[發明專利]基于單粒子多邊定位追蹤的超分辨功能性光聲成像方法

有效

• 申請號: 202010522659.9
• 申請日: 2020-06-10
• 公開（公告）號: CN113777045B
• 公開（公告）日: 2022-10-18
• 發明（設計）人: 董必勤;盧飛雨
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17;G01N21/64;G01N29/06
• 代理公司: 上海德昭知識產權代理有限公司 31204
• 代理人: 盧泓宇

本發明提供一種基于單粒子多邊定位追蹤的超分辨功能性光聲成像方法，包括如下步驟：探測器位置校準，采用三邊定位方法對探測器的位置進行校準；光聲源定位，利用探測器采集粒子的光聲信號并擬合獲得粒子與探測器之間的間距以及超越聲衍射極限的距離分辨率；粒子多邊定位，采用至少三個探測器獲得粒子與探測器之間的間距，利用聲源定位算法對粒子進行多邊定位獲得該粒子的三維空間位置；多粒子迭代定位計算，采用迭代算法對多個粒子進行定位計算獲得各個粒子的三維空間位置；形成超分辨功能性光聲圖像，在時間序列上對至少一個粒子進行定位獲得對應的三維空間位置，并根據該三維空間位置以及各個粒子的位置隨時間的變化生成超分辨功能性光聲圖像。

技術領域

本發明屬于超分辨光聲成像領域，具體涉及一種基于單粒子多邊定位追蹤的超分辨功能性光聲成像方法。

背景技術

光聲斷層成像(PAT)是一種基于光聲效應的新型無創混合成像技術，能夠在深層生物組織中實現高光學對比度、高分辨率的功能性成像，PAT的過程包括了光學激發和超聲探測，融合了光學成像中高選擇特性和超聲成像中高穿透深度的優點。其原理是通過組織內的光吸收體吸收短脈沖激光能量，利用瞬態熱彈性膨脹產生超聲波發射，然后由換能器陣列在組織表面接收超聲波，并依據探測到的超聲波信號重建組織內光吸收體的空間分布。

雖然PAT在成像深度上具有明顯的優勢，但其空間分辨率遠低于其它光學成像技術。PAT的分辨率表達式可以寫作R_C＝0.88c/Δf，其中c為聲速，△f為超聲換能器的帶寬(近似與超聲換能器的中心頻率成正比)。因此，從根本上說，PAT的分辨率不僅受聲學衍射的限制，也受組織中光聲信號的波長和超聲探測器的帶寬的限制(當采用5MHz帶寬時，分辨率一般在300μm左右)。

現有技術中，理論上局域粒子定位超分辨光聲成像的分辨率沒有上限，但在使用中卻依賴于光聲圖像重建的精準度。為了獲得高質量的PAT圖像，局域粒子定位超分辨光聲成像需要采用數量很多的超聲換能器陣列(例如：256個換能器)從多個角度同時收集信號，因此對設備的要求極高且價格昂貴。圖像重建需要使用復雜的逆算法進行精確的PAT圖像重構，然后采用運算量巨大的局域定位算法定位單個液滴或粒子，因此難以實現實時、動態、高速、大范圍超分辨光聲成像。

發明內容

為解決上述問題，提供一種基于單粒子多邊定位追蹤的超分辨功能性光聲成像方法，回避了光聲圖像重建中復雜的逆算法和對信號強度的要求，本發明采用了如下技術方案：

本發明提供了一種基于單粒子多邊定位追蹤的超分辨功能性光聲成像方法，其特征在于，包括如下步驟：探測器位置校準，采用三邊定位方法對探測器的位置進行校準；光聲源定位，利用探測器采集粒子的光聲信號并擬合獲得粒子與探測器之間的間距以及超越聲衍射極限的距離分辨率；粒子多邊定位，采用至少三個探測器獲得粒子與探測器之間的間距，利用聲源定位算法對粒子進行多邊定位獲得該粒子的三維空間位置；多粒子迭代定位計算，采用迭代算法對多個粒子進行定位計算獲得各個粒子的三維空間位置；形成超分辨功能性光聲圖像，在時間序列上對至少一個粒子進行定位獲得對應的三維空間位置，并根據該三維空間位置以及各個粒子的位置隨時間的變化生成超分辨功能性光聲圖像。

本發明提供的基于單粒子多邊定位追蹤的超分辨功能性光聲成像方法，還可以具有這樣的特征，探測器位置校準的具體過程如下：利用在二維平面上已知位置的光吸收粒子對探測器的位置進行校準，步驟T1，通過調節聚焦透鏡控制照明區域的直徑和位置，激發玻片表面的單個光吸收粒子；步驟T2，利用熒光顯微鏡記錄光吸收粒子的位置；步驟T3，激發并記錄光吸收粒子分別到三個超聲探測器的光聲信號；步驟T4，通過控制二維線性平移臺移動光吸收粒子到新的位置或偏移激發光束激發玻片表面處于不同位置的光吸收粒子；步驟T5，重復步驟T2～T4直至獲得至少3組光聲信號，步驟T6，根據步驟T5獲得的多組光聲信號，代入三邊定位算法反向推算得到探測器在三維空間的位置。

本發明提供的基于單粒子多邊定位追蹤的超分辨功能性光聲成像方法，還可以具有這樣的特征，其中，光吸收粒子可以為金納米顆粒、炭黑顆粒或含色素顆粒。