光声层析成像是一种非侵入式的医学成像技术，与其他成像方法相比具备诸多优势，可以为肿瘤早期诊断提供新的成像思路。对光声信号的分析与去噪能提高成像系统的信噪比（SNR）和成像质量。为此，提出了一种针对光声信号的智能去噪算法。首先，利用自适应白噪声完备集合经验模态分解完成光声信号的分解；其次，采用小波阈值去噪方法完成对特定模态光声信号的高频去噪；最后，利用K奇异值分解对预处理后的光声信号进行稀疏重构，实现光声信号的智能去噪。仿真和实验结果表明，所提算法在SNR和均方根误差（RMSE）等方面相比于其他去噪算法均有改善，可以有效去除三维肿瘤仿体光声重建图像中的噪点与伪影，并保留图像的边缘信息。所提智能去噪算法能根据含噪光声信号的特征自适应地去噪，达到更好的去噪效果，可以作为一种成像前的辅助手段应用于光声成像领域。

在光声层析成像重建方法中,当考虑超声换能器特别是大晶面超声换能器的尺寸影响时,经典的光声模型重建算法需将晶面离散化,通过分别计算每个离散点的正向模型并求和来建立最终的正向模型矩阵。这种基于模型的重建方法已被证明比传统的延迟叠加和反投影重建方法具有更高的精确性,但同时也会导致巨大的时间消耗和计算/存储空间。本文提出了一种基于虚拟平行投影的光声模型重建方法,该方法用直接建立虚拟平行投影的模型矩阵来代替晶面离散点模型矩阵之和,适用于使用大晶面柱形聚焦或平面超声换能器的光声层析成像系统。数值模拟、仿体实验及活体实验结果表明,所提方法与基于离散化晶面的光声模型重建方法具有相似的图像重建性能,但其重建过程的时间消耗和计算/存储空间需求显著降低。

光声层析成像(PAT)作为一种新兴的成像技术,以独特的免标记、高分辨率、高对比度的多尺度成像能力,在生物医学成像中备受关注,正迅速向临床试验转化。得益于超声探测技术和激光技术的快速发展,PAT系统正逐步实现实时、大视场、高分辨率、高穿透深度的组织结构和功能成像。主要综述了环形阵列式PAT系统在生物医学成像中的研究进展及其在预临床和临床实践中面对的问题。

目的: 利用光声层析成像技术(photoacoustic tomography, PAT)监测针灸小鼠阳陵泉穴位(GB34)、静脉注射造影剂金纳米颗粒溶液这两种方法分别施加, 以及共同施加对小鼠大脑皮层脉管系统成像的影响。方法: PAT技术能够对生物组织进行高分辨率无损成像, 反映生物组织的光吸收特性等功能信息。本项研究工作, 利用PAT技术实验获取了正常小鼠活体脑皮层随时间变化的图像, 探讨了针灸及造影剂分别作用以及共同作用下皮层脉管系统的光吸收特性的变化。结果: 三组活体实验发现在针灸及造影剂各自作用下, 皮层脉管系统的光吸收峰值增强比率分别为23.87%以及38.56%; 而在两者共同作用情况下, 其皮层脉管系统的光吸收比外源刺激前进一步增加66.75%。结论: 实验结果显示, PAT技术不但能够全程监测小鼠大脑皮层脉管系统随时间变化的光吸收信息, 而且能够诠释金纳米颗粒结合针灸两者共同作用产生的皮层光吸收增强的复合效应远大于任何一种单独作用产生的效应, 这揭示了针灸辅助造影剂方法有助于大大提高光声脑成像对比度。

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。

为了实现单元探测器高质量的快速光声图像重建, 提出了不同旋转扫描次数对光声层析成像的影响方案。实验采用的光源为YAG激光器, 波长为1 064 nm, 重复频率为20 Hz, 脉宽为7 ns, 探测器为针状的PVDF膜水听器, 接收直径为1 mm, 得到了26个字母、12根头发丝、树叶骨架和模拟血管的光声重建图像。由仿真和实验结果表明, 在不牺牲光声重建图像质量的前提下, 单元探测器环形扫描一圈, 均匀采集100个位置的信号, 图像重建时间为5.903 s。该研究结果对于单元探测器的快速旋转扫描成像和环形阵列探测器阵元数的设计具有一定的指导意义。

组织氧合作用和光敏剂应用在疾病诊治中都有着重要的作用, 因此其实时在体无损检测很有意义。光动力疗法涉及光敏剂、光和氧分子三大要素,其疗效受组织氧合作用影响。本文对光声成像(PAI)、光声寿命成像(PALI)和多光谱光声层析成像(MSOT)等光声成像技术在光动力疗法的研究和应用中的使用现状进行了综述。对相关设备系统在检测光敏剂、组织氧分压和微血管损伤等方面的应用原理和技术分别进行了介绍, 并总结了这些技术的应用前景。

由于光声效应产生光声压分布图像，所以当强散射介质中的模拟吸光组织在受到短脉冲激光照射时，该声压分布会经声透镜成像在像平面上。在像平面上利用线性超声探测器阵列获取光声信号并传递给高速数据采集卡进行数据采集，可由程序重构出光声图像。设计的光声层析成像系统可以采集记录一定深度的数据，成像时只要在所采集到的数据中选取不同列数即可同时获得强散射介质多层样品不同层面的光声图像。实验成功地获得了强散射介质内多层样品不同层面的光声层析图像。该成像方法无需进行复杂的算法重建，且可以同时实现多层样品不同切面的光声成像。