基于PVDF材料的阵列光声层析成像系统的搭建及应用

摘要

多种影像技术的应用大大提高了临床检查和疾病诊断的成功率，然而低时间分辨率限制了影像学技术的应用领域，提高时间分辨率一直是各种生物医学影像技术要攻克的难题。 近年来，结合纯光学成像丰富的对比度和纯超声成像高分辨率的光声成像迅速发展，为多种疾病的基础和临床研究贡献了一定力量。其中，阵列光声层析成像技术的出现提高了影像技术对病灶探测的时间分辨率。广泛用于声学探测的高分子压电材料聚偏二氟乙烯（PVDF）由于柔韧性好、探测频谱宽等特点，被大量应用到阵列光声成像的系统中。为了得到一种成像质量好、成像速度快的光声层析成像系统，本文采用了 PVDF 材料作为制作超声换能器的材料，设计出了一种阵列光声层析成像系统。 采用尺寸为30mm×2.8mm、线聚焦半径为82mm的PVDF材料制作单振元的超声换能器，将60个上述尺寸的单振元超声换能器组装为一个环形扫描的阵列信号采集端口。之后完成整个硬件平台包括动物固定端口、放大、采集部分的设计与搭建；用Labview软件编写对电机、采集卡、多路复用器控制的集成化的软件控制平台；用Matlab软件编写图像重建及功能性参数提取分析算法；最后做一系列的仿体、动物、人手指的实验，测试并应用系统。 对阵列光声层析成像系统的测试结果表明，超声换能器中心频率在6.3MHz左右，平均带宽为95%，整个系统的横向和轴向分辨率分别为110μm、800μm，系统的有效成像区域直径大于50mm。应用系统分别做了自发性脑出血小鼠的出血监测实验和人手指关节多波长成像实验，成功对脑出血小鼠出血区域进行了监测，获得小鼠脑不同深度出血情况，为研究自发性脑出血提供了一种新型影像学方法；对人手指关节多波长成像的实验中，成功获取了关节血管血氧饱和度这一功能性参数，做出关节的血氧饱和度分布图，血氧饱和度的获取，表明阵列光声层析成像系统在早期临床关节炎诊断方面有着巨大的潜力。此阵列光声层析成像系统的研发进一步揭示了光声成像在临床应用中的潜能与优势，为各种适用于光声成像监测的疾病研究提供了一个新的方向。

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