin of the strongest noise. The test results show that the sound imaging technique is effective for the noise source diagnosis and sound spatial orientation, and provide foundation for the optimization design of low noise wind power generator. Key Words: Wind turbine generator system, Noise array analysis, noise source identification, Acoustic imaging technique 1、前言随着风力发电机组装机量的快速增长，机组噪声已成为一种重要的环境污染源，国内已出现多个发电场由于噪声过高导致影响当地居民生活的案例，同时机组噪声也很大程度上反应出生产厂家的设计水平和工艺水平，成为衡量风力发电机组质量的重要标志之一，因此有效的控制机组噪声，成为近年来风电行业的一种重要研究课题。直驱风力发电机组在运行时是一个复合噪声源，由叶片气动噪声、发电机组机械结构噪声、冷却系统风扇噪声组成，直驱风力发电机直接裸露在空间中，且为外转子结构，其产生的机械结构噪声是总噪声的重要组成部分，更有甚者发电机噪声是机组噪声音调的唯一来源，因此机组整体降噪的关键在于降低风力发电机噪声水平。直驱风力发电机尺寸大，结构相对复杂，可能产生机械结构噪声的部件多，要控制噪声，首先要找出发电机内部的噪声源。本文采用声阵列技术，采用先进的声相仪CASI-200P64测试系统，对金风某型直驱发电机组噪声特性进行分析，找出主要噪声源的空间位置和频率特性，为进一步开展整机降噪工作奠定基础。

超声成像新技术的物理声学基础及其应用(终审稿)

超声成像新技术的物理声学基础及其应用 Pleasure Group Office【T985AB-B866SYT-B182C-BS682T-STT18】

超声成像新技术的物理声学基础及其应用 90年代以来，由于电子计算机容量和功能的提高，数字化技术的引入，以及各种信号处理、图像处理和控制技术的应用，医学超声成像新技术、新设备、新方法层出不穷。本文就腹部超声诊断中常用的主要新技术的物理声学基础、临床应用现状及发展前景等问题作一简要阐述。 1?与提高图像质量有关的超声成像新技术频谱合成成像频谱合成成像即频率转换技术 (frequency convert technology,FCT)[1]。组织在超声声场的作用下，当超声波满足小振幅条件时，声源与其声场之间为线性关系，即无论在声场的任何距离上，介质质点都重复声源的振动规律，但当超声波不满足小振幅条件，而具有一定振幅(有限振幅，达到有限振幅的波为有限振幅波)时，随传播距离的增加，由于有限振幅波的传播速度不是常数，而与介质的非线性参量及质点的振速有关，致使波形发生畸变，波形的畸变必然伴随谐波的产生。当声源发射的不是单频的超声波，而是以f0为主频、具有一定频宽的超声脉冲时，经声场介质作用后，将产生具有多重频率的回波信号，且其频谱与声源发射者不同，即实现了频率转换。从成像的观点来说，回波信号中频率成分利用得越充分，图像质量就越好。利用超宽频探头、数字化处理和超大容量计算机，可将回波信号分解为多个频带进行并行处理，然后再按频谱合成为最后的信号，因此亦称为频谱合成成像，由此获得的图像分辨率更高，对比度更大，噪声伪像更低。二次谐波成像 1995年以来，二次谐波成像 (second harmonic imaging,SHI)技术逐步趋于成熟，近几年开始用于心外脏器和组织的检查[2]。应用于临床的谐波成像分自然组织谐波成像

光声成像

使用电浆子金纳米粒子对特定分子光声成像 I.介绍金纳米粒子，如金，银和铁纳米粒子被用来作为各种成像技术对比剂促进癌症的早期检测。金纳米粒子（Au NPs）因为它们著名的生物分子协议，生物相容性，并易于调谐的光学特性，被用来作为肿瘤分子成像的纳米造影剂已经得到普及。在光声现象中，电磁能量是以光的形式被吸收，随后发出声波。使用超声波探测器，声波可以被检测，并且空间分辨率决定了在组织中形成一个图像吸收者。EGFR在许多上皮癌中表达调节，使其成为肿瘤诊断的一个有用的目标。当有针对性的金纳米粒子结合到EGFR上时，他们作为受体，往往集中在相同的空间分布。受体介导的金纳米粒子的聚焦引起的等离子体激元耦合聚集的纳米粒子，导致等离子体共振的一种光学红移和红色区域的吸收增加。利用光学性能中的这些变化，我们以前证明，高选择性的癌症检测可以使用分子靶向金纳米粒子结合光声和超声成像来实现。在这项研究中，我们通过癌细胞标记抗EGFR靶向纳米金评估了光声成像的检测限。 II.材料和方法在这项研究中使用的金纳米粒子制备使用柠檬酸减少氯金(III）酸和(HAuCl4)的回流。柠檬酸钠还原的方法得到的是直径为50纳米的球形金纳米粒子。未标记和标记的细胞使用暗视野光学成像来分辨。组织模仿幻影含有用抗EGFR的金纳米粒子标记的不同浓度的人类上皮癌细胞（A431细胞明胶制成）。具体而言，细胞标记的抗表皮生长因子受体的金纳米粒子的制备在一个1×107细胞/毫升浓度中，使用前面描述的过程。细胞悬浮液与不同量的明胶溶液（10%重量）混合，获得一系列的Au纳米颗粒的浓度。将细胞/明胶溶液（100μL）与不同浓度的纳米粒子用移液器吸取到单独的间距器中以用于成像。在成像实验以后，细胞/明胶样品从逆电流器中提取并溶解在1%的硝酸中用于金纳米粒子的定量测定，测定使用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）。 .超声和光声成像系统结合是使用一个集成的光声和超声成像系统进行超声和细胞/明胶溶液的多波长的光声成像，如图1a。成像系统包括一个带有一个定制的LabVIEW程序控制的超声脉冲器/接收器，脉冲激光器，数据采集单元，和所有三维机械扫描需要的运动轴。一个25Hz的单元素聚焦（震源深度= 25.4毫米，f # = 4）超声传感器是用来获取的组织幻影的超声和光声图像。可调谐OPO 激光系统在720nm波长的操作（7 ns的脉冲持续时间，脉冲重复频率为10 Hz）是用来产生光声瞬态。激光辐射通过7个600μm直径的光纤束来传送。在束近端，所有的纤维排列在一个圆形的配置被耦合到激光束。在其近端，纤维分布在周围并且连接到换能器，也是是说超声换能器的声焦域和和纤维光束空间（图.1b)一致。这种集成探针连接到运动轴允许组织幻影机械扫描。在离线处理中，光声和超声信号从A线记录的每侧步扫描获得中提取。数字带通滤波器（5-45 MHz）应用这些原始的射频（RF）信号来降低噪声。希尔

