CN112272540A - 定量成像系统和其用途 - Google Patents

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Abstract

本文提供了成像系统，诸如定量断层摄影系统，和一种用于使例如受试者的乳腺的组织区域成像的激光光声超声成像系统组件(LOUISA)。一般来讲，所述系统的部件为以波长循环模式发射激光瞬时脉冲的激光器、配置成递送激光的光纤束或弧形光纤束、具有成像罐的成像模块、超宽带超声换能器的光声阵列、超声换能器的超声阵列、耦合介质，和电子器件子系统。本文还提供了一种用于利用所述定量断层摄影系统使受试者的诸如乳腺的感兴趣组织体积的定量功能参数和/或分子参数和解剖结构成像的方法。

Description

定量成像系统和其用途
相关申请的交叉引用
本国际申请根据35 U.S.C.§119(e)要求提交于2018年4月4日的美国临时申请系列No.62/652,337的优先权权益，该临时专利申请的全部内容据此以引用的方式并入。
联邦资助说明
本发明在政府支持下完成，美国国家卫生研究院授予的资助号为R01CA167446。政府具有本发明的某些权利。
技术领域
本发明涉及生物医疗成像和断层摄影系统领域，该生物医疗成像和断层摄影系统可提供关于所检查身体的感兴趣体积区域的医疗信息。更具体地，本发明提供了一种激光光声超声成像系统组件(LOUISA)，该LOUISA用于受试者的感兴趣组织区域的定量三维断层摄影以获得解剖图像以及功能和分子参数的图像。
背景技术
在无微血管的营养和氧气支持的情况下，侵略性癌症不可能发育成危及生命的疾病，如Judah Folkman所发现(1)。人体中充氧和缺氧血红蛋白的光学吸收光谱使得它们允许选择两个近红外波长；当与光声断层摄影成像一起使用时，这两个波长可建立用于产生功能成像模态的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的对比(2)。血红蛋白的两种氧合状态之间的区别实现了向肿瘤进料的动脉和从肿瘤引流的静脉的定位。利用这种能力，放射科医生预期鉴别高度可视化的恶性肿瘤生长的低氧组织，并且以较大水平的置信度(相比于当前预期，此时10个活组织检查过程中的7个至8个得出阴性结果)建议活组织检查(3)。相比于仅超声，通过提供肿瘤内和乳腺的模态组织结构内所显示的总血红蛋白[tHb]和血氧饱和度[sO2]的功能信息，这些光声图像可改善检测的灵敏性和医疗诊断的特异性(4)。
受极大医疗需求和对于改善乳腺成像系统的大市场所激发，自21世纪开始以来，已开发了基于光声断层摄影原理的许多临床原型系统(5-12)，并且均已报告在乳腺癌检测方面的充分技术能力。然而，以统计学显著的多中心研究所测试并报告临床可实施性的唯一系统为IMAGIO(Seno Medical Instruments,San Antonio,TX)(3)。这种双模态光声/超声成像系统具有方便和与基于手持式探头的设计相关联的实时视频码率能力的优点(13)。然而，具有有限视野的手持式探头提供了2D切片，该2D切片可仅由专业培训的放射科医生来解释，可降低定量图像亮度的侧向分辨率和不完整断层摄影恢复。
因此，本领域认识到对于三维全视图断层摄影系统的需求，该三维全视图断层摄影系统以定量准确和易于解释的体积图像提供了全乳腺的自动筛查。特别地，现有技术缺乏用于以癌性肿瘤的瞬时诊断的乳腺筛查的定量功能解剖成像系统。更特别地，定量成像系统的本发明设计(其中功能和分子图像显示于通过融合超声图像所可视化的解剖组织内)在癌症和血管疾病的检测方面具有许多应用。本发明满足了本领域的这种长期需求和期望。
发明内容
本发明涉及一种定量断层摄影系统。在该系统中，激光器配置成以红色至近红外光谱范围内的波长发射激光瞬时脉冲，其中激光器能够以波长循环模式来操作。光纤束配置成将激光瞬时脉冲以最大传输递送至整个感兴趣组织区域。成像模块包括成像罐、超宽带超声换能器的至少一个光声阵列和超声换能器的至少一个超声阵列，该成像罐具有对应于感兴趣组织区域的形状。超宽带超声换能器的光声阵列配置成检测由激光瞬时脉冲在感兴趣组织区域中所生成的超宽带超声频率内的超声信号。超声换能器的至少一个超声阵列配置成将超声脉冲传输至组织区域中并且检测反射自或传输通过组织区域的超声信号。成像模块还包括耦合介质，该耦合介质填充成像罐，并且激光瞬时脉冲和超声脉冲传输通过该耦合介质。多通道电子数据采集系统包括模拟前置放大器、模数转换器和数字数据存储装置，以及处理和传输板。数据采集系统由一个或多个现场可编程门阵列微处理器进行控制。计算机与多通道电子数据采集系统电子通信并且包括多核中央处理单元(CPU)和多核图形处理单元(GPU)并且有形地存储软件，该软件配置成控制所述CPU和GPU以用于系统控制、信号处理、图像重建和图像融合。高分辨率显示器电子地连接至计算机以将重建图像呈现至定量断层摄影系统的操作者。
本发明还涉及一种用于使受试者的感兴趣组织区域中的定量或功能参数成像的方法。组织区域放置于本文所描述的定量断层摄影系统的成像罐中，并且超宽带超声换能器的光声阵列和超声换能器的超声阵列定位于成像罐的内部。激光的波长在红色至近红外光谱范围内进行选择以用于作为瞬时脉冲以波长循环模式递送至组织区域，并且所选波长的循环激光瞬时脉冲递送至组织区域。在组织区域内所生成的超宽带超声频率内的每个所选波长信号以光声阵列进行检测，并且从检测信号采集每个所选波长光声图像并融合。从融合光声图像生成定量功能参数或分子参数的图像，并且显示所生成定量图像。
本发明涉及一种相关成像方法。该方法还包括将超声脉冲从超声阵列传输至组织区域，和以超声阵列检测反射自或传输通过组织区域的信号。生成基于声速在组织区域内的分布的声速图像，并且从所检测的超声信号生成超声反射或衰减的解剖图像。定量功能参数或分子参数的图像与解剖结构融合，并且该融合图像显示为定量或功能参数的图像与解剖图像或声速图像的叠层。本发明涉及另一种相关方法，该方法还包括经由声速图像而增强光声和超声反射或衰减图像。本发明涉及又一种相关方法，该方法还包括根据叠层所显示的定量功能参数或分子参数和解剖结构而诊断癌症。
本发明还涉及一种用于使受试者的乳腺成像的激光光声超声成像系统组件(LOUISA)。激光器配置成以红色至近红外光谱范围内的波长发射激光瞬时脉冲，所述激光器能够以该光谱范围内的两个或三个波长的波长循环模式来操作。弧形光纤束配置成绕着乳腺旋转以将激光瞬时脉冲递送至整个乳腺。成像罐具有对应于乳腺的球形表面形状。超宽带超声换能器的至少一个弧形光声阵列配置成检测由激光瞬时脉冲在乳腺中所生成的50kHz至6MHz的超宽带内的超声信号，并且超声换能器的至少一个弧形超声阵列配置成将超声脉冲传输至乳腺中并且检测反射自或传输通过乳腺的超声信号。光学和声学透明耦合介质填充成像罐，激光瞬时脉冲和超声脉冲传输通过该光学和声学透明耦合介质。LOUISA中的电子器件包括：多通道电子数据采集系统、计算机和高分辨率显示器，该计算机与多通道电子数据采集系统电子通信，该高分辨率显示器电子地连接至计算机。多通道电子数据采集系统包括模拟前置放大器、模数转换器和数字数据存储装置以及处理和传输板，所述数据采集系统由一个或多个现场可编程门阵列微处理器进行控制。计算机包括多核中央处理单元(CPU)和多核图形处理单元(GPU)并且有形地存储软件，该软件配置成控制所述CPU和GPU以用于系统控制、信号处理、图像重建和图像融合。所述高分辨率显示器将乳腺的重建图像呈现至LOUISA系统的操作者。
