基于LED的光声成像系统超声干扰分析与消除

《Ultrasonics》：Ultrasonic interference analysis and elimination for LED-based photoacoustic imaging systems

摘要

光声成像（PAI）通过超声探测实现光学吸收对比度的可视化，而基于发光二极管（LED）的PAI系统因其高重复频率、便携性和成本效益而备受关注。然而，这些系统通常需要高驱动电流和快速开关速度来激活LED，从而产生显著的电磁干扰（EMI）。在本研究中，我们发现这种EMI会在超声探头电路中感应出电流，驱动探头被动发射超声波，导致超声噪声。为解决这一问题，我们分析了EMI信号的幅度谱，并发现调制LED脉冲宽度会使其频谱零点发生偏移。基于超声探头带宽，我们提出了一种脉冲宽度调整算法。通过将频谱零点与探头中心频率对齐，可以最小化EMI耦合，从而降低超声噪声。此外，我们提出了一种基于光学快门的残差重构算法。由于光学快门调制光声信号的产生，而对超声噪声无影响，因此计算快门开启状态和关闭状态下重构图像之间的残差，可以消除超声噪声。在仿体和人体血管活体验证中，脉冲宽度调整将信噪比提高了3.4 dB，而残差重构则带来了13.3 dB的提升。本研究深入分析了LED基PAI系统中的噪声问题，可能有助于提高图像质量并促进低成本光声系统的开发，从而推动LED基光声成像的更广泛临床应用。

引言

光声成像（PAI）是一种新兴的无创、非电离成像方式。其基本原理依赖于光声（PA）效应：当目标被脉冲激光照射时，吸收光能，经历瞬态热弹性膨胀，并发射光声信号[1], [2]。这些信号随后被超声（US）换能器捕获以重构目标物体。近年来，PAI发展迅速，其在科学研究和临床领域的应用不断探索和扩展[3], [4]。

目前，PAI的主要光源包括Nd:YAG激光器、光学参量振荡器（OPO）、激光二极管（LD）和发光二极管（LED）[5], [6], [7]。Nd:YAG和OPO激光器能够产生高能量的短脉冲，满足高信噪比（SNR）和深穿透深度的要求。因此，目前大多数光声成像系统基于Nd:YAG和OPO激光器，已在血管成像、光声内窥、血液氧合测量和肿瘤成像等领域获得广泛的临床研究与应用[2], [3], [4]。然而，这些激光器通常体积大、价格昂贵且需要频繁维护，使其在某些临床场景中难以作为便携设备使用[6], [7]。激光二极管也因其紧凑尺寸和光纤耦合兼容性而在PAI中得到广泛应用，在通用PAI和光声内窥领域有广泛应用。然而，LDs的可用波长选择范围有限，限制了其临床应用[5], [6]。相比之下，LED的特点是体积小、可选波长范围广、便携性强。尽管LED诱导的光声信号的单次信噪比（SNR）较低，但LED的高重复频率能力允许通过信号平均来提高SNR。因此，最近的研究越来越多地关注LED基PAI的系统开发[5], [6], [7], [8], [9]和临床应用[10], [11], [12], [13], [14], [15]。该系统已成功商业化[10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17]，并应用于血管生物学、肿瘤学、皮肤病学、眼科学和骨科等多个领域[5], [10], [11], [12], [13], [14], [15]。

与通常依赖光纤传输的传统激光光源不同，LED基PAI系统通常采用直接照射方式，LED位于超声探头两侧[10], [11], [12], [16], [17]。观察到在开关阶段的快速电流瞬态会从LED电路中感应出强烈的电磁辐射。由于超声探头与LED的空间邻近性，探头容易受到电磁干扰，触发超声波的被动发射。由物体反射的超声信号随后与光声信号叠加，导致超声噪声。在重构的PA图像中发现了由此干扰引起的超声伪影，我们将其称为电磁干扰（EMI）伪影。这些伪影也在目前最广泛使用的商用LED基光声计算机断层成像（PACT）系统（AcousticX [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17]）中被检测到，表明EMI伪影在LED基PAI系统中普遍存在，这将不可避免地降低成像性能。我们之前的工作识别了EMI诱导超声噪声的现象，并试图通过驱动电路优化来降低辐射强度；然而，缺乏对底层物理机制的全面分析，抑制这些伪影的成功有限[18]。

在本研究中，我们识别了由电磁干扰诱导的EMI伪影，并分析了其潜在原因。定量分析了LED基PAI系统的系统架构对这些伪影的影响。同时，提出了EMI伪影消除策略。通过分析电磁干扰频谱和超声探头带宽的影响，降低了EMI伪影的幅度。对于呈现高幅度伪影的场景，引入了一种基于残差的伪影消除算法，以有效地从重构图像中去除EMI伪影。本工作对LED基PAI系统构建和临床实施中遇到的噪声问题进行了详细讨论，促进了低成本LED光源的采用，并推动了光声成像的理论进步和临床应用。

节选片段

电磁干扰对光声信号的影响

光声信号的强度由光强L的时间导数（dL/dt）决定。在LED基PAI系统中，dL/dt由LED驱动电流的变化率（di/dt）决定[19], [20]。由于LED的光强相对较弱，必须最大化di/dt以产生更强的光声信号，从而提高SNR并促进深层组织成像[20], [21]。然而，这些快速电流瞬态会导致

基于探头带宽的超声噪声降低

EMI伪影归因于LED电路中快速电流瞬态产生的电磁干扰。电路在开关转换（开启和关闭）期间表现出显著的电流变化，诱发强烈的电磁干扰。达到稳态后，由于电路电流变化极小，电磁干扰的强度减弱。为便于分析，LED电路的电流信号（i_LED）可以

超声伪影的验证实验

为了证明EMI伪影起源于电路产生的电磁干扰，并确认该现象在LED基光声成像系统中的普遍性，使用商用LED基光声成像系统AcousticX（Prexion，日本）进行了验证实验。AcousticX是目前使用最广泛的商用LED基光声成像系统，大部分LED基光声成像研究均使用该

讨论

在本研究中，我们调查了LED基PAI系统中通过LED的快速电流瞬态对PACT成像的影响。深组织成像仍然是LED基PAI的一个重大挑战。为实现更深的成像穿透，需要以更高电流和更快开关速度驱动LED，同时使用较低中心频率的超声探头。然而，这样的运行条件会产生更强烈的电磁干扰，从而诱发更多

结论

激发光源的高成本构成了光声成像广泛临床采用的一大障碍。通过大幅降低这一成本，LED基光声成像系统显示出显著的临床价值。在本研究中，我们发现LED基PAI系统容易受到电磁干扰，导致EMI伪影的产生。采用两种不同的LED型号，研究了驱动电流和中心频率的影响。

CRediT作者贡献声明

沈恩翔：初稿撰写，方法论，调查研究，形式分析，概念构思。王千：方法论，调查研究，数据整理。王裕鑫：验证，监督。姚震东：论文审阅与编辑，监督，资源管理，项目管理。尹潇：论文审阅与编辑，概念构思。赵康廉：论文审阅与编辑，监督，资金获取。袁杰：论文审阅与编辑，监督，资源管理，项目管理。

资助

本工作得到了国家自然科学基金（12574496）和江苏省自然科学基金（BK20231399）的资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

沈恩翔 | 王千 | 王裕鑫 | 姚震东 | 尹潇 | 赵康廉 | 袁杰

南京大学，中国，电子科学与工程学院