临床多光谱光声成像中的低频检测

《Photoacoustics》：Low Frequency Detection in Clinical Multispectral Optoacoustic Tomography

光声成像（OptA）设备通常采用高中心频率（如3.4MHz）的超声换能器（UT），导致低频（<1MHz）响应难以准确测量。本研究通过替代源测量技术，使用两个低频发射UT（300kHz和500kHz），首次测定了临床手持式OptA设备（MSOT Acuity Echo?）的最低可检测频率为75kHz，并发现其信号噪声比（SNR）在此频率下仍高于3dB，表明可成像亚兆赫兹信号。进一步通过数值 phantom 模拟发现，若低频响应校准不准确，会导致图像重建中出现虚假的“层状”伪影，影响大组织结构的分辨率。研究强调需精确校准设备低频响应以避免此类伪影。

　　在光声成像（Optoacoustic Imaging）领域，探测器的频率响应特性是关键因素。由于光声信号具有宽频带的特性，其中心频率与吸收体的尺寸密切相关。特别地，研究低频响应（通常低于1 MHz）对于成像较大器官和组织结构至关重要。然而，目前的先进表征方法在测量这些低频响应时存在局限性，导致对光声图像中所包含的大结构的理解不完整。为此，我们开发了一种实验装置，以识别光声探测器的最低可测频率，并通过实验观察到一个常见的光声探测器（中心频率为3.4 MHz，3 dB带宽为72%）可以检测到低至75 kHz的信号。这表明，当前的表征方法未能可靠地测量这些低频响应，从而限制了对光声图像中大结构的完整理解。

光声成像技术利用瞬时光脉冲激发组织中的超声波，基于热弹性膨胀原理，使光能转化为声能。手持式光声成像设备，如多光谱光声断层扫描（MSOT Acuity Echo?）和光声超声（Imagio?），已被广泛用于人体研究。这些设备通常采用纳秒级的光脉冲进行照明，其产生的超声波由中心频率在兆赫兹（MHz）范围内的换能器（UT）捕获。由于光脉冲被视作狄拉克脉冲（Dirac delta），所生成的超声波频率内容广泛，取决于组织吸收体的大小分布。一般来说，低频信号主要由大结构产生，而高频信号则由小结构生成。基于反投影的图像重建方法倾向于捕捉高频信号，因此主要重建的是组织中的微血管结构，即小尺寸的光吸收结构。然而，大结构的完整可视化受到限制，只可能在图像中显示其边界，即对大结构进行高通滤波后的图像。

尽管如此，低频信号的检测和处理对图像质量具有重要意义，因为它可以提供更完整的被成像物体的表示，包括对较大器官和界面的成像。此外，由于高频信号在超声波传播过程中衰减更快，因此光声信号的频率内容也与可成像的深度相关。这意味着，低频信号可以提供更深层次的组织信息。

在本研究中，我们发现现有的UT表征方法（如使用激光照射的微球体）在测量低于1 MHz的频率响应时存在不足，因为微球体产生的光声信号幅度较低，且可能受到电子噪声的干扰。因此，我们采用了一种新的方法，即使用带宽覆盖25 kHz至1 MHz的参考Tx-UT进行替代源测量。我们通过实验测量了临床手持式光声系统所记录的信号，并确定了在不同频率下获得的信号与噪声的比值（SNR）。为了提供参考，我们还比较了所提出方法所测得的SNR与现有微球体表征方法的结果。我们进一步使用一个三层组织模拟几何结构（即虚拟组织模型）进行重建，以研究低频信号对图像的影响。该模拟结构包括不同的层，用于再现光声信号的特性。通过使用过估计和低估低频内容的电脉冲响应，我们生成了参考图像，以显示与低频内容相关的伪影。我们讨论了这些发现，并探讨了低频对光声图像质量的影响，这些信息将有助于操作者更准确地评估光声图像的完整性。

