JIOHS | 光声成像中生物组织非均匀性的校正方法研究综述

研究背景

光声成像是近年来快速发展的一种新型生物医学成像技术。在光声成像中，激光脉冲照射生物组织，组织中的吸收体吸收激光能量受热膨胀产生超声波，超声换能器采集到超声信号后可以重建出组织中的光吸收分布图像从而反映组织的内部结构。光声成像中，需要根据超声信号到达换能器的时间恢复吸收体的位置，生物组织的声学非均匀性会影响重建图像质量，需要进行校正以提升成像结果。

内容简介

本文对光声成像中生物组织非均匀性的校正方法进行了综述。主要介绍了四类方法，包括半时间法、自动对焦法、联合重建法和超声断层成像增强的重建方法。

图文导读

01半时间方法

       半时间重建方法的基本思想是在时域截断冗余信号，仅采用部分时间数据重建图像，以减小声速非均匀性对数据的影响。这种方法利用经典图像重建方法，通过截断部分原始数据，减小组织声学非均匀性的影响，可以得到更好的图像质量。

图 1 基于半时间方法的生物组织非均匀性校正(M. A. Anastasio, et al., IEEE Trans. Med. Imaging 24, 199, 2005)。(a) 利用半时间方法重建得到的图像。(b) 利用全时间方法重建得到的图像。

02自动对焦方法

       自动对焦方法的基本原理是通过对图像或信号进行对焦，自动估计生物组织的最佳平均声速，再利用估计的最佳声速提高光声图像质量。

图 2基于自动对焦方法的生物组织非均匀性校正 (B. E. Treeby, et al., J. Biomed. Opt. 16, 090501, 2011)。(a)声速值超过最优值5%的重建图像。(b)利用自动对焦方法得到最优声速后重建的图像。

03光吸收和声速联合重建法

       联合重建方法的基本原理是利用一组光声数据迭代求解生物组织的光吸收和声速分布，进而提升图像重建质量。常用的联合重建方法包括基于特征耦合的重建方法和基于正则化的重建方法等。

图 3基于联合重建方法的生物组织非均匀性校正。(a)和(b)基于特征耦合联合重建方法的重建结果与基于均匀声速的重建结果（C. Cai, et al., Biomed. Opt. Exp. 10, 3447, 2019）。(c)和(d)基于正则化联合重建方法的重建结果与基于均匀声速的重建结果 (T. P. Matthews, et al., SIAM J. Imaging Sci. 11, 1560, 2018)。

04超声断层成像增强的重建方法

       超声断层成像增强的重建方法的基本原理是首先采用超声断层方法重建生物组织的声速分布，然后利用估计的非均匀声速分布提高光声图像重建质量。该方法需要利用额外的实验硬件，但是由于重建的声速信息较为准确，因此可以得到较好的图像质量。

图 4 超声断层成像增强的生物组织非均匀性校正(J. Jose, et al., Med. Phys. 39, 7262, 2012)。(a)利用超声断层方法重建的大鼠离体肾脏声速分布图。(b)基于重建得到的非均匀声速分布重建的光声吸收图。(c)利用均匀声速重建的光声吸收图。