【概述】

某研究團隊使用前置微小信號放大器，搭建換能器顯微成像實驗平臺。

實驗名稱：半球形PVDF換能器顯微成像活體小鼠腦血管實驗

研究方向：光聲成像、超聲成像、光聲-超聲雙模態(tài)成像、透明超聲換能器、陣列超聲換能器、單陣元聲學掃描振鏡、定量光聲重建、定量聲速重建、U-Net深度學習、多模態(tài)特征融合、生物醫(yī)學成像、圖像逆問題、延遲求和波束成形、變分網(wǎng)絡、神經(jīng)輻射場、內(nèi)窺鏡光聲成像

實驗目的：單一光聲成像受組織光學散射限制穿透深度不足，傳統(tǒng)超聲成像存在散斑噪聲、缺少血氧等功能參數(shù)，二者具備結(jié)構(gòu)/功能信息互補、聲學信號同源的優(yōu)勢；本文搭建多款光聲-超聲一體化成像硬件平臺，搭建物理驅(qū)動與深度學習融合的重建算法，通過體模、活體生物、內(nèi)窺鏡多組實驗，驗證不同換能器架構(gòu)、重建算法在成像信噪比、分辨率、定量參數(shù)精度、實時性上的性能差異，解決傳統(tǒng)設備光路遮擋、多通道不一致、重建慢、定量誤差大等缺陷，為臨床便攜、腔內(nèi)、術中精準多模態(tài)診療設備提供軟硬件方案。

測試設備：

1、鈥摻雜釔鋁石榴石激光器：輸出532nm脈沖激光，作為染料激光器的泵浦光源。

2、染料激光器：產(chǎn)生578nm可調(diào)波長探測激光，用于激發(fā)生物組織光聲信號。

3、半波片：調(diào)節(jié)入射激光的偏振方向，匹配偏振分束器分光需求。

4、PBS偏振分束器：按偏振態(tài)拆分激光光束，一部分送至光電二極管做同步觸發(fā)。

5、BS分束器：再次分配光路能量，配合光學元件完成光束耦合。

6、PD光電二極管：接收采樣激光，輸出同步電信號，為采集系統(tǒng)提供時序基準。

7、CO準直透鏡：將發(fā)散激光束校準為平行光，耦合進光子晶體光纖。

8、光子晶體光纖：傳輸578nm激光，將光束輸送至成像探頭內(nèi)部。

9、梯度折射率透鏡：壓縮激光束，使激光在生物組織處匯聚形成光聲焦點。

10、超聲換能器：發(fā)射超聲脈沖并同步接收組織產(chǎn)生的光聲、超聲回波信號。

11、前置放大器與超聲脈沖發(fā)生器：產(chǎn)生激勵超聲的脈沖信號，同時放大換能器輸出的微弱聲學信號。

12、DAQ數(shù)據(jù)采集卡：同步采集光電二極管時序信號與放大后的聲學模擬信號，轉(zhuǎn)為數(shù)字信號輸出。

13、MATLAB處理終端：接收采集卡數(shù)據(jù)，完成光聲-超聲圖像重建、數(shù)據(jù)計算與結(jié)果分析。

圖1實驗系統(tǒng)示意圖

實驗過程：硬件實驗分三類：一是一維陣列手持探頭、半球顯微換能器、單陣元振鏡、透明同軸換能器、內(nèi)窺微型探頭五種硬件樣機分別搭建，以水作為聲學耦合介質(zhì)，對仿體、活體小鼠顱骨血管、離體生物組織進行掃描，同步采集純超聲、純光聲、雙模態(tài)融合信號；算法實驗先構(gòu)建蒙特卡羅生物組織仿真數(shù)據(jù)集，分別采用傳統(tǒng)迭代重建、U-Net/FCNN/變分/BentRay-NeRF等深度學習網(wǎng)絡完成光吸收系數(shù)、組織聲速重建，對比各算法信噪比、定量誤差、計算耗時；內(nèi)窺鏡實驗將微型透明換能器集成醫(yī)用導管，測試腔內(nèi)光束衰減與成像分辨率；全程由信號發(fā)生器同步時序，前置放大器放大回波，DAQ采集數(shù)據(jù)后由計算機完成圖像融合與指標統(tǒng)計。

實驗結(jié)果：硬件層面：一維陣列便攜系統(tǒng)重量僅950g，橫向分辨率200μm；半球PVDF換能器可清晰分辨小鼠顱骨微血管；單陣元振鏡方案消除多通道靈敏度不一致問題；透明壓電陶瓷透光率68%，實現(xiàn)光束超聲同側(cè)入射，內(nèi)窺探頭光束損耗僅33%；算法層面：傳統(tǒng)迭代重建精度高但耗時小時級，標準U-Net將重建縮短至分鐘級，血氧估算誤差低于3%；FCNN、變分網(wǎng)絡、BentRay-NeRF可精準重建組織聲速，強噪聲下仍穩(wěn)定；US-Unet融合超聲結(jié)構(gòu)與光聲功能特征，疾病識別準確率達94%；系統(tǒng)可同時輸出解剖結(jié)構(gòu)圖像與血氧、血紅蛋白、聲速定量參數(shù)，兼顧成像深度、分辨率與長期穩(wěn)定性。

安泰放大器在此應用中的產(chǎn)品優(yōu)勢：

1、接收超聲換能器輸出的微弱光聲、超聲回波電信號，對微弱模擬信號進行線性放大

2、同步抑制電路固有噪聲，提升信號信噪比，將幅值適配至數(shù)據(jù)采集卡輸入量程，避免小信號被噪聲淹沒，保障后續(xù)圖像重建與定量參數(shù)反演的數(shù)據(jù)精度

本文實驗素材由西安安泰電子整理發(fā)布。Aigtek已經(jīng)成為在業(yè)界擁有廣泛產(chǎn)品線，且具有相當規(guī)模的儀器設備供應商，樣機都支持免費試用。西安安泰電子是專業(yè)從事功率放大器、高壓放大器、功率信號源、前置微小信號放大器、高精度電壓源、高精度電流源等電子測試儀器研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高科技企業(yè)。