本发明的其它和另外方面、特征、益处和优点根据出于本公开的目的所给出的本发明的当前优选实施例的下述描述将为显而易见的。
附图说明
以其中本发明的上述特征、优点和目标以及将变得明显的其它事项得以实现并且可详细地理解的方式，本发明的更具体描述(上文简要地概述)可通过参考附图所示的其某些实施例来进行。这些图形成说明书的一部分。然而，应当注意，附图示出了本发明的优选实施例并且因此不应视为限制其范围。
图1A为全视图OAT 1D的基本动画示意图，并且图1B至图1E示出了乳腺扫描系统激光光声超声成像系统组件(LOUISA)。图1A示出了根据肿瘤的光学吸收而生成超声波的旋转式弧形光纤发光体，该肿瘤然后可通过独立旋转光声探头进行检测，该独立旋转光声探头提供了全面信号数据集以用于严格体积重建。图1B为具有单个弧形光纤桨状物的光纤束(参见图1C中的7)。图1C为具有两个弧形光纤桨状物的光纤束。图1D示出了用于扫描大乳腺的成像模块。成像模块具有(1)成像模块平台1，成像模块平台1位于大电机平台2上以使整个成像罐3绕着乳腺旋转。成像模块包括填充有声学耦合介质的成像罐(其中乳腺利用乳腺稳定器(参见图1E)稳定于成像模块内，该乳腺稳定器为极薄的光学和声学透明塑料杯，该塑料杯为球形表面形状)、凹面弧形超声换能器阵列4、凹面弧形光声换能器阵列5、前置放大器板6(直接地连接至光声探头，从而扩展光声换能器的带宽)、弧形光纤束(光纤桨状物)7(用以以均质光束照射乳腺，该光纤系统可具有一个(参见图1B)、两个(参见图1C)，或若干个弧形光纤桨状物以用于整个乳腺的较快照射)和小电机8(用于使弧形光纤桨状物绕着成像碗状物旋转)。图1E示出了乳腺稳定器。
图2A至图2B为示出具有一个弧形探头的球形成像罐的设计的视图，该一个弧形探头包括超宽带超声换能器的三个平坦2D阵列。一个换能器阵列用于解剖(超声)成像和分子(光声)成像的两种目的。
图3为用于圆柱形3D断层摄影系统的光声超声换能器阵列的示意图，其中具有所附接光纤发光体的半环或全环的光声换能器沿着圆柱体的z轴线平移以采集3D图像。
图4A至图4B为由PVCP制成的乳腺模型的照片，该乳腺模型具有平均乳腺的光学性质(meff～1.15/cm)(图4A)；和模型内的[sO2]的功能图像，该功能图像由所采集的两个融合光声图像进行重建，同时以757nm和797nm的两个循环波长照射该模型(图4B)。
图5A至图5B为以LOUISA的手持式探头所获得的动脉/静脉对的光声2D图像。图5A示出，静脉以757nm的照射为明亮可视的。图5B示出，动脉以1064nm的照射为明亮可视的。
图6A至图6C为最大强度投影的实例：3D光声图像的冠状面x-y投影(图6A)、矢状面x-z投影(图6B)和y-z投影(图6C)，这些投影展示了LOUISA使填充乳腺乳头的血管、微血管和小肿瘤生长可视化的能力。
图7A至图7C为从以757nm的波长所采集的3D光声图像所获得的健康志愿者乳腺的最大强度投影图像。图7A为原始未处理图像，由于穿过乳腺的光学能量的异质分布而仅示出了浅血管。图7B为通过乳腺表面上的激光能量分布的归一化(均衡)所处理的光声(OA)图像，该光声图像示出了较大成像深度。图7C为通过补偿有效光学衰减(作为深度的函数)所处理的光声图像，该光声图像示出了乳腺的全深度成像。
图8为融合式3D光声和超声图像的2D矢状面切片的实例。示出了光声图像切片，该光声图像切片具有用以仅显示最大亮度的亮度阈值，该最大亮度与超声图像的对应灰度值叠加。
具体实施方式
如本文在说明书所用，“一(a/an)”可意指一个或多个。如本文在权利要求所用，当结合词语“包括”使用时，词语“一(a/an)”可意指一个或一个以上。
如本文所用，“另一个”或“其它”可意指其相同或不同权利要求要素或部件的至少第二个或更多个。类似地，词语“或”旨在包括“和”，除非上下文另行清楚地指示。“包括(comprise)”意指“包含(include)”。
如本文所用，术语“约”是指数值，包括例如整数、分数和百分数，无论是否明确地指示。术语“约”一般是指数值范围(例如，所表述数值的+/-5％至10％)，本领域的技术人员将该数值范围视为等同于所表述值(例如，具有相同功能或结果)。在一些情况下，术语“约”可包括四舍五入成最接近有效数字的数值。
在本发明的一个实施例中，提供了一种定量断层摄影系统，该系统包括激光器、光纤束、成像模块、超宽带超声换能器的至少一个光声阵列、超声换能器的至少一个超声阵列、耦合介质、多通道电子数据采集系统、计算机和高分辨率显示器；该激光器配置成以红色至近红外光谱范围内的波长发射激光瞬时脉冲，所述激光器能够以波长循环模式操作；该光纤束配置成将激光瞬时脉冲以最大传输递送至整个感兴趣组织区域；该成像模块包括成像罐，该成像罐具有对应于感兴趣组织区域的形状；该超宽带超声换能器的至少一个光声阵列配置成检测由激光瞬时脉冲在感兴趣组织区域中所生成的超宽带超声频率内的超声信号；该超声换能器的至少一个超声阵列配置成将超声脉冲传输至组织区域中并且检测反射自或传输通过组织区域的超声信号；该耦合介质填充成像罐，并且激光瞬时脉冲和超声脉冲传输通过该耦合介质；该多通道电子数据采集系统包括模拟前置放大器、模数转换器和数字数据存储装置，以及处理和传输板，该数据采集系统由一个或多个现场可编程门阵列微处理器进行控制；该计算机与多通道电子数据采集系统电子通信并且包括多核中央处理单元(CPU)和多核图形处理单元(GPU)并且有形地存储软件，该软件配置成控制所述CPU和GPU以用于系统控制、信号处理、图像重建和图像融合；该高分辨率显示器电子地连接至计算机以将重建图像呈现至定量断层摄影系统的操作者。
在该实施例中，波长的红色和近红外光谱范围为约650nm至约1250nm。另外，波长循环模式可包括红色至近红外光谱范围内的两个或三个波长。在本实施例的一个方面，两个循环波长为757nm和850nm。在这方面，激光器可为用于定量分子成像的Nd:YAG泵浦OPO激光器。在另一个方面，三个循环波长为757nm、800nm和850nm，或757nm、800nm和1064nm。在这方面，激光器可为用于定量功能成像的Cr:LICAF激光器。此外，激光瞬时脉冲的最大传输可以热熔合输入顶端来执行，该输入顶端为束中光纤的蜂窝形状。
另外，在该实施例中，阵列中的超宽带超声换能器可检测50kHz至6MHz的超宽带内的超声信号。在一个方面，超宽超声换能器的光声阵列和超声换能器的超声阵列组合成一个阵列。
此外，成像模块中的成像罐具有球形表面形状或圆柱形状。感兴趣组织区域的实例为乳腺组织的区域。
此外，在本实施例中，软件允许处理器可执行指令用于信号处理和图像处理以产生感兴趣组织区域或解剖结构内的定量分子浓度或功能参数的图像。在其多个方面，这些指令可配置成：利用超宽带超声换能器的声电和空间脉冲响应函数的反卷积，从检测光声信号恢复由瞬时激光脉冲在组织区域中所生成的光声信号的原始轮廓；利用以全视图几何形状所采集的完整数据集，经由严格直接算法或迭代算法重建组织区域的3D光声断层摄影图像；通过均衡所有表面体素的图像亮度，使入射光学注量在组织区域的表面上的分布规一化；通过补偿有效光学衰减，使穿过整个组织区域的入射光学注量的分布规一化；在穿过组织区域的入射光学注量的归一化之后，将光学吸收系数的图像显示于在组织区域中所吸收的光学能量的光声图像上；产生以两个或三个循环激光波长所采集的融合光声图像以获得定量功能或分子图像；和采集组织区域内的声速分布的图像，该声速分布的图像用于改善所融合光声图像和超声反射和衰减图像的对比度和分辨率。
