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加州理工学院激光声成像技术实现三维成像并减少所需传感器

2023-12-18 12:11:46 加州理工学院 阅读:
加州理工学院的改进型光声成像技术PACTER简化了操作程序,实现了三维成像,降低了操作复杂性,标志着医学成像领域的重大进步。

加州理工学院医学工程和电子工程布伦教授Lihong Wang 实验室的最新研究表示,Wang和博士后学者Yide Zhang已进一步简化和改进了一种于2020年首次公布的成像技术,该研究已在发表于《自然-生物医学工程》(Nature Biomedical Engineering)杂志上。Ltyednc

据介绍,这项技术是一种名为PATER(通过极性中继的光声地形图)的光声成像技术,是Wang研究小组的专长。Ltyednc

Ltyednc

加州理工学院最近的研究对一种名为 PATER 的光声成像技术进行了重大改进,该技术现已发展为 PACTER。新版本简化了技术,减少了对多个传感器的需求,实现了三维成像,并且无需在每次使用前进行校准。这些进步使该技术在医学成像应用中更加实用和高效。资料来源:加州理工学院Ltyednc

光声成像技术的改进

在光声成像中,激光脉冲进入组织,被组织的分子吸收,引起分子振动。每个振动的分子都是超声波的来源,可用于以类似超声波成像的方式对内部结构进行成像。Ltyednc

然而,光声成像在技术上具有挑战性,因为它能在短时间内产生所有成像信息。为了捕捉这些信息,王的光声成像技术的早期版本需要将数百个传感器(换能器)组成的阵列紧贴被成像组织的表面,这使得该技术既复杂又昂贵。Ltyednc

Wang和Zhang通过使用一种称为"麦积继电器"的装置减少了所需传感器的数量,这种装置可以减慢信息(以振动的形式)流入传感器的速度。正如之前有关 PATER 的报道所解释的那样:Ltyednc

在计算中,有两种主要的数据传输方法:串行和并行。在串行传输中,数据以单一数据流通过一个通信通道发送。在并行传输中,多个数据通过多个通信通道同时发送。Ltyednc

这两种通信方式大致类似于商店中使用收银机的方式。串行通信就像一台收银机。每个人都排在同一条队伍中,看到同一个收银员。并行通信就好比有几个收银机,每个收银机有一条线。Ltyednc

Wang 设计的拥有 512 个传感器的系统与拥有许多收银机的商店类似。所有传感器同时工作,每个传感器接收激光脉冲产生的超声波振动的部分数据。Ltyednc

由于系统发出的超声波振动是在短时间内产生的,因此如果要在这么短的时间内收集所有数据,单个传感器将不堪重负。这就是麦哲伦继电器的用武之地。Ltyednc

正如Wang所描述的那样,遍历中继器是一种可以让声音在周围回荡的腔体。当超声波振动通过遍历中继器时,它们会在时间上被拉长。回到收银机的比喻,这就好比让另一名员工协助单个收银员,告诉顾客在店里走几圈,直到收银员准备好接待他们,这样收银员就不会手忙脚乱了。Ltyednc

PACTER:下一步发展

这项技术的最新版本被称为 PACTER(Photoacoustic Computed Tomography Through an Ergodic Relay),它更进一步,允许系统使用单个传感器进行操作,通过使用软件,可以收集到与 6,400 个传感器一样多的数据。Ltyednc

兼任安德鲁和佩吉-钱格(Andrew and Peggy Cherng)医学工程领导力主席和医学工程执行官的Wang说,PACTER 在另外两个方面改进了 PATER。Ltyednc

改进之一是 PACTER 可以生成三维图像,而 PATER 只能生成二维图像。这得益于改进软件的开发。Ltyednc

"过渡到三维成像大大提高了数据要求。我们面临的挑战是如何通过单个传感器传输大量增加的数据,"Zhang说。"我们通过改变方法找到了解决方案。我们首先将一个传感器扩展为数千个虚拟传感器,而不是直接采用计算密集型方法从单传感器数据中重建三维图像。这一想法简化了三维图像重建的过程,使其与我们光声成像的传统方法更加接近"。Ltyednc

其次,与 PATER 不同,PACTER 无需在每次使用时进行校准。Ltyednc

"使用 PATER 时,我们必须在每次使用时对其进行校准,而这是不现实的。我们摆脱了这种每次使用时的一次性校准,"王说。之所以需要校准,是因为当系统向组织发射激光脉冲时,脉冲的"回波"会反弹到换能器上,使其无法感知直接的超声波信息。PACTER 通过在系统中加入延迟线来解决这个问题。延迟线迫使回波在返回换能器的途中经过更长的物理路径,这样它就能在接收到直接超声波信息后到达换能器。Ltyednc

参考链接:ScitechDaily;Demi Xia编译Ltyednc

责编:Demi
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