电磁干扰（EMI）导致基于LED的光声断层成像系统中伪影的产生，从而影响了图像质量

《Medical Journal Armed Forces India》：EMI Caused Artifact Removal in LED-based Photoacoustic Tomography System for Image Quality Enhancement

LED-PACT系统中电磁干扰抑制与图像质量提升研究。通过优化LED驱动电路和增加电磁屏蔽设计，显著降低电磁干扰幅度达88%，使超声换能器接收到的干扰信号减少90%以上，有效抑制图像伪影，提升生物组织成像精度。

　　光发射二极管（LED）在光声成像技术中的应用为医学影像领域带来了诸多创新。LED 基础的光声成像系统（PACT）因其安全性、低成本、便携性和波长可调性等优点而受到广泛关注。为了获取高质量的光声信号，LED 需要被周期性的纳秒脉冲驱动。这种驱动方式在 LED 开启和关闭的瞬间会导致电流显著变化，从而在 LED 电路周围产生强烈的电磁干扰（EMI）。在 LED 基础的 PACT 系统中，光源通常被放置在超声波换能器附近，这样在 LED 产生的 EMI 影响下，换能器的线圈会感应出电流，进而引发额外的超声波信号。这些信号会与光声信号混合，导致图像中出现伪影。

为了克服这一问题，本研究提出了一种优化设计，旨在减少 LED 电路引起的 EMI，从而降低图像伪影。我们设计了多个电路模块，以缓解电流瞬变并抑制电流振荡，从而在 EMI 生成阶段降低其幅度。此外，我们还采用了外部措施，在 EMI 传播阶段吸收其能量。为了验证该系统的效果，我们进行了 EMI 幅度测试，通过测量铜线圈上的感应电压波形，评估了 EMI 对换能器的影响。实验结果显示，该系统在 EMI 幅度上实现了显著的降低。为了进一步展示系统改进的效果，我们进行了橡胶球模型的光声成像实验，证实了干扰信号的减少，观察到干扰信号减少了超过 90%。这种设计在硬件层面上有效抑制了 PACT 系统中的可能伪影，从而有望提升 LED 基础的 PACT 在浅层组织和血管成像中的图像质量。

在光声成像技术中，PACT 通过结合超声成像的高空间分辨率和光学成像的高组织对比度，实现了医学影像领域的广泛应用。PACT 被应用于血管成像、淋巴系统检测、肿瘤诊断以及骨骼健康评估等多个领域。此外，PACT 还被用于生物组织的粘弹性特性分析，通过非侵入式的测量方法，获取了组织的物理特性信息。PACT 的工作原理基于光声效应，即材料吸收短脉冲光后，导致局部温度升高，从而引发热膨胀并产生超声波信号。通过将脉冲光源与不同阵列的超声波探头结合，可以满足多种成像需求。

传统的激光基础的 PACT 系统在临床转化过程中面临诸多限制，主要体现在其体积较大、成本较高以及存在一定的安全风险。近年来，随着高性能 LED 的发展，LED 基础的 PACT 系统逐渐受到关注，因其具有安全性、低成本、便携性和波长可调性等优势。在 PACT 系统中，为了获得高质量的光声信号，光源需要发出高强度的脉冲光。因此，LED 基础的 PACT 系统通常需要多个高功率 LED 组成的阵列，以提供足够的光学能量。一些研究团队已经尝试使用双波长 LED 阵列进行光声成像，以实现更广泛的光谱覆盖。例如，Hariri 等人使用了由两种不同类型 LED 组成的双波长 LED 阵列进行光声成像。Zhu 等人则利用了商用的 AcousticX PACT 系统进行血管成像，该系统包含两个 LED 阵列作为光源。Liu 等人提出了一种采用环形光源的 PACT 系统，由八个 LED 阵列组成。

LED 阵列通常可以设计为串联或并联结构。由于高功率 LED 在工作过程中需要承载安培级别的电流，因此并联结构会要求驱动电路提供高达数十安培的瞬时电流，这可能会对系统的安全性和稳定性造成影响。此外，串联结构在驱动多个 LED 时受到一定的限制，无法满足大面积照明的需求。因此，本研究采用了串联连接的 LED 光源电路，以防止电流过大并确保足够的照射面积。

为了实现高分辨率的成像，LED 阵列需要以周期性的纳秒脉冲进行操作，这会导致 LED 电路在切换过程中出现快速的电流波动。此外，当二极管两端的电压从正向切换到反向时，会经历一个反向恢复过程。在这个过程中，LED 电路中的电流会在数十至数百伏的幅度下以 MHz 级别的频率振荡。这两种因素都会在 LED 周围产生强烈的电磁干扰。这一问题在商用的 AcousticX PACT 系统中也存在。电磁干扰可以通过电磁感应影响超声波换能器，从而在换能器的线圈中产生意想不到的电流。这些电流会进一步引发强的超声波信号，并将其发射出去。这些强的超声波信号会与弱的光声信号混合，引入强烈的干扰信号。

