76、光声和热声断层成像：图像形成原理

光声和热声断层成像：图像形成原理

1. 引言

光声断层成像（PAT），也被称为热声或光声断层成像，是一种快速发展的成像技术，在生物医学成像领域具有巨大潜力。它是一种混合技术，利用热声效应产生信号，旨在结合组织的高电磁对比度和超声方法的高空间分辨率。因此，PAT既可以被视为一种超声介导的电磁成像模式，也可以被看作是一种利用电磁增强图像对比度的超声成像模式。

自20世纪90年代以来，生物组织光声成像的基础研究众多，PAT的发展也十分迅速。当短电磁脉冲（如微波或激光）照射生物组织时，热声效应会导致声信号的发射，这些信号可以通过宽带超声换能器在物体外部测量。PAT的目标是根据测量的声信号生成组织电磁吸收特性的空间变化图像。由于组织的光学吸收特性与其分子组成高度相关，PAT图像可以揭示组织的病理状况，有助于进行广泛的诊断任务。此外，结合靶向探针或光学造影剂，PAT有潜力实现高分辨率的深部结构分子成像，这是纯光学方法难以做到的。

从物理角度看，PAT中的图像重建问题可以被解释为一个逆源问题。目前已经为三维PAT开发了多种解析图像重建算法，但这些算法通常需要在完全包围物体或延伸到无穷远的测量孔径上获得完整的光声波场信息。在许多实际应用中，获取这样的测量数据是不可行的。因此，基于迭代或优化的重建算法正在积极开发中，这些算法可以从不完整的测量数据中准确重建图像，并且能够准确建模数据中的物理非理想因素，如声学不均匀性、衰减或成像系统的响应。

2. 成像物理和对比度机制

在PAT中，激光或微波源用于照射物体，热声效应会产生压力波场 $p(r, t)$，其中 $r \in \mathbb{R}^3$ 是空间坐标，$t$ 是时间坐标。这个压力波场可以通过位于测量