最近的进展简化和增强了基于激光的三维技术不敢公布的秘密是什么？

有时，科学进步是以发现全新事物的形式出现的。其他时候，进步归结为做得更好、更快或更容易。

加州理工学院医学工程和电气工程教授、Bren Wang教授Lihong Wang实验室的新研究是后者。在发布在《自然生物医学工程》杂志上的一篇论文中，Wang和博士后学者Yide Zhang展示了他们如何简化和改进他们在2020年首次宣布的成像技术。

该技术是一种称为PATER的光声成像技术，是Wang团队的专长。

在光声成像中，激光被脉冲进入组织，在那里被组织的分子吸收，使它们振动。每个振动分子都作为超声波的来源，可用于以类似于超声成像的方式对内部结构进行成像。

然而，光声成像在技术上具有挑战性，因为它可以在短时间内产生所有成像信息。为了捕获这些信息，Wang的光声成像技术的早期版本需要将数百个传感器的阵列压在被成像组织的表面上，这使得该技术变得复杂且昂贵。

Wang和Zhang通过使用一种称为遍历继电器的设备减少了所需的换能器数量，该继电器减慢了信息流入换能器的速度。正如之前关于PATER的故事中所解释的：

在计算中，传输数据的方式主要有两种：串行和并行。在串行传输中，数据通过一个通信通道以单个流的形式发送。在并行传输中，使用多个通信通道同时发送多条数据。这两种类型的通信大致类似于收银机在商店中的使用方式。串行通信就像拥有一台收银机。每个人都在同一条队伍中，看到同一个收银员。并行通信就像有多个寄存器，每个寄存器都有一条线路。王先生设计的系统有512个传感器，类似于拥有许多收银机的商店。所有传感器同时工作，每个传感器都接收有关激光脉冲产生的超声波振动的部分数据。由于来自系统的超声波振动是一次短暂的爆发，因此如果使用单个传感器在这么短的时间内收集所有数据，它将不堪重负。这就是遍历中继的用武之地。正如Wang所描述的那样，遍历中继是一种声音可以回响的房间。当超声波振动通过遍历继电器时，它们会及时伸展。回到收银机的比喻，这就像让另一名员工协助单个收银员，告诉顾客在商店里走几圈，直到收银员准备好看到他们，这样收银员就不会不知所措。

该技术的最新版本称为PACTER，甚至更进一步，允许系统使用单个换能器进行操作，通过使用软件，可以收集多达6400个换能器的数据。

Wang说，PACTER在另外两个方面改进了PATER，他也是Andrew and Peggy Cherng医学工程领导主席和医学工程执行官。

一个改进是 PACTER 可以创建三维图像，而 PATER 只能生成 2D 图像。这是通过开发改进的软件来实现的。

“过渡到 3D 成像大大提高了数据需求。挑战在于通过单个传感器汇集大量增加的数据，“Zhang说。“我们的解决方案是通过改变我们的方法而产生的。我们首先将一个换能器扩展为数千个虚拟换能器，而不是从单个换能器数据中重建 3D 图像的直接和计算密集型方法。这个想法简化了3D图像重建的过程，使其与光声成像中的传统方法更加紧密地结合在一起。

其次，与PATER不同，PATTER不需要每次使用时都进行校准。

“使用 PATER，我们每次都必须校准它才能使用它，这是不切实际的。我们摆脱了这种每次使用一次性校准的做法，“Wang 说。

之所以需要校准，是因为当系统将激光脉冲发射到组织中时，该脉冲的“回波”会反弹回换能器，从而阻止其感应直接的超声信息。

Wang说，PACTER通过在系统中添加一种称为延迟线的东西来解决这个问题。延迟块迫使回波在返回换能器的途中走更长的物理路径，以便在接收到直接超声信息后到达。

“尽管我总是说这是可能的，但我知道这将是具有挑战性的，”王说。

这篇论文“Ultrafast longitudinal imaging of haemodynamics via single-shot volumetric photoacoustic tomography with a single-element detector”发布在11月30日的《自然生物医学工程》杂志上。合著者是彭胡，前医学工程研究生;李磊，前医学工程博士后;曹锐，医学工程博士后;Anjul Khadria，前医学工程博士后;康斯坦丁·马斯洛夫，加州理工学院前科学家;桐昕，医学工程研究生;以及南加州大学的曾玉顺、江乐明和周启发。