ADTE|综述|三维手持式光声和超声成像系统及其应用

2024-06-13

光声（PA）成像是一种非侵入性生物医学成像技术，它结合了光学和声学的优点，可提供高分辨率的结构和功能信息。本综述重点介绍了三维手持式 PA 成像系统的出现，它是一种应用于各种生物医学领域的前景广阔的方法。这些系统分为四种技术：使用二维超声阵列的直接成像、使用一维超声阵列的基于机械扫描的成像、基于镜像扫描的成像和基于自由手持扫描的成像。本综述全面概述了每种成像技术的最新研究成果，并讨论了解决系统局限性的潜在方案。

ADTE根据所采用的扫描机制，三维手持式 PA 成像系统可分为四类：直接扫描、机械扫描、镜面扫描和手持扫描（图 1）。每种系统都具有独特的特点和局限性。因此，研究人员必须全面了解与每种系统相关的一般特征，以促进该领域的进一步发展。

图 1. 三维手持式 PA 成像系统示意图

图片来源：超声前沿

1. 直接扫描包括利用各种形状的二维阵列超声传感器（UST），如半球形和矩阵形。这些二维阵列超声传感器能够获取三维图像数据，便于直接生成实时容积 PA 图像。

图 2. 基于直接扫描的手持式三维 PA 成像系统

图片来源：超声前沿

2. 基于机械扫描的三维手持式 PA 成像系统主要使用一维阵列 UST。ADTE借助机械运动，一维阵列 UST 可以收集扫描方向上的扫描数据。三维图像重建通常是通过堆叠扫描方向上的采集数据来完成的。由于一维阵列 UST 在横向提供阵列元件，因此可在横向实施波束成形。

图 3. 基于机械扫描的手持式三维 PA 成像系统

图片来源：超声前沿

3. 基于镜面扫描的三维手持式功率放大器成像系统使用带有不同镜面（如微机电系统（MEMS）或扫描振镜（GS））的单阵元 UST，以确保高速成像。这些系统的空间分辨率通常优于基于阵列的成像系统，ADTE因为它们使用的是单阵元高频 UST。其中一些系统可以提供紧密的光学聚焦，以提供更好的横向分辨率。但是，与其他系统相比，镜面扫描成像方式的穿透深度较浅。特别是，这些提供光学聚焦的系统的穿透深度仅限于 1 毫米，不利于用于临床成像。

图 4. 基于镜面扫描的手持式三维 PA 成像系统

图片来源：超声前沿

4. 所有类型的 UST 都可以实现手持扫描。在 UST 主体上安装全球定位系统 (GPS) 和光学跟踪器等附加装置，用于记录扫描位置。利用扫描数据和扫描位置信息，可实现三维图像重建。通过分析连续获取的自由扫描图像之间的相似性，还可以进行位置校准，而无需额外的硬件装置。

图 5. 基于自由手持扫描的三维手持 PA 成像系统

图片来源：超声前沿

三维手持 PA 成像技术具有广泛的应用潜力，包括临床前和临床应用。尽管三维手持 PA 成像技术得到了积极的开发和利用，但仍有三大局限性需要克服：运动伪影、各向异性空间分辨率和有限视图伪影。

ADTE硅光子技术的最新进展推动了片上光学 US 传感器的发展。压电式 US 传感器在小型化时往往会牺牲灵敏度，光学 US 传感器则不同，它在保持紧凑尺寸的同时，还具有高灵敏度和宽带检测能力。此外，最近在实现这些片上光学 US 传感器的并行检测方面也取得了突破。这些创新为创建超小型三维手持成像系统提供了令人兴奋的可能性。此外，多光谱成像、实时功能、混合模式和人工智能集成为改进未来的三维手持式 PA 成像系统带来了巨大的希望。这些系统可以为病人护理、早期疾病检测和图像引导干预带来新的机遇，最终增强我们对各种医疗状况的了解和管理。