在本发明的一个相关实施例中，提供了一种用于使受试者的乳腺成像的激光光声超声成像系统组件(LOUISA)，该LOUISA包括：激光器、弧形光纤束、成像罐、超宽带超声换能器的至少一个弧形光声阵列、超声换能器的至少一个弧形超声阵列、光学和声学透明耦合介质、电子器件子系统、计算机和高分辨率显示器；该激光器配置成以红色至近红外光谱范围内的波长发射激光瞬时脉冲，所述激光器能够以该光谱范围内的两个或三个波长的波长循环模式操作；该弧形光纤束配置成绕着乳腺旋转以将激光瞬时脉冲递送至整个乳腺；该成像罐具有对应于乳腺的球形表面形状；该超宽带超声换能器的至少一个弧形光声阵列配置成检测由激光瞬时脉冲在乳腺中所生成的50kHz至6MHz的超宽带内的超声信号；该超声换能器的至少一个弧形超声阵列配置成将超声脉冲传输至乳腺中并且检测反射自或传输通过乳腺的超声信号；该光学和声学透明耦合介质填充成像罐，并且激光瞬时脉冲和超声脉冲传输通过该光学和声学透明耦合介质；该电子器件子系统包括多通道电子数据采集系统，该多通道电子数据采集系统包括模拟前置放大器、模数转换器和数字数据存储装置以及处理和传输板，所述数据采集系统由一个或多个现场可编程门阵列微处理器进行控制；该计算机与多通道电子数据采集系统电子通信并且包括多核中央处理单元(CPU)和多核图形处理单元(GPU)并且有形地存储软件，该软件配置成控制所述CPU和GPU以用于系统控制、信号处理、图像重建和图像融合；该高分辨率显示器电子地连接至计算机以将乳腺的重建图像呈现至LOUISA系统的操作者。
在该实施例中，两个循环波长可为757nm和850nm。另外，在该实施例中，三个循环波长为757nm、800nm和850nm，或757nm、800nm和1064nm。此外，超宽超声换能器的光声阵列和超声换能器的超声阵列可组合成一个阵列。此外，弧形光纤束、弧形光声阵列和弧形超声阵列配置成独立地绕着乳腺旋转以用于针对光声阵列和超声阵列的每个位置而照射整个乳腺。
在本发明的另一个实施例中，提供了一种用于使受试者的感兴趣组织区域中的定量或功能参数成像的方法，该方法包括以下步骤：将组织区域放置于如上文所描述的定量断层摄影系统的成像罐中；将超宽带超声换能器的光声阵列和超声换能器的超声阵列定位于成像罐的内部；在红色至近红外光谱范围内选择激光的波长以用于作为瞬时脉冲以波长循环模式递送至组织区域；将所选波长的循环激光瞬时脉冲递送至组织体积；以光声阵列检测在组织区域内所生成的超宽带超声频率内的每个所选波长信号；从每个所选波长的检测信号采集光声图像；融合光声图像；从所融合光声图像生成定量功能参数或分子参数的图像；和显示所生成定量图像。
就本实施例而言，该方法还包括将超声脉冲从超声阵列传输至组织区域；以超声阵列检测反射自或传输通过组织区域的信号；生成基于声速在组织区域内的分布的声速图像；从所检测超声信号生成超声反射或衰减的解剖图像；融合解剖结构内的定量功能参数或分子参数的图像；和将所融合图像显示为定量或功能参数的图像与解剖图像或声速图像的叠层。在另一个其它实施例中，该方法包括经由声速图像而增强光声图像和超声反射或衰减图像。在又一个其它实施例中，该方法根据叠层所显示的功能参数或分子参数和解剖图像而诊断癌症。癌症的实例为乳腺癌。
在所有实施例中，可同时发生以每个所选波长所生成的信号的检测。另外，在所有实施例中，定量功能参数可包括蛋白质浓度、蛋白质受体浓度，或与乳腺癌相关的分子浓度，或其组合。此外，分子参数为[tHb]或[SO2]，或其组合。
在所有实施例的一个方面，感兴趣组织区域可为球形，换能器阵列为弧形，并且换能器阵列通过计算机控制电机而绕着感兴趣区域旋转。另外，对于球形感兴趣组织区域，光纤束在旋转式换能器阵列上绕着感兴趣区域独立地旋转，使得感兴趣组织区域在扫描期间针对换能器阵列的每个位置的完全照射得以达成。
在所有实施例的另一个方面，感兴趣组织区域可为圆柱形，并且换能器阵列可为弧形或全环形且通过计算机控制电机可沿着感兴趣区域平移。另外，对于圆柱形感兴趣组织区域，光纤束连同换能器阵列一起沿着圆柱体的轴线平移。
响应于放射诊断医生对于定量断层摄影系统(QT系统)的需求，开发了一种全视图三维(3D)体积医疗成像系统，该QT系统能够提供特定解剖结构(诸如肿瘤和其环境)内的定量分子信息。此类系统的许多重要应用的一者在于癌症的检测和诊断。因此，本发明提供了一种用于乳腺癌的检测和诊断的激光光声超声成像系统组件(LOUISA)。
这种系统的技术特征有助于改善致密和异质乳腺中基于X射线的乳房摄影和断层合成模态的低检测灵敏性，和磁共振成像的低诊断特异性。我们教导了，乳腺的定量准确分子图像(示出了包括肿瘤和其周围环境的乳腺形态结构内的总血红蛋白[tHb]和血氧饱和度[SO2]的功能参数)的融合将向乳腺癌护理提供了临床可实施解决方案。LOUISA的定量分子成像通过下文所描述的光声子系统的独特硬件特征和软件方法以及算法来实现。感兴趣组织区域(ROI)(诸如肿瘤)内的特定结构的解剖成像通过下文所描述的超声子系统的硬件特征和软件方法以及算法来实现。使得这种系统不仅临床可实施而且切合实际的是新型信号采集和扫描设计，该设计允许全ROI的快速体积3D扫描，该快速体积3D扫描向系统3D能力增加了第四时间维度。最终，该系统能够进行时间分辨3D成像，而且能够进行空间分辨成像。
系统概述
QT系统具有六个主要部件，这些主要部件实现其操作和新颖特征以及能力：
1.脉冲激光器，该脉冲激光器以波长循环能力发射红色和近红外光谱范围内的光学能量的瞬时脉冲。如本文所用，“瞬时脉冲”意指，这些激光器脉冲的持续时间远远短于其对于声波以声速传播穿过光声图像上的待分辨体素所耗费的时间。例如，如果期望图像分辨率(即，体素尺寸)为0.15mm，那么视为声速为1.5mm/微秒，其对于声波传播穿过该体素所耗费的时间为0.1微秒。“远远较短”意指至少3倍较短的。因此，对于本具体实例，激光器脉冲将短于30纳秒。太短脉冲也是不可接受的，因为它们可损坏系统的光学元件，首当其冲的是光纤光递送子系统。
红色和近红外光谱范围为650nm至1250nm的波长范围。该波长范围对于光学能量至生物组织中的深度渗透为重要的，并且同时对于由用于医疗诊断和治疗的医疗重要分子(诸如血红蛋白、氧合血红蛋白、脂质、水和外源造影剂)的强光学吸收为重要的。波长循环能力意指所发射波长随着每个激光器脉冲而改变。选择用于定量分子成像的波长的最佳数量为2，该最佳数量对应于分子的两种未知浓度或两个未知功能参数。
如果感兴趣分子为血红蛋白和氧合血红蛋白，那么显示总血红蛋白[tHb]和血氧饱和度[SO2]的功能参数的图像称为功能图像。这些图像可基于以两个波长所获得的光声图像进行计算，一个波长匹配血红蛋白的光学吸收峰值(例如，757nm)，并且另一波长匹配氧合血红蛋白的光学吸收峰值(例如，850nm)。两个波长对于测量和显示内源分子或外源造影剂也为必要的。在这种情况下，一个波长在感兴趣分子的光学吸收峰值中进行选择，并且第二波长在该感兴趣分子的光学吸收峰值之外进行选择。
