[发明专利]基于单粒子多边定位追踪的超分辨功能性光声成像方法

说明书

本发明提供一种基于单粒子多边定位追踪的超分辨功能性光声成像方法，包括如下步骤：探测器位置校准，采用三边定位方法对探测器的位置进行校准；光声源定位，利用探测器采集粒子的光声信号并拟合获得粒子与探测器之间的间距以及超越声衍射极限的距离分辨率；粒子多边定位，采用至少三个探测器获得粒子与探测器之间的间距，利用声源定位算法对粒子进行多边定位获得该粒子的三维空间位置；多粒子迭代定位计算，采用迭代算法对多个粒子进行定位计算获得各个粒子的三维空间位置；形成超分辨功能性光声图像，在时间序列上对至少一个粒子进行定位获得对应的三维空间位置，并根据该三维空间位置以及各个粒子的位置随时间的变化生成超分辨功能性光声图像。

技术领域

本发明属于超分辨光声成像领域，具体涉及一种基于单粒子多边定位追踪的超分辨功能性光声成像方法。

背景技术

光声断层成像(PAT)是一种基于光声效应的新型无创混合成像技术，能够在深层生物组织中实现高光学对比度、高分辨率的功能性成像，PAT的过程包括了光学激发和超声探测，融合了光学成像中高选择特性和超声成像中高穿透深度的优点。其原理是通过组织内的光吸收体吸收短脉冲激光能量，利用瞬态热弹性膨胀产生超声波发射，然后由换能器阵列在组织表面接收超声波，并依据探测到的超声波信号重建组织内光吸收体的空间分布。

虽然PAT在成像深度上具有明显的优势，但其空间分辨率远低于其它光学成像技术。PAT的分辨率表达式可以写作R_C＝0.88c/Δf，其中c为声速，△f为超声换能器的带宽(近似与超声换能器的中心频率成正比)。因此，从根本上说，PAT的分辨率不仅受声学衍射的限制，也受组织中光声信号的波长和超声探测器的带宽的限制(当采用5MHz带宽时，分辨率一般在300μm左右)。

现有技术中，理论上局域粒子定位超分辨光声成像的分辨率没有上限，但在使用中却依赖于光声图像重建的精准度。为了获得高质量的PAT图像，局域粒子定位超分辨光声成像需要采用数量很多的超声换能器阵列(例如：256个换能器)从多个角度同时收集信号，因此对设备的要求极高且价格昂贵。图像重建需要使用复杂的逆算法进行精确的PAT图像重构，然后采用运算量巨大的局域定位算法定位单个液滴或粒子，因此难以实现实时、动态、高速、大范围超分辨光声成像。

发明内容

为解决上述问题，提供一种基于单粒子多边定位追踪的超分辨功能性光声成像方法，回避了光声图像重建中复杂的逆算法和对信号强度的要求，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供了一种基于单粒子多边定位追踪的超分辨功能性光声成像方法，其特征在于，包括如下步骤：探测器位置校准，采用三边定位方法对探测器的位置进行校准；光声源定位，利用探测器采集粒子的光声信号并拟合获得粒子与探测器之间的间距以及超越声衍射极限的距离分辨率；粒子多边定位，采用至少三个探测器获得粒子与探测器之间的间距，利用声源定位算法对粒子进行多边定位获得该粒子的三维空间位置；多粒子迭代定位计算，采用迭代算法对多个粒子进行定位计算获得各个粒子的三维空间位置；形成超分辨功能性光声图像，在时间序列上对至少一个粒子进行定位获得对应的三维空间位置，并根据该三维空间位置以及各个粒子的位置随时间的变化生成超分辨功能性光声图像。

本发明提供的基于单粒子多边定位追踪的超分辨功能性光声成像方法，还可以具有这样的特征，探测器位置校准的具体过程如下：利用在二维平面上已知位置的光吸收粒子对探测器的位置进行校准，步骤T1，通过调节聚焦透镜控制照明区域的直径和位置，激发玻片表面的单个光吸收粒子；步骤T2，利用荧光显微镜记录光吸收粒子的位置；步骤T3，激发并记录光吸收粒子分别到三个超声探测器的光声信号；步骤T4，通过控制二维线性平移台移动光吸收粒子到新的位置或偏移激发光束激发玻片表面处于不同位置的光吸收粒子；步骤T5，重复步骤T2～T4直至获得至少3组光声信号，步骤T6，根据步骤T5获得的多组光声信号，代入三边定位算法反向推算得到探测器在三维空间的位置。

本发明提供的基于单粒子多边定位追踪的超分辨功能性光声成像方法，还可以具有这样的特征，其中，光吸收粒子可以为金纳米颗粒、炭黑颗粒或含色素颗粒。