[发明专利]重建2D或3D图像的PACT系统和方法

说明书

本发明公开了一种用于小动物全身成像的单脉冲全景光声计算机断层成像(SIP‑PACT)系统。另外，本发明还公开了一种双声速全局后向投影重建方法。此外，本发明公开了一种用于成像对象的乳房的PACT系统。

相关申请的交叉引用

本申请要求享有于2016年11月29日提交的美国临时申请第62/427470号的优先权，在此将该申请的全部内容并入本文。

关于联邦政府科研资助的声明

本发明是在美国政府的支持下进行的，并被美国国立卫生研究院授予批准号EBO16963。美国政府享有本发明的某些权利。

技术领域

本发明大致涉及用于以高帧率和高分辨率捕获小动物全身图像的光声断层成像系统。

背景技术

小动物，特别是啮齿类动物，是临床前研究的必要模型，它们在模拟人体生理学和发育、指导人类疾病研究以及推进对有效治疗方法的探索等方面发挥着重要作用。从全身尺度以高时空分辨率直接对这些小动物模型中的动力学进行可视化的能力从整个生物体层面对生物过程提供了深刻见解。除了高时空分辨率，理想的非侵入性小动物成像技术将会提供深穿透性和功能对比度。以前，小动物全身成像通常依赖于非光学方法，包括磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)、X射线计算机断层扫描(X-ray computedtomography,X射线CT)、正电子发射断层成像(positron emission tomography,PET)或单光子发射计算断层成像(single-photon emission computed tomography,SPECT)以及超声断层成像(ultrasound tomography,UST)。虽然这些技术提供了深穿透性，但它们也受到很大的限制。例如，采用MRI实现微观分辨率需要昂贵的高强度磁场和长的数据采集时间，范围从几秒到几分钟；这样的数据采集时间对于成像动力学来说太慢。X射线CT能够实现微观分辨率，但缺乏功能对比度。X射线CT和PET/SPECT涉及使用电离辐射，这会抑制纵向监测。UST不提供或不能提供血氧成像或血管外分子对比度成像。为了克服这些限制，需要新的成像方法。

生物组织的光学成像利用非致癌电磁波通过内源性或外源性物质提供特别的结构、功能和分子对比度。然而，传统光学成像技术在小动物全身成像中的应用受到组织的强光学散射的限制，这阻止了超出光学扩散深度极限(约1mm)的高分辨率成像。尽管现有的扩散光学成像方法(例如，荧光扩散光学断层成像)可提供厘米量级深度的穿透，但是现有的扩散光学成像方法的图像分辨率相当差(约为穿透深度的1/3)。

光声断层成像(photoacoustic tomography,PAT)是一种突破了光学扩散限制的高分辨率光学成像方式。在PAT中，入射光子的能量被待成像的组织吸收并作为超声波重新发射。随后，检测这些超声波以产生具有光学对比度的断层图像。由于超声在软组织中的微弱散射(在感兴趣的超声频率下，基于每单位路径长度的超声散射比光散射弱约三个数量级)，PAT即使在深层组织中也具有极好的分辨率，深度分辨率比(depth-to-resolutionratio)能达到约200。PAT主要以基于扫描的光声显微成像(photoacoustic microscopy,PAM)和基于重建的光声计算机断层成像(photoacoustic computed tomography,PACT)的形式实现。以前的研究已经证实，对小鼠大脑活体的高速、高分辨率的功能性PAM实现了高达数毫米的穿透。PACT已能够实现深度超10毫米的成像，但硬件和传感器设计限制使得可能需要在图像分辨率与时间分辨率/帧速率之间进行权衡。PACT系统通常利用数据采集多路复用技术来增强图像分辨率，但由于多路复用延迟而具有较差的时间分辨率，或者利用能够实现更高帧速率的超声换能器阵列，但由于局部的声学检测覆盖范围而无法清晰地分辨子器官特征。对于高性能的小动物全身成像，需要一种能够在一个系统中同时实现深穿透、高空间分辨率、高保真度、多对比度、高成像速度、甚至高检测灵敏度的成像系统。