为增加分子或功能图像的定量信息的准确性，可使用3个循环波长。例如，800nm的第三波长可用于[tHb]和[SO2]的功能成像。该第三波长可用于功能图像的归一化，因为其对应于光学吸收频谱的等吸收点，其中血红蛋白和氧合血红蛋白的吸收系数为等同的。循环中的3个以上的波长在医疗成像中为不切合实际的，因为用以获得定量图像的总图像采集时间必须为尽可能短的。
波形循环对于光声图像的融合为至关重要的，该融合允许分子(功能)图像通过数学运算(诸如加法、减法和除法)的生成。仅融合图像可经历数学运算，否则所得图像将具有巨大水平的误差。当一个图像的每个体素处于与第二图像的体素相同的位置(坐标)时，图像融合，这仅可在其中活体组织在当采集两个图像的时间期间不移动的情况下来实现。因此，两个图像必须同时采集或相继尽快地采集以实现融合。激光器脉冲的期望重复频率为10Hz至50Hz，这允许以两个不同波长所采集的图像之间的10毫秒至20毫秒的时间延迟。然而，能够将两个图像的采集之间的时间延迟减小至最小值，该最小值等于从ROI的最远体素至检测器阵列的超声换能器的超声传播的时间(约0.15毫秒)。这种最终融合可以双激光器设计来实现，该设计允许两个循环波长发射以任何预定延迟的触发。这继而允许我们记录以两个循环波长所获得的两个顺序光声信号，因为一个信号由数据采集系统来记录，其中第一样品在每个光声信号中的位置由合成触发器来准确地限定。
2.光纤光递送(FLD)子系统。光纤束具有圆形输入端以匹配入射激光束的形状。顶端中的纤维热熔合至蜂窝形状。束中纤维的六边形形状允许使纤维之间的光损失最小化并且实现光至输出端的最大传输(至多85％)。输出端的形状根据组织ROI的形状来设定。因为人体器官的大多数ROI具有球形或圆柱形状，所以光纤输出端的最有益形状为弧形。弧形可良好地近似与以弧形图案所放置的多个平直线。多个弧形光纤束可用于增加由相同激光器脉冲同时照射的ROI的部分。例如，乳腺为用于乳腺癌的诊断成像的ROI。因为女性乳腺的自然形状为半球体，所以FLD子系统的设计为90度弧形或起源于一个中心的多个弧形，如同花的花瓣(图1A至图1C)。对于其它器官和ROI(诸如颈部、臂部、腿部、手指)，FLD输出端仍成形为弧形，并且纤维的多个弧形可成形为圆柱形表面。FLD子系统放置于计算机控制电机上，所以其可旋转或平移以照射整个ROI(图1D)。
3.具有两个探头的成像模块，由对于瞬态压力变化灵敏的超声换能器的多个阵列来表示。第一探头为光声的(OA)，由以接收模式操作的超宽带超声换能器(UBT)的弧形阵列来表示。第二探头为超声的(US)，由以传输和接收模式操作的超声换能器的弧形阵列来表示。探头的弧形形状可由沿着弧形放置的多个平直线来表示。探头的弧形形状允许具有小物理尺寸的声孔的显著增大，并且继而允许图像的高侧向分辨率。
两个探头放置于光学透明罐中，该光学透明罐继而连接至计算机控制电机(独立于用于FLD子系统的旋转或平移的电机)，该光学透明罐可绕着球形组织ROI旋转或沿着圆柱形组织ROI的对称轴线平移。探头绕着组织ROI的旋转和平移允许全视图成像的完整数据集的收集，并且继而允许定量断层摄影图像的重建。独立于FLD子系统电机，成像罐电机允许全组织ROI对于探头的每个位置的完整照射。利用较不昂贵激光器，实现了全大器官的这种完整照射，该较不昂贵激光器具有较小脉冲能量，这使QT系统更切合实际。
另选地，OA探头和US探头可组合成一个探头，该探头用于分子成像和解剖成像的两种目的，这使QT系统较不昂贵并且更紧凑。此外，当OA探头和US探头组合成一个探头时，分子(光声)图像与解剖(超声)图像的融合的目标更容易地和自然地实现。探头可为换能器的线性阵列或超声换能器的二维矩阵。超声换能器的二维矩阵对于QT系统为最有益的，因为其允许了探头指向性的灵活转向，避免对于声学透镜的需求，增加了探头灵敏性，允许了3D图像以视频码率的重建，减少了大组织ROI的总扫描时间。
用于探头的换能器的材料选自允许超宽带超声换能器的设计的那些，这对于QT系统为至关重要的。在无UBT的情况下，所检测光声信号显著地失真，这继而导致分子图像和功能图像中定量信息的远远较低准确性。用以设计和制造超宽带超声换能器的换能器材料的实例包括但不限于单晶压电复合物，诸如PZT和PMN-PT。电容式微机械超声换能器(cMUT)也为用于UBT阵列的设计的良好候选项。然而，具有可检测超声频率(在高频率范围和低频率范围两者上延伸)的最宽带的最灵敏UBT阵列由压电式微机械超声换能器(pMUT)进行设计和制造，该压电式微机械超声换能器可提供从50kHz至20MHz的所检测超声频率的最宽超宽带，并且继而可提供具有最高定量准确性、最高对比度并且同时具有最高分辨率的光声图像。瞬态超声波的光学检测器还可用作超宽带超声换能器。光学UBT的最理想设计是基于测量组织位移的法布里-珀罗标准具和测量激光束偏转角度的平衡光电二极管阵列。
4.多通道电子数据采集系统(DAS)，该多通道电子数据采集系统具有低噪音模拟前置放大器、模数转换器和数字数据存储装置、处理和传输板，该多通道电子数据采集系统由现场可编程门阵列微控制器和通过快速数据端口(诸如USB3或PCI express)至计算机的迅速数据传输进行控制。DAS的重要特征为(i)高动态范围(至少14位)，其允许强信号从组织ROI表面的检测并且同时允许弱信号从组织深度的检测，(ii)高取样速率(至少30MHz)，其允许模拟信号的准确数字化，和(iii)长可检测信号长度(至少8000个样品)，其允许作为一个信号而同时检测两个光声信号的新颖设计，从而减少了图像采集的时间并提供了完美融合的条件。
5.计算机，该计算机具有处理器、存储器和至少一个网络连接以及软件，该软件用于系统控制、数据后处理和图像重建、图像转换、图像融合和图像后处理。QT系统中的信号处理和图像处理为系统设计的至关重要新颖性，该系统设计利用了全组的光声信号，这些光声信号利用超宽带超声换能器以最小失真进行记录。下述数学处理允许准确定量断层摄影，从而满足医疗诊断(和明确地，癌症的诊断)对于测量功能参数(诸如[tHb]和[SO2]和特定蛋白质受体的浓度以及其它生理重要分子)的长期需求：
a.利用超宽带超声换能器的声电和空间脉冲响应函数的反卷积，从检测光声信号恢复由瞬时激光脉冲在组织ROI中所生成的光声信号的原始轮廓。
b.利用以全视图几何形状所采集的完整数据集，利用严格算法重建组织ROI的3D光声断层摄影图像。为进一步增加图像准确性，可利用光声断层摄影的迭代方法。
c.通过均衡所有表面体素的图像亮度，使入射光学注量在组织ROI的表面上的分布规一化。如果ROI的表面体素的光学吸收系数不相同，那么利用组织ROI稳定器执行入射光学注量归一化的该步骤。组织ROI稳定器为球形或圆柱形薄塑料杯，该塑料杯放置于组织ROI上以确保ROI具有特定和明确限定的形状和尺寸。通过避免在扫描期间的任何组织移动和提供ROI表面的精确坐标，此类稳定器(由光学声学透明塑料制成)显著地增加了融合图像重建的准确性。组织ROI稳定器的实例为图1D所示的乳腺杯，其中球形表面的参数对于每位患者进行独立地选择。
