基于微型光纤光声成像头与镜像合成孔径的“免对焦”光声显微内窥镜

Photoacoustic imaging is a fast-developed novel biomedical imaging modality. In photoacoustic imaging, photoacoustic endoscopy has become hot research topics in the past few years. Many potential applications such as gastrointestinal tract imaging and intravascular imaging, and so on, have been demonstrated. In acoustic-resolution photoacoustic microscopy, resolutions are typically provided by focused piezoelectric transducers; however, there is a tradeoff between resolution and depth of focus (DOF). High resolution imaging is of important clinical diagnostic values, yet small DOF results in very limited observation region. It is also unrealistic to adjust the focus of an endoscopic probe to obtain large DOF in clinical uses. This proposal aims to study “focusing-free” photoacoustic endomicroscopy, making breakthroughs by the following two techniques. (1) A miniature photoacoustic imaging probe based on a fiber-tip Fabry-Perot optical ultrasound detector: the fiber-tip Fabry-Perot ultrasound detector has advantages such as small size, broad bandwidth, and wide ultrasound receiving angle, which are helpful to reconstruct high-resolution images. (2) Mirrored synthetic aperture: by rotating an acoustic mirror, we can equivalently form a circular synthetic aperture that is larger than the size of the endoscopic probe. Together with circular synthetic aperture focusing technique and deconvolution algorithm, high resolution and large DOF can be obtained simultaneously, thus realizing “focusing-free” photoacoustic endomicroscopy. This project will make contributions to applied basic research of photoacoustic endoscopy.

光声成像是迅速发展的新型生物医学成像方法，其中的光声内窥成像近几年来日益成为研究热点。目前已展示许多潜在应用，例如胃肠道成像和血管内成像等。在声分辨率式光声内窥成像中，分辨率一般由聚焦压电探头提供，但分辨率和景深是取舍关系；高分辨率具有重要临床诊断价值，但小景深使得观测区域相当受限，而透过操作内窥镜的“对焦”来获得大景深在临床使用上是相当不现实的。本课题拟研究“免对焦”光声显微内窥镜，将从以下两点技术来取得突破。（1）基于光纤法布里-珀罗光学超声探测器的微型光声成像头：光纤法布里-珀罗超声探测器具有小尺寸、大带宽、宽超声接收角等优点，有助于重建高分辨率图像。（2）镜像合成孔径：借由旋转声反射镜，等效地合成了大于内窥镜尺寸的圆形合成孔径；再透过圆形合成孔径聚焦技术与反褶积算法，来同时获得高分辨率与大景深，进而实现“免对焦”光声显微内窥镜。本项目将对光声内窥成像的应用基础研究作出贡献。

(1)项目的背景：光声成像是一种新兴的医学成像模式，在生物医学领域有巨大的应用潜力。光声内窥是将光声成像以内窥镜的方式来实现，可用于医学内窥镜应用。然而，当前的光声内窥镜仍有许多不足，导致应用上遇到困难。本项目聚焦于光声内窥镜的分辨率与焦深问题，开发出高性能的光声内窥镜。.(2)主要研究内容和重要结果：主要聚焦于微型光声成像头和光声内窥镜的应用基础研究。包括以下工作：(a)我们发展双梯度折射率透镜的微型光声成像头，达到较高的分辨率，同时保有较长的工作距离，该设计将来可应用于光声内窥镜，实现侧向环形扫描。(b)同时发展可发出高强度聚焦超声的微型探头，高聚焦超声具有高频响应、小尺寸、以及强声压的特性，将来有望整合于光声内窥镜中实现诊疗一体化。(c)此外，我们还发展集成光分辨率-声分辨率的微型光声显微成像头，可实现跨尺度的光声成像。(d)基于传像光纤束，我们开发了前视的光声内窥镜，并达到了较高的分辨率与较长的工作距离。(e)光声内窥中的引导在诊疗应用中是很重要的，我们开发了白光引导的光声内窥镜，并展示了很好的成像效果。(f)近年来，我们开始发展非接触光声显微成像，由于不需要超声耦合剂，使得成像变得更为便利。我们发展了微型化的非接触光声显微成像头，并展示其成像性能。(g)最近，我们业发展了光声-荧光双模态内窥镜，并展示该内窥镜在大鼠直肠成像的应用。.(3)科学意义：我们致力于开发光声内窥镜，从多个方面提升其在医学内窥镜应用的可行性与价值，包括成像分辨率、非接触、多模态等。该应用基础研究一定程度上促进了光声内窥镜的技术发展，使得更多的临床应用探索成为可能，具有较好的意义与价值。