通过正交互相关校正光声显微镜的高速运动

PAM 和运动问题

在实践中，小动物的呼吸、心跳和其他不自主运动都会引起垂直运动，如图所示。 1A。 这种位移将改变超声换能器相对于样本的位置，从而导致血管形态和 PA 信号强度的失真。

图1

正交运动校正方法的原理。 (a)光栅扫描和信号采集的过程。 GT，燃气管。 (b)运动校正方法的总体流程图。 黑色虚线框表示正交A线互相关的计算。

PAM 中采用的扫描方法涉及快轴对应于 x 轴，慢轴对应于 y 轴。 在每个扫描点记录一维时间信号（A 线），收集聚焦探测器的探测角孔径内生成的超声信号。 换能器沿 x 轴以恒定速度稳定移动以完成 B 扫描。 每次 B 扫描后，超声换能器沿 y 轴移动一个光栅步长。 重复此过程，直到扫描整个感兴趣区域。

图 1b 显示了我们的运动校正方法的总体流程图。 对于每条输入 A 线，通过考虑相关性来计算时移，以准确量化垂直运动。 在两个垂直扫描方向上进行相关计算。 在这里，我们通过计算沿慢轴和快轴的相关性将时移分别命名为 ΔTy 和 ΔTx。 然后，我们提取垂直运动位移。 最后，我们补偿位置和幅度失真。

正交运动校正方法

假设超声换能器接收到的A线可以表示为A(xi,yj,t)，其中t是时间，xi和yj是采集网格在x和y方向上的位置。 i是相邻A线之间的方向上的坐标，j是相邻B扫描之间的方向上的坐标。

由于运动可能会改变声波从光吸收到探测器表面的飞行时间，因此校正后的 PA 信号的到达时间 Tc(xi, yj) 应表示为：

$$T_{c} (x_{i} ,y_{j} ) = T(x_{i} ,y_{j} ) + Delta T_{y} (x_{i} ,y_{j} ) + 增量 T_{x} (x_{i} ,y_{j} )$$

(1)

这里，T(xi,yj)是检测到的PA信号的到达时间。 时移 ΔTy(xi, yj) 和 ΔTx(xi, yj) 可以通过最大化接下来的相邻采集网格位置的接收信号之间的互相关来估计。

首先，计算每条 A 线沿 y 轴的相关性。 将 (xi, yj) 处的 A 线与 (xi, yj+1) 处的 A 线进行比较。 时移可以通过最大化互相关来估计，

$$Delta T_{y} (x_{i} ,y_{j} ) = mathop {arg max }limits_{Delta t} [sumlimits_{t = – infty }^{infty } {A(x_{i} ,y_{j} ,t + Delta t)A(x_{i} ,y_{j + 1} ,t)} ]$$

(2)

其次，如果 ΔTy(xi, yj) ≥ 0，我们计算检测到的运动位置沿 x 轴的相关性。 由于 x 轴的高采样速度（明显短于运动周期），沿快轴出现连续失真。 时间偏移被累积，从而实现精确的运动位移估计。

$$Delta T_{x} (x_{i} ,y_{j} ) = sumlimits_{m = 0}^{M} {mathop {arg max }limits_{Delta t} [sumlimits_{t = – infty }^{infty } {A(x_{i – m} ,y_{j} ,t + Delta T_{y} + Delta t)A(x_{{i – m – {1}}} ,y_{j} ,t + Delta T_{y} )} ]}$$

(3)

M的值可以根据动物运动的持续时间来估计。 值太大会导致校正过度，值太小则校正效果较差。 总垂直位移可通过式计算： Δz=–c(ΔTx–+–ΔTy)，其中c代表水中的声速。 因此，我们获得了高精度的位移结果，使我们能够有效地补偿运动失真。

第三，根据提取的运动位移重新调整接收信号的相位。 校正后的信号Ac(xi,yj,t)可表示为：

$${varvec{A}}_{c} (x_{i} ,y_{j} ,t) = A(x_{i} ,y_{j} ,t + (Delta T_{y} + 德尔塔 T_{x} ))$$

(4)

最后，由偏离焦点区域引起的强度失真由相邻信号校准。 将信号 Ac(xi, yj, tm) 的幅度调整为相邻信号的幅度值 (Ac(xi, yj-1, tm) –+ – Ac(xi, yj+1, tm) ))/2，其中 tm 是最大信号幅度的位置。 对于扫描平面中的每个位置，重复上述步骤以获得三维 PA 图像。 处理后的图像描述了无运动的 PA 信号。

正交运动校正方法结合了沿正交扫描方向的相关性。 处理高速运动时，运动损坏的 A 线将被同样运动损坏的 A 线包围。 在这种情况下，沿单个扫描轴计算相关性不太可能保持准确的估计。 为了克服这些问题，结合沿正交扫描方向的相关性来校正垂直运动伪影。 因此，所提出的方法确保了运动伪影的精确检测并有利于准确的运动位移估计。

实验装置

图 2 描绘了本研究中使用的 PAM 系统的示意图。 该系统采用 Nd:YAG 激光器（EXPL-532-2Y，Spectra-Physics Inc.，圣克拉拉，美国），波长为 532 nm，重复率为 10 kHz。 使用凸透镜将激光束耦合到多模光纤 (MMF)。 使用锥形透镜将输出光准直并转换为环形光束。 然后使用铝光学聚光镜将环形光束聚焦在样品上以提供暗场照明3。 自制的球形聚焦超声换能器放置在光聚光镜的中心来检测PA信号。 该换能器的中心频率为 13 MHz，在 6 dB 时相对带宽为 66.7%，直径为 8 mm，焦距约为 8 mm。 PAM 系统的横向分辨率理论上可以估计为 0.71μ/NA=164μm。 检测到的 PA 信号由数据采集卡（National Instruments，NI-5761）以 250 MHz 的采样频率进行数字化。 由运动控制器（MC600，ZI Corp.，中国北京）控制的 2D 电动平移台（KSA050-11-X，ZI Corp.，中国北京）执行 x–y 平面光栅扫描。

图2

实验设置。 PD光电二极管、BS分束器、CL凸透镜、MMF多模光纤、Con.L锥形透镜、DAQ Card数据采集卡、UT US传感器、OC光聚光镜、WT水箱。

动物准备

动物研究按照南京大学动物研究委员会批准的方案进行。 该研究是按照 ARRIVE 指南进行的。 所有方法均按照相关指南和规定进行。 选择雄性裸鼠(约6周龄，体重～20g)作为体内成像实验的动物模型。 我们最初将小鼠放入感应箱中，并使用异氟烷气体将其麻醉。 一旦麻醉生效，我们将小鼠移至动物支架上以保持其侧向固定，并在整个实验过程中使用动物麻醉机和呼吸面罩维持全身麻醉。 实验过程中麻醉剂浓度维持在3%。

道德声明

本工作中报告的实验的伦理批准由南京大学动物研究委员会提供。

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2024-02-21 06:45:18
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