d.通过补偿有效光学衰减，使穿过组织ROI的整个体积的光学注量的分布规一化。FLD子系统设计成将光学能量沿着矢径正交地递送至组织ROI表面，该矢径连接每个表面体素与球形成像罐的焦点或圆柱形成像罐的对称轴线。因此，有效光学衰减的补偿可沿着这些矢径R来执行。生物组织中的典型有效光学衰减可通过比尔定律描述为～exp-(mueff R)，其中mueff为给定激光波长的有效光学衰减系数，并且R为沿着光传播的矢径从表面体素所测量的组织的深度。有效光学衰减的更准确函数可实验性地从步骤(b)中所重建图像上的渐减背景体素亮度进行测量。即使此类测量在本领域的现状下为不可能的，但是QT系统利用了超宽带超声换能器，该超宽带超声换能器允许光声图像上的此类低频率斜坡作为生物组织的有效光学衰减的斜坡的测量。在穿过组织ROI的体积的光学注量的归一化(均衡)之后，步骤(b)中首先重建的图像的体素亮度与光学吸收系数成比例。
e.对于选择用于成像检查的循环激光波长的每一者执行信号处理步骤(a)和图像处理步骤b、c、d。
f.利用在步骤(d)对于两个或三个循环激光波长所获得的融合光声图像来计算定量分子或功能图像。
g.利用完整组的超声信号来重建超声反射或衰减或声速的图像，并且确保其与分子(功能)图像的融合。光声图像和超声图像均需要了解组织ROI中的声速分布。因此，SoS的图像可用于增强光声图像和超声反射或衰减图像的准确性(对比度和分辨率)。
h.显示基于超声反射、衰减或声速而与融合解剖图像重叠的分子(功能)图像。这些最终叠层图像以分子浓度的色彩定量值显示，并且解剖组织结构内的功能参数通过超声图像上的灰度对比度来显示。
i.计算机还具有操作者界面以用于利用人工智能软件通过键盘或语音将命令通信至系统。
6.用于图像显示的高分辨率屏幕。显示器可为物理的(诸如LCD、LED)或全息的。显示器可具有触摸屏能力以用于将命令传输至计算机。
分子—解剖成像的双模态
当前技术对于乳腺癌护理的局限性
当前所采用的基于x射线的乳腺筛查和诊断成像模态(乳房摄影和断层合成)具有灵敏性和特异性的严重局限性，特别是对于年轻女人的致密和异质乳腺。基于暴露于电离辐射的风险和早期检测的益处之间的最佳比率，美国癌症协会建议每两年进行一次乳房摄影并且仅在50岁之后进行(14)。因此，乳腺超声用作x射线筛查模态的附属部分(15)。由于极高比率的假阳性发现，2D和3D型式的超声用作诊断成像模态。然而，甚至当乳房摄影和超声提出癌症并建议活组织检查时，阴性活组织检查过程的比率超出70％(16)。
光声(OA)功能成像
根据乳腺癌的光声成像的极早期研究，其视为肿瘤血管生成的功能成像(17)。利用OA，主要发色团为血红蛋白，所以如果肿瘤充满血液，那么脉管系统和因此肿瘤将为更可视的。单独超声也可导致假阳性诊断，该诊断可通过附属光声成像进行降级。在根据先前系统LOUISA的初始研究中，其中换能器为较大的(2cm)，其将脉管系统捆束在一起。当前系统具有较小换能器(1.1mm)以及球形物镜，如相对于先前系统中的线性物镜。以往，肿瘤能够与一些脉管系统一起为可见的；但现在，肿瘤和高度关联脉管系统现能够为可见的，从而指示开始临床试验的准备状态。
功能成像(利用以近红外光谱范围内的至少2个光学波长的组织照射而区分血红蛋白和氧合血红蛋白)首先由Chance证实。
Figure BDA0002815040940000121
Figure BDA0002815040940000122
利用适用于以光声显微镜所收集的数据的相同公式，Wang展示了活体大鼠中血氧饱和度的功能变化(19)。目前，多个研究组正在开发增加功能成像的定量准确性的方法，尤其是挑战组织深度的体积成像(20)。
通过补偿光学注量衰减的定量成像
LOUISA的旋转光纤光递送系统设计成仅在实验上可能地提供乳腺的均质整体照射。另一方面，不可能避免乳腺组织中近红外光的光学衰减，该光学衰减导致乳腺半球体中有效光学注量的球形对称梯度。值得注意的是，乳腺半球体的焦点的减小有效光学注量由换能器阵列的聚焦区域的增强分辨率来部分地补偿。微血管(其直径小于空间分辨率)的亮度将由于组织的有限光渗透而为较低的，但将由于系统的增加分辨率而为较高的。
为以无关于距所照射表面的深度的亮度重建体积图像，体素的亮度在从皮肤表面至乳腺的聚焦中心的径向方向上呈指数增加。乳腺中在755nm至800nm范围内的平均光学衰减发现为大约meff～1.15/cm。因此，函数exp(1.15R)适用于光声图像的亮度调色板，其中R为半球体半径。这种方法对于[sO2]的二元功能图像的重建为足够的，该二元功能图像示出了红色的充氧血或蓝色的缺氧血。
功能图像和解剖图像的融合
即使乳腺超声对于乳腺癌诊断具有低特异性，但是这种模态为十分灵敏的，并且提供了解剖结构的良好视图，该良好视图允许乳腺形态的全面理解。超声可基于肿瘤阴影的形状而提供一定水平的特异性，即，良性肿瘤具有圆形形状，而癌性病灶具有异质形态和通常具有枝芽的“丑陋”形状。超声中缺失的是功能/分子信息，诸如血管生成的密度和血氧饱和度，该功能/分子信息对于恶性肿瘤与良性肿块和囊肿的鉴别为特异性的(21)。即，光声图像和超声图像的融合为合情合理的，尤其是假设，一个和相同探头以及一个和相同电子器件可用于两种模态(22-23)。
在较早研究中，据展示，在光声图像中可视化的肿瘤形态将类似于B模式超声所呈现的形态(5)。下一步骤是显示肿瘤和其附近的总血红蛋白和血氧饱和度的功能参数，如灰度超声图像上所呈现。融合光声图像和超声图像的2D叠层在统计学显著的临床研究中已成功地展示，该2D叠层示出了双模态的诊断特异性相比于单独超声的2倍增加。
全视图3D光声图像和局部视图2D光声图像以近红外光谱范围内的两个快速循环激光波长来采集。乳腺的2D解剖图像由B模式超声利用弧形探头来提供以实现较宽声孔和较大侧向分辨率。乳腺解剖背景的3D图像由一系列的B模式超声切片(以绕着乳腺旋转的换能器阵列所采集)在LOUISA中来实现。这产生了使总血红蛋白和血氧饱和度在特定形态结构(诸如肿瘤血管生成微血管和肿瘤附近的较大脉管系统)内的分布可视化的可能性。
2D光声断层摄影的挑战
基于超声换能器的手持式探头的光声成像系统在生物医学成像领域中日益普及。这些系统在关于癌症和血管异常的检测的应用中以标准视频码率提供了二维图像。由于手持式探头的紧凑尺寸，这些实时成像系统可用于在活组织检查期间引导至肿瘤的最具侵略性部分中的针插入并且可用于在手术过程中映射循环和神经网络。另一方面，手持式探头具有与其小尺寸和因此超声换能器阵列的小声孔相关联的显著局限性：(i)提供不完整数据集，使得其理论上不可能利用重建断层摄影而显示真实亮度/对比度；(ii)图像平面内的不良侧向分辨率；(iii)图像平面信号的不良抑制，尤其是包含由大物体所发射的低超声频率的那些信号。以皮肤的相同侧上相同探头内的激光照射和超声检测的光声成像的反向模式带来了有关散射激光的低回音探头外壳、抑制滤光器的挑战性设计要求，该散射激光照射声学透镜并漫过超声换能器。这产生了人为信号和非零信号斜坡，从而使得其非常难以从背景辨别相关信号。手持式探头的设计解决了反向模式成像的难题(8)。由于先进探头设计和超宽带超声换能器，光声系统可实现乳腺肿瘤的较高体积对比度和较大成像深度，这继而允许该系统的临床可实施性(3)。然而，由于极长检查时间和操作者依赖性，基于手持式探头的2D系统不可用于乳腺筛查。因此，3D自动全视图系统应结合2D系统用于筛查，该2D系统用于使淋巴结成像，该淋巴结围绕乳腺并且潜在地从主要乳腺肿瘤接收癌细胞的引流。
LOUISA的改善
所有的上述局限性已在三维全视图断层摄影系统LOUISA中得以缓解或补偿。激光照射在LOUISA中与换能器阵列分离，并且光声探头与超声探头分离。
