适用于光声显微成像的合成孔径算法研究

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血液循环是生物机体正常新陈代谢所需营养物质和代谢废物的运输通道,血管形态结构异常会影响机体的正常新陈代谢,并最终影响组织和细胞生存。因此,实现在体血管形态结构和血液动力学参数的高分辨成像具有重要意义。新近出现的光声成像技术有机结合了光学成像高对比度和超声成像高空间分辨率的优点,能够在大成像深度下对血管结构和血液动力学参数实现显微成像,然而具有高空间分辨率的光声显微成像系统(Photoacoustic Microscopy,PAM)采用的简单时间反演图像处理方法只能保证系统在有限的焦深范围内获得高的空间分辨率,亟需在图像重建算法上开展进一步的研究。因此,本文首先利用实验室已经搭建完成的PAM系统建立起在体血红蛋白浓度和血氧饱和度成像的方法,并提出二维合成孔径和自适应合成孔径图像重建算法来改善系统离焦情况下的空间分辨率,使系统能够在成像深度范围内对血管结构和血液动力学参数进行三维高分辨率成像。最后将该系统应用于大鼠中动脉阻塞的缺血性中风过程中的血液动力学参数变化的初步研究中。其主要内容如下:
　　(1)针对光声显微成像系统只能在有限的焦深范围内获得高空间分辨率的特点,提出了基于虚探测器的二维数值合成孔径图象重建算法(Two-dimensional Synthetic-Aperture Focusing Technique,2D SAFT),能同时从两个扫描方向对光声显微成像的结果进行孔径合成来提高系统离焦区域的空间分辨率和信噪比。实验结果证明离焦时在以焦点为中心的1.2mm深度范围内,用一维合成孔径的方法计算的结果表明两侧向分辨率最大相差为145μm,运用2D SAFT计算则使差别缩小到15μm。在离焦700μm时使用2D SAFT得到的最大值投影图的信噪比较使用一维合成孔径的方法提高了8dB。并最终将该算法应用于在体成像中。
　　(2)提出并实现了可自动针对每个分支血管进行图像重建的自适应合成孔径(Adaptive Synthetic-Aperture Focusing Technique, ASAFT)图像重建算法,解决了任意走向的血管在离焦情况下的光声显微成像中存在的侧向分辨率不一致的问题,并通过模型实验和在体实验进行了验证。实验结果证明ASAFT适用于不同深度、不同走向的血管,相对于一维或二维合成孔径算法,能更准确的给出血管的重建分辨率。
　　(3)针对大鼠中动脉阻塞(Occlusion of Middle Cerebral Artery, MCAO)模型,联合激光散斑成像技术和光声显微成像技术,对缺血3小时内的脑皮层单根动、静脉血管中的血流速度、血红蛋白浓度和血氧饱和度变化进行成像,并由此得到氧萃取率、氧代谢量的变化。结果表明缺血后40分钟内,除了血红蛋白浓度外,所有的血液动力学参数均表现为快速下降。其中血容在缺血后第15分钟先增大到最大值,动脉血容达到初始值的112.42±36.69％、静脉血容为130.58±31.01％,然后快速减小。缺血40分钟后,脑血流、血容和血氧饱和度等始终处于缓慢的减小状态。研究提示联合PAM和激光散斑成像方法能够用于中风过程中的多个生理参数长时间监测成像。

著录项

作者
邓子林;
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作者单位

华中科技大学;

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授予单位华中科技大学;
学科生物医学工程
授予学位博士
导师姓名骆清铭;
年度 2012
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类 R743.304;
关键词
缺血性中风; 临床诊断; 光声成像技术; 血液动力学; 动物模型;

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