在本研究中，我们设计了一种实验装置，用于测量低频信号的SNR。该装置包括一个参考Tx-UT和一个光声成像系统，二者在水浴中相对放置。Tx-UT通过射频（RF）波形发生器驱动，使用单频正弦信号。通过这种方式，我们能够获得光声信号的完整频谱，并评估其在不同频率下的SNR。我们使用了两个不同的Tx-UT，分别具有300 kHz和500 kHz的中心频率，以覆盖低频范围。我们发现，在25 kHz至1 MHz的频率范围内，信号的SNR随着频率的增加而提高，这表明光声系统在这些频率下具有足够的检测能力。在25 kHz和50 kHz时，信号与噪声的比值较低，而在75 kHz以上，信号的SNR显著提高，能够可靠地区分信号与噪声。这表明，该系统可以检测到低至75 kHz的信号，其平均SNR超过3 dB，意味着信号能量是噪声的两倍。

我们还通过模拟不同频率响应的图像重建，展示了低频伪影的出现。我们使用了一个虚拟的乳腺组织模型，通过不同的频率响应进行重建，并评估了图像质量。结果显示，使用低估低频响应的重建方法会导致图像中出现短而高对比度的层，而使用高估低频响应的重建方法则会人工延长这些层，从而影响图像的准确性。此外，我们通过计算结构相似性指数（SSIM）和均方误差（MSE）来定量评估这些伪影的影响。结果表明，低估低频响应的重建方法与真实图像的相似度最低，而高估低频响应的重建方法则与真实图像的相似度也较低，这可能对临床判断产生误导。

我们还发现，当前的频率响应表征方法（如使用激光照射的微球体）无法可靠地测量低于1 MHz的信号。这是因为微球体在低频下的信号幅度较低，且可能受到电子噪声的干扰。相比之下，我们使用的参考Tx-UT在低频下提供了更高的信号质量，使得频率响应的测量更加准确。此外，我们还发现，测量中出现的信号与噪声的比值在低频下较低，这可能与设备中内置的高通滤波器有关。这种滤波器可能限制了低于25 kHz的信号检测能力，从而导致频率响应的不准确表征。

本研究的意义在于，它首次测量了临床光声成像设备的最低可测频率，并为图像重建中的频率响应表征提供了新的方法。这不仅有助于更准确地设置图像重建中的带通滤波器截止频率，还能提高图像的保真度。此外，我们还发现，由于低频信号的检测能力有限，图像重建过程中可能会出现伪影，这些伪影可能被误认为真实的组织对比度，从而影响临床判断。因此，为了减少这些伪影的影响，未来的研究需要改进低频信号的表征方法，例如使用精确的高通滤波器或进行更准确的参考Tx-UT校准。

我们的研究结果表明，通过使用参考Tx-UT进行替代源测量，可以更可靠地测量光声系统在低频范围内的性能。这不仅有助于更准确地设置带通滤波器的截止频率，还能提高图像的保真度。此外，我们的研究还强调了低频信号在光声成像中的重要性，特别是对于大结构的可视化和成像深度的扩展。未来的研究可以进一步优化参考Tx-UT的设计，以覆盖更宽的频率范围，并提高信号质量。同时，还需要对设备的材料特性和表面反射进行更精确的建模，以减少低频信号的误差。

本研究的成果对于临床应用具有重要意义。光声成像设备已经广泛应用于人体研究，包括乳腺癌和周围神经病变等疾病的检测和监测。通过准确测量低频信号的特性，可以更好地理解设备的性能，并优化图像重建算法，以提高图像的保真度和可靠性。此外，我们的研究还揭示了低频伪影的形成机制，这对于未来改进图像重建方法和减少误判具有指导意义。

综上所述，本研究为光声成像技术的频率响应表征提供了新的方法，并揭示了低频信号在图像重建中的关键作用。通过这些研究，我们不仅能够更准确地设置带通滤波器的截止频率，还能提高图像的保真度和可靠性。这些发现对于优化光声成像设备的性能和提高临床应用的准确性具有重要意义。