光声成像系统之进阶篇
光声成像系统之进阶篇
背景介绍
光声显微成像（PAM）是一种混合体内成像技术，通过光声效应进行系统性成像的技术。与纯光学显微技术不同，PAM利用了组织中微弱的声学散射，从而突破了光学扩散极限（在软组织中约1毫米）。凭借其出色的可扩展性，PAM可以在所需的最大成像深度上提供高分辨率的图像，深度可达数毫米。与基于背散射的共聚焦显微镜和光学相干断层成像相比，PAM提供了吸收对比而不是散射对比。此外，与基于荧光的方法（如宽视场、共聚焦和多光子显微镜）相比，PAM可以在其吸收的波长上对更多的分子（内源性或外源性）进行成像。最重要的是，PAM可以同时成像体内的解剖、功能、分子、流动动态和代谢对比。博锐创基于PAM最新的技术特点和不同用户的科研需求，研发了光声显微成像系统，以下详细介绍系统分类，以及关键参数特性。
系统分类
PAM结合了光学和声学的优点，使得其成像分辨率、成像深度及成像速度等重要属性都得到很大的提升。同时可进一步将其分为光学分辨率PAM（OR-PAM）和声学分辨率PAM（AR-PAM），前者的光学聚焦比声学聚焦更加严格，后者的声学聚焦则比光学聚焦更加严格。此外，光声内窥镜（PAE）被认为是用于内部器官成像的PAM的一个变种，它通常是基于旋转扫描。在PAM中，深度分辨声波呈现为一维PA图像（A-扫描），而二维光栅扫描可产生三维PA图像（C-扫描）。
关键参数
（1）横向分辨率
OR-PAM和AR-PAM的横向分辨率由双焦点的组合点扩散函数决定，如图(a)，所产生的超声波首先被一个凹面声学透镜聚焦到组合器的底部（数值孔径：0.44），然后被一个连接到棱镜上表面的宽带超声波传感器（中心频率：50MHz）检测。一个校正透镜被加入以抵消棱镜的光学畸变。对于570nm的波长和0.13的光学物镜数值孔径，显微镜的横向分辨率测得为2.56μm。
与OR-PAM不同，AR-PAM通常在反射模式下实现，因为它主要是为厚重的物体设计的。除了暗场AR-PAM之外，还开发出了基于光纤的明场AR-PAM。由于即使在没有散射的情况下（>2mm），光束也比声学焦点宽得多。此时图(b)中的暗场AR-PAM可达到了横向分辨率为45μm，最大成像深度为3mm。
（2）轴向分辨率
OR-PAM和AR-PAM的轴向分辨率由成像深度和超声换能器的频率响应共同决定，采用相同的公式，RA,OR/AR = 0.88vA/ΔfA，这是基于假设PA对点状目标的响应遵循高斯频率分布。ΔfA是PA信号带宽，可近似为超声波传感器的探测带宽，通常与中心频率fA成正比。然而，这是基于假设PA信号带宽比检测带宽更宽。如上所述，声波的高频成分比低频成分衰减得更快，因此，PA信号带宽随着成像深度的增加而减少，导致更大深度的轴向分辨率下降。使用中心频率为50MHz、单向-6dB带宽为100%的超声波传感器，图(a)中的OR-PAM和图(b)中的暗场AR-PAM实现了相同的15μm的轴向分辨率，尽管其横向分辨率不同。除了传统的宽带压电超声波传感器外，在OR-PAM中，一个薄膜微镜谐振器已被用于声波的光学检测。微镜谐振器的声学带宽有可能达到1GHz，这可以在牺牲穿透力的情况下实现低至2μm的轴向分辨率。同样，在OR-PAM中探索一种声学带宽为100MHz的法布里-珀罗聚合物薄膜超声传感器，其轴向分辨率达到了10μm。
（3）最大成像深度
PAM的最大成像深度与它的横向分辨率大致成正比。到目前为止，通过改变横向分辨率从220nm到560μm，各种PAM系统和PAMac已经实现了从100μm到4cm的最大成像深度。
（4）成像速度
在PAM系统中，影响图像成像速度的因素主要有激光器的重复频率、扫描轴频率、信号采集精度和同步处理的速度。其中信号采集精度和同步处理的速度尤为关键，基于NI的FPGA和高速数据采集卡，数据采集和处理对于系统性能和成像质量至关重要。可以帮助用户实现高质量的数据采集和快速的数据处理，提高光声成像系统的性能和成像速率，做到精确的同步和实时的闭环控制来实现校正图像的畸变。
通过NI 7976R FPGA高性能的模块来保证信号的同步处理速度，该模块具有高速数据处理、高度可定制、稳定可靠等多方面的优势。其FPGA按照125MHz的时钟循环执行，能够实现快速数据处理，提高图像数据处理效率和成像速度。该系统还配备了NI 5782 FlexRIO 16bit的收发仪适配器模块，以实现数据的高速采集。由于超声换能器的中心频率为50MHz左右，根据奈奎斯特采样定理，采样频率至少为100MHz，采用250MHz采样率可以避免信号混叠和失真的问题，4个PFI接口分别采集激光器同步信号和扫描轴编码器ABZ向的信号，保证了信号高精度的采集和信号还原。
同时利用NI LabVIEW FPGA模块进行编程，采用图形化编程语言，可以快速定制算法，并在硬件上进行实现。相对于传统的硬件描述语言（如Verilog和VHDL）来说，使用起来更加方便简单。FPGA模块在此处用于同步控制激光器和扫描系统的时序，确保数据采集在正确的时间和位置进行，从而实现更高质量的图像高速重建。
成果展示
系统名称:
可切换式光学/声学分辨率的显微成像系统
成像波长:
532nm & 1064nm（可定制）
横向分辨率:
25um@光学分辨率显微镜，50um@声学分辨率显微镜
轴向分辨率:
45um@光学和声学分辨率显微镜
成像深度:
900nm@光学分辨率/532nm，3mm@声学分辨率/532nm
扫描速度:
25秒/帧分辨率500*500扫描行程10mm（音圈电机行程10mm
扫描频率10Hz）
以下为可切换式的声学/光学双分辨率成像模块
简介：为了匹配科研用户不同场景下对分辨率和探测深度的平衡，推出了一款可切换式光学或者声学分辨率的成像模块，将光学和声学探头以及放大器模块整合在一个封闭模块内，以进行良好的设计和屏蔽，同时容易替换。
下图为含“博”字样的黑胶带的成像效果图
总结
光声成像是一种集成高分辨率和大探测深度的成像方法，突破了传统光学成像技术分辨率与成像深度相互制约的壁垒。博锐创基于可切换式光学/声学双分辨率模块，降低了系统搭建的难度和提高了灵活度，NI硬件保证了数据的精度和成像速度。未来，我们将致力于提高显微成像的速度和分辨率、拓展多模态成像、实时和无创成像以及提高便携性和成本效益。此外对于新型光声技术我们也将持续保持关注。
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