The effect of optical cleaning method combined with laser speckle imaging (LSI) was discussed to improve the detection depth of LSI due to high scattering characteristics of skin, which limit its clinical application. A double-layer skin tissue model embedded with a single blood vessel was established, and the Monte Carlo method was used to simulate photon propagation under the action of light-permeating agent. 808 nm semiconductor and 632.8nm He–Ne lasers were selected to study the effect of optical clearing agents (OCAs) on photon deposition in tissues. Results show that the photon energy deposition density in the epidermis increases with the amount of tissue fluid replaced by OCA. Compared with glucose solution, polyethylene glycol 400 (PEG 400) and glycerol can considerably increase the average penetration depth of photons in the skin tissue, thereby raising the sampling depth of the LSI. After the action of glycerol, PEG 400, and glucose, the average photon penetration depth is increased by 51.78%, 51.06%, and 21.51% for 808 nm, 68.93%, 67.94%, and 26.67% for 632.8 nm lasers, respectively. In vivo experiment by dorsal skin chamber proves that glycerol can cause a substantial decrease in blood flow rate, whereas PEG 400 can significantly improve the capability of light penetration without affecting blood velocity, which exhibits considerable potential in the monitoring of blood flow in skin tissues.

We established a photoacoustic imaging (PAI) system that can provide variable gain at different depths. The PAI system consists of a pulsed laser with an optical parametric oscillator working at a 728 nmwavelength and an imaging-acquisition-and-processing unit with an ultrasound transducer. Avoltage-controlled attenuator was used to realize variable gain at different depths when acquiring PAI signals. The proof-of-concept imaging results for variable gain at different depths were achieved using specific phantoms. Both resolution and optical contrast obtained through the results of variable gain for a targeted depth range are better than those of constant gain for all depths. To further testify the function, we imaged the sagittal section of the body of in vivo nude mice. In addition, we imaged an absorption sample embedded in a chicken breast tissue, reaching a maximum imaging depth of ~4.6 cm. The results obtained using the proposed method showed better resolution and contrast than when using 50 dB gain for all depths. The depth range resolution was ~1 mm, and the maximum imaging depth of our system reached ~4.6 cm. Furthermore, blood vessels can be revealed and targeted depth range can be selected in nude mice imaging.

目的: 本文设计了一套光声成像(photoacoustic imaging,PAI)系统,由脉冲激光、阵列换能器、临床超声(ultrasound,US)主机、软件平台以及成像样品组成。系统的图像质量、最大成像深度等重要参数需通过实验进行确定。方法: 使用本系统对黑色头发丝横截面进行成像,比较、分析光声(photoacoustic,PA)信号幅值的半极大处全宽度以量化图像分辨率。此外,使用系统对特定的光吸收体和鸡胸肉组织进行成像,确定系统的成像深度。结果: 实验结果证明了PAI系统的实现,其PA图像的平均轴向和横向分辨率分别约为0.18 mm和1.44 mm,系统的最大成像深度达到4.6 cm。结论: 本PAI系统PA图像分辨率优于US主机获得的US图像分辨率,系统最大成像深度与其他国际研究组的系统成像深度的数量级一致。通过进一步优化与活体组织实验的开展,本PAI系统将有望实现临床成像诊断。

为了研究不同成像深度对光声层析成像质量的影响，利用多元线性阵列探测器在有限方位进行探测成像。由仿真和实验结果表明，吸收体离探测器越近，其成像效果较好，当多元线性阵列探测器的尺寸与成像深度比小于1时，重建图像畸变明显。在这种情况下，采用旋转扫描探测，其成像效果明显提高。该研究结果对光声层析成像扫描轨迹的设计、成像效果评估具有较好的参考价值。

利用自聚焦透镜和单模光纤搭建了基于光纤旋转连接器的内窥式扫频光源光学相干层析成像系统.利用Zemax模拟了内窥探头的光学性能, 分析了光纤到自聚焦透镜的距离和自聚焦透镜节距对探头性能参量的影响.在综合考虑元器件成本以及成像要求后, 选择无需定制, 节距为0.24 Pitch的自聚焦透镜, 确定光纤与自聚焦透镜之间的距离为0.7 mm.经实验测得该系统的横向分辨率约为19.5 μm, 纵向分辨率约为9 μm, 工作距离约为7 mm, 成像深度为6.2 mm(空气中), 与理论值接近.为了验证该系统对生物组织的成像性能, 利用该系统对猪食道进行离体成像, 重建后的层析图中可以明显地观察到猪肠道的表皮层和固有层.测量系统的各项成像性能参量以及对生物组织的成像性能表明该探头在内窥成像中是可行的.

搭建了一台手持式扫频光学相干层析(SSOCT)系统对人体皮肤进行在体成像。对该系统的性能进行了详细的分析和讨论，并与实验室内现有的传统结构谱域光学相干层析(SDOCT)系统进行了对比，其中手持式SSOCT 系统的灵敏度为101 dB，SDOCT 系统的灵敏度为94 dB。通过一次样本模拟实验和两次人体不同位置皮肤成像的结果证明了手持式SSOCT 系统的信噪比和成像深度都优于SDOCT 系统。利用手持式SSOCT 系统对人体胳膊内侧成像，体现了手持式SSOCT 系统能够对任意位置皮肤成像的优越性。所有实验结果证明搭建的手持式SSOCT 系统除了具有使用方便的优点外，还能够提供高质量的人体皮肤微观结构图像。

增大频域光学相干层析术(FDOCT)成像深度是扩大FDOCT 应用范围的一个关键。主要研究了基于像素平移法提高频域OCT 成像深度的问题。讨论了像素平移法的基本原理，阐述了频域OCT 理论最大成像深度与电荷耦合元件(CCD)像素数的关系。通过点扩散函数实验、5 层盖玻片成像实验以及手指皮肤的活体成像实验验证了像素平移法对于提高频域OCT 成像深度的作用。手指皮肤的成像实验表明256 个像素点的CCD 和512 个像素点的CCD 采用像素平移法后实际成像深度分别增加到了原来的1.98 倍和1.12 倍。Matlab 软件模拟验证方法为频域OCT 系统中CCD 的像素数选择提供了参考。

基于蒙特卡罗方法的牙组织光学相干层析(OCT)成像模型，研究了不同牙组织的OCT非失真成像深度。通过模拟入射高斯光束以及光在牙组织中的传输，分别获得了单层牙釉质、单层牙本质以及两层牙组织结构的二维仿真OCT图像，与实验结果具有定性的一致性。通过分析二维仿真OCT图像所对应的一维OCT信号，分别得到了三种牙组织结构的平均非失真成像光学深度。研究结果表明，OCT系统对牙齿组织的非失真成像光学深度在150~2400 μm之间，其中牙釉质的非失真成像深度要远大于牙本质的成像深度。所得的结果对于在实验中利用OCT图像对组织结构有效信息进行判断具有一定的参考价值。

信号衰减问题在许多领域都备受关注，在光声成像系统中各种原因引起的信号衰减同样在很大程度上影响了系统的成像质量以及成像深度。从组织光学、声传输与接收等方面讨论了长焦区光声成像系统中引起信号衰减的因素及其特点，并在此基础上提出相应的补偿策略。补偿策略考虑到光声形成与传输过程中的光衰减与声衰减两方面因素对光声信号的影响，实现了从光与声两方面对检测信号综合补偿。信号补偿实验分别从模拟样品补偿成像与离体甲状腺成像展开。实验结果表明，补偿策略能够较好地对光声信号进行补偿，从而提高了系统的成像深度及成像质量。