Page 32 - 《应用声学》2023年第4期

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depth in the phantom can reach 6.5 mm, and axial resolution can reach 144.9 µm, and the longitudinal
resolution is 111.1 µm. In particular, compared with the conventional photoacoustic amplifiers in the control
group, the imaging SNR is 11.5 dB higher. This experiment shows that the photoacoustic transducer with
integrated amplification can effectively improve the photoacoustic imaging SNR and image quality, providing
a new method for improving the accuracy of photoacoustic endoscopy clinical diagnosis.
Keywords: Photoacoustic endoscopy imaging; Integrated amplifier; High frequency and high SNR

化图像。由于使用的是环阵探头，因此成像速度大
0 引言
幅提高，但同时整个成像导管前端直径达 95 mm，
不适用于临床使用。
光声成像作为一种新兴的成像技术，近年来得
为了解决小型化和低能量阈值下的高 SNR 的
到了快速的发展。其能够提供目标组织的结构、功
矛盾，国内外不少团队开始从光声采集探头入
能和分子成像信息 [1] 。已经证明光声成像在乳腺癌
手，将前置放大器与光声换能器结合。如 Wxygant
等在肿瘤成像、内窥成像、微血管可视化成像和关
等 [11] 和 Kothapalli 等 [12] 将 16×16 阵元电容式超
节炎诊断等方面具有广泛应用 [2−4] 。
声换能器阵列 (Capacitive micromechanical ultra-
根据应用场景和医学需求的不同，光声成像可
sonic transducer, CMUT) 与前置放大电路定制至
以分类为用于光声显微成像、光声计算断层成像和
集成电路上，并使用线靶仿体的三位合成孔径图验
光声内窥成像等不同类型 [5−6] 。与光声显微成像和
证了前置集成放大器能有效降低寄生电容，提高图
光声断层成像不同，光声内窥成像技术是一种体内
像SNR和横向分辨率。这是目前已知的首个从探头
成像技术，其特点是使用微小型成像探头深入病灶
设计的角度，提高光声信号的 SNR 的方法。本课题
内部，实现近距离光声成像，为临床提供高精准的
组提出了用集成放大芯片与锆钛酸铅换能器(PZT)
影像诊断信息。因此，深入组织内的内窥光声成像
相连的方案 [13−14] 。其利用自制的 20 MHz 换能器，
技术能近距离观测组织病变，成为光声成像研究的
成功实现大鼠耳朵的三维光声显微结构成像，光声
重要分支之一 [7] 。由于光声成像依靠超声换能器作
信号 SNR 提高了 10 dB 以上，由于该超声换能器尺
为信号接收传感器，因此，光声信号的特性保留了
寸大，无法用于内窥光声成像。
超声的大成像深度。然而在更深的成像深度下，激
基于课题组前期研究成果，本文采用集成前端
光由于漫反射和组织吸收效率特性，光声信号能量
微型放大器光声探头方案，直接放大原始光声信号，
在传播过程中有较大衰减，信噪比 (Signal-to-noise
实现信号阻抗耦合和低噪放大，经过一段同轴线缆
ratio, SNR) 快速下降。因此，结合光声内窥成像特
将信号输出到后端二级放大器中进行放大至采集
点，如何实现光声探头小型化、高 SNR 成为光声内
卡进行数据采集。基于此方案自制了光声换能器和
窥成像的核心矛盾之一。
光声内窥成像平台，并在自制仿体上进行了实验，验
早在 2007 年，Sethuraman 等 [8] 验证了使用高
证了基于集成前置放大器的高灵敏光声探头对光
频光声内窥成像导管在体外模拟获取血管内光声
声成像SNR提升的可行性。
图像的可行性，然而受限于电机步进值，一幅完整的
内窥图像只有 500 条扫描线，使得图像横向分辨率 1 原理
仅为 5.5 。2019 年，Li 等 [9] 对内窥镜成像系统进行
◦
了一些改进，得到了 50 帧/s 高速内窥图像，为了实 光声成像技术是基于光声效应的一种成像方
现这一目标，他们提出利用微型线圈旋转电机，在近 式，其成像基本原理图如图 1 所示。光声成像利用
端进行扫描。为保证信号 SNR，Li 等定制了光学旋 重复纳秒级别的超短脉冲激光，以特定重复频率激
转接头，同时，滑环、电机驱动器和电机用屏蔽箔覆 发待成像组织，生物组织吸收能量转化为内能，短时
盖，以增强电磁屏蔽，除此之外还提出了一种去除系 间的温度上升引发组织体积膨胀，然后在短脉冲激
统末端的电噪声的算法，以期改善分辨率和系统灵 光照射突然消失的瞬间，组织体积收缩，这种周期性
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敏度，系统激光器能量密度为 15 mJ/cm 。2010年， 的膨胀和收缩会向周围辐射超声波，这个过程称之
2
Yuan 等 [10] 利用阵列环形换能器，在20 mJ/cm 的 为光声效应 [15] 。通过这种机制产生的超声信号称
激光器能量密度下，成功得到人体肠道组织的差异 之为光声信号。