在 PACT 系统中，为了降低噪声并增强光声信号，通常会对多个连续接收的超声波信号数据集进行平均处理。然而，这种处理方式并不能有效抑制我们提到的干扰信号。由于电路的周期性操作，电流中断的频率是固定的，而感应电流的频率与之匹配，因此在每个操作周期中都会产生干扰信号。超声波换能器接收到的每一组原始数据都会受到这些干扰信号的影响。当成像系统和目标位置固定时，干扰信号与光声信号之间的时间差是恒定的。因此，在对多个数据集进行平均处理后，干扰信号与光声信号之间的时间关系仍然保持不变，导致重建图像中出现显著的伪影。

本研究提出了一种 LED 基础的 PACT 系统设计，旨在减少由 LED 电路引起的电磁干扰所导致的干扰信号。基于串联连接的 LED 电路，我们设计了多个电路模块，以缓解电流瞬变并抑制电流振荡，从而在 EMI 生成阶段降低其幅度。此外，我们还采用了外部措施，在 EMI 传播阶段吸收其能量。为了验证该系统的效果，我们进行了 EMI 幅度测试，通过测量铜线圈上的感应电压波形，评估了 EMI 对换能器的影响。实验结果显示，该系统在 EMI 幅度上实现了显著的降低。为了进一步展示系统改进的效果，我们进行了橡胶球模型的光声成像实验，证实了干扰信号的减少，观察到干扰信号减少了超过 90%。这种设计在硬件层面上有效抑制了 PACT 系统中的可能伪影，从而有望提升 LED 基础的 PACT 在浅层组织和血管成像中的图像质量。

本系统强调了电路设计在 PACT 技术中的重要性，特别是在抑制电磁干扰方面。通过优化 LED 驱动电路和采用外部电磁干扰抑制措施，我们成功降低了 EMI 对超声波换能器的影响。这不仅提高了光声信号的信噪比，还有效减少了图像中的伪影。此外，本研究还探讨了 LED 驱动电路的设计参数，以确保其能够满足 PACT 系统的需求。我们采用了一种基于 MOSFET 的飞驰直流电源，该电源能够提供稳定的 200 V 直流输出。通过调节 PWM 信号的占空比，可以控制输出电压。在系统中，我们使用了高功率近红外 LED，其中心发射波长为 940 nm，最大脉冲电流为 2 A，峰值电子功率为 3.3 W，上升时间为 9 ns，下降时间为 16 ns，发散角为 70°，这些参数均能够满足 PACT 系统的性能要求。

在讨论部分，我们进一步分析了 MOSFET 在驱动 LED 电路中的作用。当 MOSFET 被开启时，会在 D1 上施加 200 V 的反向电压。因此，D1 必须具备高反向电压承受能力和快速开启特性，以在 MOSFET 关闭后短时间内平衡 LED 电路中的电压。我们选择了 ES2J 二极管，其反向电压额定值为 600 V，反向恢复时间为 35 ns（等于开启时间），完全满足了我们的电路需求。由于 R2 在导通期间需要承载全部的 LED 电流（约 2 A），因此在电路设计中，我们需要确保 R2 的耐受能力和稳定性。

本研究的结论表明，我们提出了一种基于 LED 的 PACT 系统，旨在通过抑制 LED 电路产生的电磁干扰来减少图像伪影。实验结果显示，该系统成功抑制了 88% 的感应电磁电压，这直接导致了超声波探头在 PACT 实验中接收到的干扰信号减少了超过 90%，从而突显了我们系统在提高信号保真度方面的有效性。此外，本研究还强调了电路设计在 PACT 技术中的重要性，特别是在抑制电磁干扰方面。通过优化 LED 驱动电路和采用外部电磁干扰抑制措施，我们成功降低了 EMI 对超声波换能器的影响。这不仅提高了光声信号的信噪比，还有效减少了图像中的伪影。

本研究还涉及了伦理审批和资金支持。由于本研究主要集中在系统设计和实验验证方面，未涉及动物或人体实验，因此伦理审批不必要。本研究的资金支持来自中国自然科学基金（12574496）和江苏省自然科学基金（BK20231399）。此外，本研究声明不存在竞争性利益冲突。

综上所述，LED 基础的 PACT 系统在医学影像领域具有广阔的应用前景。通过优化电路设计，有效抑制电磁干扰，可以显著减少图像伪影，提高图像质量。本研究提出的设计方法为 LED 基础的 PACT 系统提供了一种可行的解决方案，有助于推动其在浅层组织和血管成像等领域的应用。未来的研究可以进一步探索 LED 驱动电路的优化方法，以提高系统的性能和可靠性。同时，还可以结合其他技术手段，如信号处理算法和图像重建技术，以进一步提升 PACT 系统的成像效果。这些努力将有助于推动 PACT 技术在临床中的应用，为医学影像提供更准确、更高效的解决方案。