基于光学毫米环谐振器的大景深光声显微成像方法研究

The emerging photoacoustic (PA) imaging has drawn wide attention in recent years because it enables high-resolution imaging to optical absorption contrast. In current PA microscopy (PAM) systems, PA signals are detected by piezoelectric transducers, whose performances have direct impact on resolutions, imaging depth, and depth of field (DOF). For a focused transducer, high lateral resolution results in low depth of focus and low DOF, and high-frequency transducer are usually expensive. In this proposal, we will study optical milli-ring resonators (ring diameter in the size of millimeters) for PAM systems. The PA signals will be detected by optical milli-ring resonators, instead of conventional piezoelectric transducers. The system will be designed to have both high resolutions and large DOF. Milli-ring ultrasonic detectors have suitable response in lateral direction, offering lateral resolution, while its wideband response provides high axial resolution. Besides, milli-ring detectors can respond to acoustic signals coming from the normal line through the ring’s center, and thus, realize large DOF images. We will also study several practical issues for the imaging system, such as laser illumination, scanning methods, and imaging system control. The investigation is helpful to develop a novel large-DOF PAM system to enhance imaging volume and imaging speed, which are important parameters for the new-generation PAM systems.

最近几年，新型的光声成像得到了广泛关注，因其可对光学吸收对比进行高分辨率成像。目前光声显微成像系统主要使用压电超声探头来探测光声信号，其中，探头的性能直接影响图像质量，如分辨率、成像深度、景深等。对于一聚焦探头而言，高横向分辨率意味着小焦深与小景深，且高频聚焦探头一般较为昂贵。本项目计划对光学毫米环谐振器应用于光声显微成像系统进行研究。光声信号探测上，改为使用光学毫米环谐振器来取代传统压电超声探头，重新设计光声显微系统，力求可同时获得大景深与高分辨率。毫米环谐振器可用于超声探测，且具备合适的横向探测响应，可提供横向分辨率； 而其大带宽可提供高轴向分辨率。此外，毫米环探测器对来自于通过环中心的法线上的超声信号都具有响应，因此可较好地实现大景深图像。我们也将研究此系统的激光照射、扫描技术与系统控制等实际问题。上述研究将有助于开发新颖大景深光声显微成像系统，可提高成像体积和成像速度等重要指标。

项目的背景：最近几年，新兴的光声成像得到了广泛关注。光声成像可对生物组织中的光吸收对比进行高分辨率成像，已成为生物医学成像领域重要的研究工具之一。传统的光声显微成像系统使用一聚焦压电超声探头，透过电控平台扫描压电超声探头，可获得B-mode图像或是三维图像；另外，成像分辨率则是由探头的性能决定的（包括中心频率，数值孔径等）；分辨率与景深一般是取舍关系。本项目尝试改善传统的光声显微成像系统，包括以下三个方面：提出并展示了镜像扫描，相对于电控平台的扫描更为简便；利用反卷积算法，提高了三维分辨率；提出并展示了合成孔径聚焦技术与反卷积算法，同时提高了光声显微成像的分辨率与景深。..主要研究内容：如上所述，可分为三个部分：（1）镜像扫描：透过振镜的摆动扫描，或反射镜的旋转扫描，可达到与实体扫描超声探头一样的效果，我们搭建了测试系统，进行成像，已验证此方法的可行性。（2）三维反卷积：我们首次尝试了光声显微成像的三维反卷积，对分辨率的提高进行量化的测定，并尝试将此方法用于鸡胚的活体成像。（3）结合合成孔径聚焦技术与反卷积算法：我们搭建暗场照明声分辨率式光声显微成像系统，结合合成孔径聚焦技术与反卷积算法，研究其对分辨率与景深的提高，并将此方法用于老鼠背部的血管光声成像。..重要结果：（1）在镜像扫描技术上，实验结果显示，我们可用此方法达到跟使用电控位移平台扫描接近的效果；此外，镜像扫描技术还可用于光声内窥成像。（2）在三维反卷积技术上，实验结果显示，我们可提高光声显微成像系统的横向与轴向分辨率约1.7至3.7倍。（3）在结合合成孔径聚焦技术与反卷积算法技术上，实验结果显示，分辨率与景深可同时被提高，解决了之前分辨率与景深是取舍关系的问题。..关键数据及其科学意义：本项目从三个方面来改善传统基于聚焦超声探头的声分辨率式光声显微成像系统。技术层面包括新硬件设计与新算法。总体来说，简化了成像系统并提高了成像性能。