定量断层摄影系统
全视图3D光声系统
有限视图二维光声成像系统的许多局限性可在全视图三维系统中得以避免。先前，全视图3D光声断层摄影的优点通过开发激光光声成像系统LOIS-3D(其设计用于小鼠的临床前研究)而展示。LOIS-3D利用了96个超宽带超声换能器的弧形阵列，并且受试者旋转360度，从而以96x360＝34560个虚拟检测器产生了球体(24)。LOIS-3D的设计以大量的先进设计特征进行扩展和增强，这得到了LOUISA的当前设计。这些优点包括新型半球状成像模块(绕着乳腺旋转)、放大超宽带超声换能器的阵列(对于约50kHz至约6MHz的频率范围灵敏)、弧形光纤照射桨状物(绕着乳腺独立地旋转)，和新型双波长脉冲Alexandrite激光器(具有约757±2nm和约797±2nm的两个循环波长)。全视图光声断层摄影子系统、成像模块设计和系统照片的基本原理示意图示于图1A至图1D中。
乳腺扫描系统LOUISA的成像模块(类似于临床前研究系统LOIS-3D)包含96个超宽带(50kHz至6MHz)超声换能器的90度弧形阵列。这些换能器的噪音等效压力NEP～1.5Pa允许以高灵敏性的深度组织成像。该系统的增加空间分辨率～0.3mm是由于三个因素，即，(i)6MHz的高截止频率，(ii)乳腺形状以光学透明声学薄的塑料杯稳定器至半球体的3D理想化，和(iii)全乳腺的照射以及集成对于探头的320个旋转位置的每一者的光声信号。由于该系统中的Alexandrite LASER(Light Age,Somerset,NJ)以两个循环波长(757nm和797nm)(通过50ms或100ms时间延迟分离)发射50ns脉冲，这允许两个光声图像的准确融合以及[tHb]和[SO2]的功能图像的计算。可得自该激光器的激光脉冲能量为至多800mJ，这允许实现乳腺照射(40cm2的总束面积)的F～20mJ/cm2的最佳(安全)光学注量。因此，其采取至多10个步骤来照射约400cm2的表面积的整个大乳腺(对应于8cm半径的半球体)。考虑到两个波长和10个照射步骤每波长的设定值(对于完全照射乳腺每换能器步骤)，双波长10Hz交替扫描的理论最少时间为：320x10x2x0.1s＝640s，约10.6分钟每乳腺。通过将脉冲重复频率增加至20Hz，将光纤桨状物的数量增加至2和因此将照射步骤的数量减少至5，当前正测试的改善实现了较快临床扫描，这将扫描时间减少至约2.5分钟。
旋转扫描与平移扫描
全视图断层摄影系统可设计成执行旋转扫描并且设计成在球形坐标(图1A至图1D)中重建图像，或另选地，其可设计成执行平移扫描并且设计成在圆柱形坐标(图2A至图2B)中重建图像。旋转扫描系统的优点在于，其可以在所有3个笛卡尔方向上(x,y,z)相等的空间3D分辨率采集真实三维体积图像。
平移扫描系统的优点在于，其利用全环的换能器并且可以视频码率(10Hz至40Hz)(即，与生理事件实时)采集并重建圆形切片的2D图像。平移系统在圆形2D(x-y)切片内具有优异分辨率，然而，在竖直(z轴线)方向上的分辨率(通过将2D切片堆叠至圆柱形体积中可获得)相比于2D圆形切片内的分辨率差约2倍至5倍。
超宽带超声换能器
标准医疗超声换能器可仅在较窄频带内进行检测，并且可响应于由生物组织(以短激光脉冲照射)所发射的脉冲而生成电气混响。这意味着，所检测光声信号可通过商购超声检测器而显著地失真，这继而限制了光声图像的对比度和分辨率。更显著地，通过短激光脉冲在组织中所生成的固有压力剖面可通过标准换能器而极大地失真，这破坏了光声成像系统产生图像体素的真实亮度的能力并且因此禁止了功能成像能力。对于光声断层摄影系统的超宽带超声换能器(UBT)的开发做出了特别努力。
所吸收光学能量的分布用于基于组织光学性质的变化而定量地可视化并表征各种组织结构和其生理功能。为使组织结构相关于光声图像，声学检测器必须能够不仅分辨与组织中的尖锐边缘和边界相关联的光声信号的快速变化，而且复制与一种类型组织内的光学性质的平稳变化相关联的缓慢变化。即，声学检测器必须能够检测声学压力信号的高和低超声频率两者。这些类型的声学检测器可称为超宽带声学换能器(UBT)。最佳UBT对于20kHz至20MHz的整个超声范围具有相对平等的检测灵敏性，然而用于深度组织成像的实际和临床可实施UBT具有约50kHz至约10MHz的带宽。声学换能器的超声检测带宽限定了轴向分辨率的限值。另一方面，OAT的侧向分辨率由以下项来限定：每个声学换能器的尺寸、阵列中两个相邻换能器之间的节距(或扫描模式中两个测量点之间的距离)、换能器阵列的总孔和几何形状(测量表面)。为采集准确断层摄影图像，感兴趣物体应由换能器环绕(图3)，使得所有检测器位置形成了闭合表面。否则，重建将利用不完整组的数据测量值来进行，这些数据测量值为非定量准确的。完整组的临时分辨光声数据可利用换能器的二维阵列，或通过换能器的线性阵列的一维扫描或通过单个换能器的二维扫描进行采集。
先前，超宽带超声换能器基于聚偏二氟乙烯(PVDF)共聚物而开发，并且这些换能器的阵列用于乳腺癌的诊断成像(5)。然而，由于PVDF换能器的低电容，它们不可制成足够小，这限制了第一原型的乳腺成像系统的空间分辨率。近年来，压电材料(诸如由嵌入聚合物基体中的单晶PMN-PT或单晶PZT压电陶瓷制成的复合材料，或压电微机械超声换能器)的进步使得有可能以高电容(～100pF)和小尺寸(～1mm2)制造UBT的线性和二维阵列。这些压电复合物换能器在用以允许高分辨率成像的高超声频率范围内和在用以允许大物体(诸如大血管和肿瘤)的高对比度光声成像的低超声频率范围内均为灵敏的。然而标准商购换能器可仅使乳腺的较大物体的边界可视化，但是UBT可使较大物体(具有其亮度的定量准确表示)的体积亮度可视化，从而允许准确功能图像的采集。
成像的灵敏性和深度
用于LOUISA中的超声换能器的声电和空间脉冲响应利用先前所开发的激光超声的德尔塔源进行测量(26)。另外，从良好表征的模型(具有带有已知光学吸收系数的球形内含物)所检测的光声信号的测量值得出约1.3Pa的噪音等效压力(NEP)和向NEP赋予16μV/Pa的电压上升的换能器灵敏性。利用70dB的模拟信号放大，噪音幅值变为47mV，如通过模数转换器(ADC)所记录，该噪音幅值由于将30720个换能器的信号添加至每个图像体素而极大地平均。利用此类灵敏性，LOUISA可检测含有物体(诸如肿瘤)的较大(约1cm)血液，其中以0.01mJ/cm2的有效光学注量所照射的典型光学吸收系数为1/cm。此类有效光学注量可以20mJ/cm2的安全入射激光注量(27)和约exp(-1.15Z)的乳腺有效光学衰减(28)在Z(约50mm)的深度来实现。
超声子系统的实例
超声B模式扫描用于可视化和探知形态组织结构。
旋转扫描系统
用于旋转扫描的超声子系统基于半径为80mm的超声换能器(最佳用于B模式乳腺超声)的90度弧形阵列。192个换能器的阵列具有7MHz的中心频率以及±3.5MHz的宽带宽。超声子系统提供了乳腺解剖结构的2D切片，这可容易地与选自3D功能图像的匹配光声切片重叠。
平移扫描系统
用于平移扫描的超声子系统基于半径为80mm的超声换能器(最佳用于B模式乳腺超声)的180度弧形或360度全环形阵列。256个(半环)或512个(全环)超声换能器的阵列具有5MHz至10MHz的中心频率以及±3.5MHz的带宽。超声子系统提供了乳腺解剖结构的2D切片，这可容易地与匹配光声切片重叠。换能器的环平移以获得包括3D超声断层摄影图像的2D图像的叠堆。