光声成像系统与关键技术

光声成像系统与关键技术鉴定时间: 2003-02-26负责人: 完成单位: 华南师范大学,汕头超声仪器研究所完成人员: 邢达,向良忠,杨思华,杨迪武,杨金耀组织鉴定单位: 国家知识产权局申报单位: 广东省教育厅登记日期: 2008-05-12 成果介绍: 该项目属电子、通信与自动控制技术领域。本发明项目构建了集激光技术、光声转换和压电传感、弱信号检测、图像处理及电子技术等多项高新技术于一体的无损、高分辨率、高对比度的光声成像系统。该项目有以下创新： 1. 发明了反映生物组织光吸收分布原理的光声成像方法，开创了有别于传统医学成像技术（如MRI和X-CT）的新型生物组织结构与功能成像方法。 2. 首次突破了国际上惯用的单探测器扫描成像方法，实现了多探测阵列的快速光声成像，采集一幅图像时间由30分钟缩短为0.2秒，使得光声成像的临床应用成为可能。 3. 发明了多通道并行光声采集方法及其装置，并成功将其用于快速光声成像系统。 4. 构建了B模式的一体化、便携式扫描探头，并首次用于快速光声成像系统。 5. 发明了光声和超声联合的双成像方法，此方法既可实现快速光声层析成像，又可同时实现传统的超声成像，开发了一种方便快捷的临床多参数诊断仪器。 6. 率先开展光声成像系统研发，成功建立了具有系列自主知识产权的高分辩率实用化光声成像系统。系统的横向分辨率200 μm, 纵向分辨率25 μm。 7. 拓展了光声成像技术在生物医学中的应用，发明了光声脑功能成像、光声肿瘤治疗监控、光声检测HIFU作用效果以及异物和低密度材料检测方法与装置。该项目将理论研究、器件设计、仪器研制与实际应用相结合，发明了拥有自主知识产权的实用化光声成像系统

声全息技术

声全息技术利用干涉原理来获得被观察物体声场全部信息（振幅分布和相位分布）的声成像技术。它一般包括获得声全息图和由声全息图重建物体可见像。为了构成声全息图，除了含有待测物体信息的声波──物波外，还需要另一束与物波相干的参考波，两者的干涉就形成了既有振幅信息又有相位信息的声全息图。声全息技术中，这参考波一般是声波，有时也可用电信号来模拟。为了把声全息图保存下来，通常把声全息图记录在照相底片上作为光调制器，需要时可随时用激光重建可见像。在不需保留声全息图的情况下，声成像的两个阶段也可以设法使其极快完成，这就是所谓实时重建。声全息的具体成像方法的种类很多，液面声全息和扫描声全息是最常用的两种。液面声全息是利用液面的变形来形成声全息图的,其装置如图1[液面声全息装置示意图]所示。频率为兆赫级的信号源同时激励两个声源。透过物体后的物波与参考声波在液面上相互干涉，在液面上形成了声全息图。当激光照射该液面时，声全息图表面就把相位变化加到反射光束上,使光束产生衍射,利用光阑，只让强度同液面上干涉图样振幅变化成正比的一级衍射光通过，经摄像头接收后就可以在荧光屏上直接观察到物体的实时重建像了。若用宽度约数百个声波周期的声脉冲来进行液面声全息，并采用同步的脉冲激光来重建可见像,可以提高成像质量。图2[成人拇指的液面声全息重建像]是用液面声全息拍摄的重建像。

液面声全息的优点是能实时重建物像，因此可以观察动目标。但为了获得可分辨的图像，液面处需要的最低声强为10～10W/cm,所以其灵敏度较低,不宜用于较大距离的检测。扫描声全息是一种灵敏的成像方法，它成像所需的声强只要10W/cm它是采用一个点接收器（尺寸小于1/2 声波波长）在物波与参考波重叠声场的全息记录平面上扫描，来获得每一点上的相位和振幅信息。若用这个信号调制一同步扫描的点光源，使底片感光，就能得到一幅声全息图。当然，扫描的也不一定必须是接收器，也可以是声源或被测物体，甚至也可以是声源和接收器一起进行扫描。在扫描声全息中，也可以不用参考声源，点接收器提供的物波信号可以直接与超声波发生器提供的参考电信号相互叠加，然后输至显示器，以显示声全息图，如图3[ 扫描声全息装置示意图]所示。这种方法不仅比较简单，而且还有减少声干扰信号的明显优越性。