利用聲學結構光照明技術來實現超高解析度的超聲成像

2021-01-13 科學網

論文題目： Acoustical structured illumination for super-resolution ultrasound imaging

作者：Tali Ilovitsh et al.

發表日期：2018/1/22

數字識別碼：10.1038/s42003-017-0003-5

摘要：Structured illumination microscopy is an optical method to increase the spatial resolution of wide-field fluorescence imaging beyond the diffraction limit by applying a spatially structured illumination light. Here, we extend this concept to facilitate super-resolution ultrasound imaging by manipulating the transmitted sound field to encode the high spatial frequencies into the observed image through aliasing. Post processing is applied to precisely shift the spectral components to their proper positions in k-space and effectively double the spatial resolution of the reconstructed image compared to one-way focusing. The method has broad application, including the detection of small lesions for early cancer diagnosis, improving the detection of the borders of organs and tumors, and enhancing visualization of vascular features. The method can be implemented with conventional ultrasound systems, without the need for additional components. The resulting image enhancement is demonstrated with both test objects and ex vivo rat metacarpals and phalanges.

本周《通訊-生物學》發表的一項研究Acoustical structured illumination for super-resolution ultrasound imaging 用結構光照明顯微法的原理來加強超聲成像技術，從而提高醫學影像檢查的精度與準確性。

醫學影像檢查是診斷病症的一個重要的工具。 在眾多的現有的影像檢查手段裡，超聲波的使用最為廣泛，因為它的安全係數高，性價比高，且入侵性低。但是超聲波測試的效果經常不夠理想，因為它的解析度不夠高，對比不夠強烈，且信號強度與噪音強度的比率不夠高。

加州大學戴維斯分校的Katherine W. Ferrar和同事採用和延伸了結構光照明顯微法 （Structured illumination microscopy-SIM）的光學原理來增強超聲波圖的解析度。在本世紀初被開發，在過去十多年間得到迅速發展的SIM 採用的光學和計算技術的組合方法，通過在樣本或圖像上疊加明確定義的圖案來修飾照明光，用計算技術除去結構光照明對圖像的影響，從而改善圖像的質量，使一些在常規照明方式下無法分辨的高解析度信息變得可見。結構光照明顯微方法使得寬場螢光成像技術突破了傳統透鏡的解析度限制，已經成為細胞生物學裡對微觀物體進行觀察的關鍵技術。

在本文中，Ferrar和同事將這個概念加以應用和擴展，通過操縱傳輸的聲場和將高空間頻率的編碼混疊到圖像中促進超聲成像的解析度。在後處理過程中，作者將光譜分量精準地移動到它們在k-空間上正確的位置，使重建圖像的空間解析度達到單向聚焦的兩倍。Ferrar的團隊已經通過對大鼠，和大鼠的掌骨和指骨的測試證明了這種方法是能夠增強圖像的分辨度的。

SIM和超聲波的聯手在病症診斷上會有廣泛的應用，包括檢測早期癌症的小病灶，在割除腫瘤的手術中改善對器官和腫瘤邊界的檢測以保證腫瘤的完全的切除，以及通過觀察腫瘤的血管特徵來研究其新陳代謝。這個方法應用方便，不需要額外的部件，可以直接附加在傳統的超聲系統上，不但不會影響超聲波的高安全係數和低入侵性，而且會增加性價比和應用效果。

原文連結：https://www.nature.com/articles/s42003-017-0003-5（來源：科學網）

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