实例1
模型的功能成像验证
相比于先前所报告的系统，这种最新系统设计的最重要进步是对于光声换能器的每个旋转步骤利用光纤发光体(独立于检测器探头的旋转，绕着乳腺旋转)所实现的全乳腺照射。本文报告了对于一个健康志愿者和乳腺具有疑似小病灶的患者的试点案例研究。LOUISA使健康志愿者的缺氧静脉和充氧动脉可视化，从而指示器使癌性肿瘤的低氧微血管可视化的能力。在患者的光声图像上所检测的小病灶在超声上为不可视的，从而潜在地指示光声子系统对于小但侵略性生长的癌性病灶(具有高密度血管生成微血管)的高系统灵敏性。利用安全水平的NIR光学注量，主要乳腺脉管(0.5mm至1mm)可以至多50mm的深度以及0.3mm的分辨率为可视的。LOUISA试点临床验证的结果展示了对于统计显著临床可行性研究的系统准备状态。
每增量旋转的激光器照射的两个波长循环，能够物理融合以这些波长所采集的图像，其中精确度优于1体素(0.2mm)。光声图像上的动脉和静脉之间的区别以及低氧恶性病灶和通常充氧良性肿块之间的区别对于放射科医生表示除了通常可得到的乳腺形态之外的有价值功能信息。LOUISA使动脉和静脉、癌性和良性肿瘤可视化的能力利用现实乳腺组织模型进行实验测试，该乳腺组织模型由聚氯乙烯塑料、TiO2粉末(用于光学散射)和塑料着色燃料(用于光学吸收)制成(29)。
图4A至图4B示出了乳腺模型的照片和血氧饱和度的功能图像，其中红色设定为[sO2]>80％并且蓝色设定为[sO2]<75％。75％和80％之间的范围为零(黑色)亮度。6个嵌入物体的光学性质选择成表示现实脉管和肿瘤：(1)动脉(红色)的[sO2]为100％，(2)静脉(蓝色)的[sO2]为约70％，良性肿瘤(红色)的[sO2]为约95％和[sO2]为约85％，侵略性恶性肿瘤的[sO2]为约65％，并且混合非侵略性肿瘤的[sO2]为约80％。
图4B的图像确认了LOUISA3D在功能成像中的充分准确性，给定本模型中物体的所选光学性质。动脉和静脉为良好可视的，并适当地着色。两个良性肿瘤为可视的，并适当地着色。一个深度恶性低氧肿瘤为良好可视的，并适当地着色。具有分界线水平的血氧饱和度的第二“混合”肿瘤为部分不可视的，并以红色部分地着色。
实例2
LOUISA的临床验证
LOUISA系统包括3D成像模块和2D成像手持式探头。尽管LOIS-3D(LOUISA的前身)在球形坐标中采用半时重建算法(30)，但是必须对于3D图像重建的半球状几何形状采用全时重建以保持乳腺成像的全视图严格重建解决方案(31)。该患者的图像以757nm的单个波长来获得，因此血管和肿瘤的血氧饱和度为不可能的。在3个投影中的2个投影(图6A至图6B，而非图6C)可视的较小(3.5mm)肿瘤的性质未总结性地探知。图6A至图6C为LOUISA灵敏性而非肿瘤差异的特异性的展示。
成像模块设计的多种改善和信号处理和图像重建算法的增强得到乳腺的高对比度和高分辨率图像，这些图像示出了乳腺脉管的细节。图7A以757nm的波长示出了正常乳腺的体积光声图像的矢状面投影。静脉在该图像中为可能主导血管。图7B至图7C示出了血氧饱和度的3D功能图像的冠状面投影，该冠状面投影允许具有减小氧饱和度的静脉(蓝色)与具有完全充氧的动脉(红色)的分离。该功能图像通过将公式1和2应用于以757nm和797nam所采集的两个融合光声图像进行重建。二元蓝色/红色调色板的阈值以[sO2]＝80％的水平进行选择。图7A至图7C所呈现图像上的血管和微血管细节的量示出了LOUISA对于乳腺癌的筛查和诊断成像的可行性临床试验的潜在准备状态。
图8示出了从健康志愿者所采集的沿着乳腺半球状体积的中心轴线所截取的OA和US图像切片的融合的实例。这种类型的图像(提供了有关脉管分布的信息)在存在肿瘤的情况下对于放射科医生将最具价值，因为肿瘤附近的脉管和微血管和其几何形状的密度表示诊断信息。类似地，当参考融合超声图像的肿瘤和邻近组织的形态时，[sO2]和[tHb]的功能图像可以极高特异性提供良性和恶性肿瘤的差异。
实例3
作为QT系统实例的用于乳腺癌护理的LOUISA3D
与超声断层摄影融合的全视图光声断层摄影(基于三维激光光声超声成像系统组件)开发用于乳腺癌的筛查和诊断成像的应用。该系统对患有疑似癌症的乳腺肿瘤的一个患者和作为参考或健康对准的一个正常志愿者进行测试。LOUISA在验证期间的性能为明显的，大量的技术进步使得这种组合式功能和解剖成像系统为用于乳腺癌护理的未满足需求的潜在可实施解决方案。
LOUISA的下述特征对于临床性能为重要的：(i)对于50kHz至6MHz的频率范围灵敏的超宽带超声换能器；(ii)超低噪音换能器和电子器件，其中噪音等效压力NEP～1.3Pa和灵敏性S～0.012mV/Pa；(iii)允许球形坐标中的严格重建的全乳腺照射/全视图数据采集；(iv)用以允许独立深度图像亮度的有效光学衰减的反函数的应用。LOUISA表示在所有3个维度上(取决于乳腺尺寸)具有充分肿瘤和血管对比度以及0.3mm至0.5mm的适当分辨率的混合式成像模态。使以757nm和850nm的NIR照射快速循环允许脉管的功能成像，但是850nm波长以1064nm的替代对于正常充氧和低氧组织的临床鉴别可为需要的。对于每个波长20个步骤，96个换能器80°弧形阵列的320度视图的“单次脉冲”照射，扫描持续时间为约10分钟。对于30720个虚拟换能器的每一者的100百万个体素和1536个数据样品，图像重建的时间为约4分钟。
具有空间融合的功能和解剖信息的组合式3D光声和超声成像系统展示了定量信息的临床充分准确性。LOUISA实现了无关于操作者经验的整个乳腺的自动检查和筛查的可能性。乳腺癌的筛查和诊断鉴别的临床应用预期具有取代昂贵、灵敏但不具特异性的MRI的价值，尤其是对于年轻女人的致密和异质乳腺。
本文引用了下述参考文献。
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Claims (23)

1.一种定量断层摄影系统，所述系统包括：
激光器，所述激光器配置成以红色至近红外光谱范围内的波长发射激光瞬时脉冲，所述激光器能够以波长循环模式操作；
光纤束，所述光纤束配置成将所述激光瞬时脉冲以最大传输递送至整个感兴趣组织区域；
成像模块，所述成像模块包括：
成像罐，所述成像罐具有对应于所述感兴趣组织区域的形状；
超宽带超声换能器的至少一个光声阵列，所述超宽带超声换能器的至少一个光声阵列配置成检测由所述激光瞬时脉冲在所述感兴趣组织区域中所生成的超宽带超声频率内的超声信号；
超声换能器的至少一个超声阵列，所述超声换能器的至少一个超声阵列配置成将超声脉冲传输至所述组织区域中并且检测反射自或传输通过所述组织区域的超声信号；和
耦合介质，所述耦合介质填充所述成像罐，并且所述激光瞬时脉冲和所述超声脉冲传输通过所述耦合介质；
多通道电子数据采集系统，所述多通道电子数据采集系统包括模拟前置放大器、模数转换器和数字数据存储装置以及处理和传输板，所述数据采集系统由一个或多个现场可编程门阵列微处理器进行控制；
