大景深光声-超声双模态显微成像机理及系统研究

Photoacoustic microscopy (PAM) is a novel biomedical imaging technique based on photoacoustic effect. PAM can provide high quality images of deep tissue with optical contrast and acoustical resolution. Therefore, PAM shows great potentials in biomedicine. However, classical PAM has a short depth of field, that is, it has good imaging quality only near its focal plane. The short depth of field strongly limits the application of PAM. In order to overcome this shortcoming, this study will investigate the imaging theory and system of PAM with a large depth of field. Then, benefitting from the compatibility of ultrasonic microscopy and photoacoustic microscopy in software and hardware, we will study the photoacoustic-ultrasonic dual-modal microscopy with a large depth of field. Finally, we will use phantom and animal experiments to examine the imaging quality and potential applications of this microscopy. The imaging theory of a large depth of field will significantly improve imaging resolution and sensitivity within a wide axial range. It will increase the imaging quality and extend the application area of PAM. The dual-modal imaging will provide more rich acoustic and photoacoustic information. Therefore, this study could not only have academic significance in developing the imaging theory, but also have important application values in dealing with the challenges of biomedical imaging.

光声显微镜是基于光声效应的一种新型生物医学成像技术。它兼具光学成像的对比度和声学成像深层组织成像分辨率高的优点，因而在生物医学的诸多领域表现出巨大的应用前景。然而，传统的光声显微镜仅能在其焦平面附近获得高质量图像，景深浅的局限性制约了光声显微镜的实际应用效果。针对该问题，本项目拟研制具有大成像景深的光声显微成像理论及其成像系统；并充分利用光声与超声显微镜软硬件的兼容性，在光声显微镜系统上，实现大景深光声-超声双模态显微镜；通过仿体和动物实验，验证该成像系统的性能及其生物医学应用潜力。大景深成像原理将显著提高成像系统在较大轴向范围内的分辨率和灵敏度，改进成像质量，拓展其应用领域。双模态成像获得的超声、光声信息互补，两者的有机结合充分挖掘了系统潜力，丰富了成像信息。本项目不仅发展了光声成像理论，富有学术意义；而且，对于更好地解决生物医学实践中的成像难题，具有重要的应用前景。

光声显微镜是基于光声效应的一种新型生物医学成像技术。然而，传统的光声显微镜成像景深小、仅能在其焦平面附近获得高分辨率的图像，这一局限性制约了光声显微镜的应用效果。针对该问题，我们的研究工作从大景深的光声显微镜成像理论与算法、大景深光声成像系统构建与优化、新型成像系统的应用三个方面展开系统研究：.首先，项目组提出了基于高斯加权的环形超声换能器的大景深成像方法和图像重构算法，不仅提升了光声显微镜成像的成像景深，而且有效地消除了声焦点旁瓣引起的图像伪像，显著地提升了光声显微镜的综合成像质量。我们还提出基于合成孔径和虚拟换能器原理的声速自适应光声-超声成像算法，避免了组织声速不均匀性和不确定性导致的大景深成像质量下降。其次，我们搭建了基于新成像原理的大景深光声显微镜实验平台，通过能量光纤束实现激光和声共聚焦，提升了显微镜的灵敏度；利用非球面声反射镜组实现了的亚波长分辨率的大景深光声显微镜。最后，我们还将这些基于新成像原理的光声显微镜系统成功地应用于眼成像、脑功能成像和人体表微循环成像。.这些研究成果既具有重要的科学意义，而且具有潜在的应用前景。首先，本项目提出的一系列方法从原理上解决了光声显微镜大景深成像面临的分辨率下降、图像伪像、图像畸变等难题，扩大了光声显微镜景深，同时提升了光声显微镜的成像质量；这些新成像方法丰富了光声显微镜的成像理论、改进了光声显微镜的应用效果和应用范围，具有重要的科学价值。 其次，我们通过对光声显微镜系统的优化，显著地改善了其灵敏度、分辨率、操作便利性等技术性能，推进了光声显微镜的实用化、易用性，为光声显微镜的实际应用和产业转化打下基础。最后，本项目研究针对光声显微镜的实际应用，已经验证了这些新成像方法在眼成像、脑功能成像、人体体表微循环成像等领域的应用价值，通过进一步的改进，本项目的研究成果有望应用于小动物成像、前临床研究，医学临床。