时间：2020-07-22
在传统的光声成像(Optoacoustic imaging, OAI)方法中，一般获得的是光能吸收密度分布图像，而其为光学吸收参数与光子密度的乘积。由于组织中光子密度沿深度方向衰减，光能吸收密度分布图像并不能直接地反映组织光学吸收参数分布图像，也即一般传统的 OAI 方法无法对生物组织的光学吸收参数图像进行定量观测。为研究OAI技术中的组织光学参数图像重演方法，需发展适用于OAI中多角度宽场光照明模式下的光子输运快速精准建模方法，在传统 OAI 技术高深空比优势的基础上实现对生物组织光学参数的定量成像。本课题组发展了基于图形处理单元(Graphics Processing Unit, GPU)加速的多角度宽场光照明模式下的组织体光子输运的蒙特卡洛建模方法，即MCOAI方法。如图1所示，该方法通过同时随机设定发射光子的初始方向与位置，并与GPU并行计算相结合，快速精准地实现了任意多角度宽场光照明模式下的光子输运建模。首先在无限细笔束光源模式下，通过与 GPU 加速的 MCX 方法进行比较，验证了MCOAI算法的正确性。继而在环形光照模式下的模拟结果中，该方法的建模时间比 MCX 方法缩短了 20 倍左右，说明了该方法在快速精准建模方面的必要性。图2所示的是以小鼠断层为成像目标体，设置了多种不同的光源照明模式，展示了MCOAI方法可以实现不同光照模式下的光子输运过程的精确建模，并且说明了MCOAI方法在定量 OAI 方法中的必要性。
图1 MCOAI方法示意图：通过为每个发射的光子随机地生成初始方向和位置来建立多角度宽场光照明模式。
图2 通过MCOAI方法对小鼠断层实现不同的光源照明仿真：(A)有限宽度片光照明模式，其中a为左侧，b为右侧，c为上侧，
d为下侧，abcd为四面；(B)环形光照明模式；(C)小鼠断层的光学吸收系数μa分布图；(D)小鼠断层的光学散射系数μs分布图；
(E)有限宽度片光照明模式与环形光照明模式下的初始声压P0图像； (F)有限宽度片光照明模式与环形光照明模式下的光通量φ
图像；(G)φ图像的光衰减轮廓图。