计算机，所述计算机与所述多通道电子数据采集系统电子通信并且包括多核中央处理单元(CPU)和多核图形处理单元(GPU)并且有形地存储软件，所述软件配置成控制所述CPU和所述GPU以用于系统控制、信号处理、图像重建和图像融合；和
高分辨率显示器，所述高分辨率显示器电子地连接至所述计算机以将所述重建图像呈现至所述定量断层摄影系统的操作者。
2.根据权利要求1所述的系统，其中波长的所述红色和近红外光谱范围为约650nm至约1250nm。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述波长循环模式为所述红色至近红外光谱范围内的两个或三个波长。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述两个循环波长为757nm和850nm。
5.根据权利要求3所述的系统，其中所述三个循环波长为757nm、800nm和850nm，或757nm、800nm和1064nm。
6.根据权利要求1所述的系统，其中阵列中的所述超宽带超声换能器检测50kHz至6MHz的超宽带内的超声信号。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述超宽超声换能器的光声阵列和所述超声换能器的超声阵列组合成一个阵列。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述成像模块中的所述成像罐具有球形表面形状或圆柱形状。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述感兴趣组织区域为乳腺组织的区域。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述软件使得处理器可执行指令能够用于信号处理和图像处理以产生所述感兴趣组织体积或解剖结构内的定量分子浓度或功能参数的图像，所述指令配置成：
a.利用所述超宽带超声换能器的声电和空间脉冲响应函数的反卷积，从所述检测光声信号恢复由所述瞬时激光脉冲在所述组织区域中所生成的光声信号的原始轮廓；
b.利用以全视图几何形状所采集的完整数据集，经由严格直接算法或迭代算法重建所述组织区域的3D光声断层摄影图像；
c.通过均衡所有表面体素的图像亮度，使入射光学注量在所述组织区域的表面上的分布规一化；
d.通过补偿有效光学衰减，使穿过所述整个组织区域的所述入射光学注量的分布规一化；
e.在穿过所述组织区域的所述入射光学注量的归一化之后，将光学吸收系数的图像显示于在所述组织区域中所吸收的光学能量的光声图像上；
f.产生以两个或三个循环激光波长所采集的融合光声图像以获得定量功能或分子图像；和
g.采集所述组织区域内的声速分布的图像，所述声速分布的图像用于改善融合光声图像或超声反射和衰减图像的对比度和分辨率。
11.一种用于使受试者的感兴趣组织区域中的定量或功能参数成像的方法，所述方法包括以下步骤：
将所述组织区域放置于根据权利要求1所述的定量断层摄影系统的成像罐中；
将所述超宽带超声换能器的光声阵列和所述超声换能器的超声阵列定位于所述成像罐的内部；
在红色至近红外光谱范围内选择激光的波长以用于作为瞬时脉冲以波长循环模式递送至所述组织区域；
将所选波长的循环激光瞬时脉冲递送至所述组织体积；
以所述光声阵列检测在所述组织区域内所生成的超宽带超声频率内的每个所选波长信号；
从每个所选波长的所述检测信号采集光声图像；
融合所述光声图像；
从所述融合光声图像生成定量功能参数或分子参数的图像；和
显示所述生成定量图像。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
将超声脉冲从所述超声阵列传输至所述组织区域；
以所述超声阵列检测反射自或传输通过所述组织区域的信号；
生成基于声速在所述组织区域内的分布的声速图像；
从所检测的超声信号生成超声反射或衰减的解剖图像；
融合所述解剖结构内的定量功能参数或分子参数的图像；和
将所述融合图像显示为所述定量功能参数的图像与所述解剖图像或声速图像的叠层。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：
经由所述声速图像而增强所述光声图像和所述超声反射或衰减图像。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括：
根据所述叠层所显示的所述定量功能参数或分子参数和所述解剖结构而诊断癌症。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述癌症为乳腺癌。
16.根据权利要求11所述的方法，其中同时发生以每个所选波长所生成的所述信号的检测。
17.根据权利要求11所述的方法，其中所述定量功能参数包括蛋白质浓度、蛋白质受体浓度，或与乳腺癌相关的分子浓度，或其组合。
18.根据权利要求11所述的方法，其中所述分子参数为[tHb]或[SO2]，或其组合。
19.一种用于使受试者的乳腺成像的激光光声超声成像系统组件(LOUISA)，所述LOUISA包括：
激光器，所述激光器配置成以红色至近红外光谱范围内的波长发射激光瞬时脉冲，所述激光器能够以所述光谱范围内的两个或三个波长的波长循环模式操作；
弧形光纤束，所述弧形光纤束配置成绕着所述乳腺旋转以将所述激光瞬时脉冲递送至整个乳腺；
成像罐，所述成像罐具有对应于所述乳腺的球形表面形状；
超宽带超声换能器的至少一个弧形光声阵列，所述超宽带超声换能器的至少一个弧形光声阵列配置成检测由所述激光瞬时脉冲在所述乳腺中所生成的50kHz至6MHz的超宽带内的超声信号；
超声换能器的至少一个弧形超声阵列，所述超声换能器的至少一个弧形超声阵列配置成将超声脉冲传输至所述乳腺中并且检测反射自或传输通过所述乳腺的超声信号；
光学和声学透明耦合介质，所述光学和声学透明耦合介质填充所述成像罐，并且所述激光瞬时脉冲和所述超声脉冲传输通过所述光学和声学透明耦合介质；
电子器件子系统，所述电子器件子系统包括：
多通道电子数据采集系统，所述多通道电子数据采集系统包括模拟前置放大器、模数转换器和数字数据存储装置以及处理和传输板，所述数据采集系统由一个或多个现场可编程门阵列微处理器进行控制；
计算机，所述计算机与所述多通道电子数据采集系统电子通信并且包括多核中央处理单元(CPU)和多核图形处理单元(GPU)并且有形地存储软件，所述软件配置成控制所述CPU和所述GPU以用于系统控制、信号处理、图像重建和图像融合；和
高分辨率显示器，所述高分辨率显示器电子地连接至所述计算机以将所述乳腺的所述重建图像呈现至所述LOUISA系统的操作者。
20.根据权利要求19所述的LOUISA系统，其中所述两个循环波长为757nm和850nm。
21.根据权利要求19所述的LOUISA系统，其中所述三个循环波长为757nm、800nm和850nm，或757nm、800nm和1064nm。
22.根据权利要求19所述的LOUISA系统，其中所述超宽超声换能器的光声阵列和所述超声换能器的超声阵列组合成一个阵列。
23.根据权利要求19所述的LOUISA系统，其中所述弧形光纤束、所述弧形光声阵列和所述弧形超声阵列配置成独立地绕着所述乳腺旋转以用于针对所述光声阵列和所述超声阵列的每个位置而照射所述整个乳腺。
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