[论文解读] Technical Considerations when using Verasonics Research Ultrasound Platform for Developing a Photoacoustic Imaging System

Karl Kratkiewicz, Rayyan Manwar+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2020

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging参考文献 90被引用 5

一句话总结

本文为使用 Verasonics Vantage 128 研究型超声平台开发光声成像（PAI）系统的综合技术指南，聚焦于线性阵列PAI以实现临床可转化性。文中详细阐述了信号序列设计、硬件集成、信号放大及数据处理协议，为研究人员提供了一套分步实施框架，并指出了系统局限性与实际考量。

ABSTRACT

Photoacoustic imaging (PAI) is an emerging functional and molecular imaging technology that has attracted much attention in the past decade. Recently, many researchers have used the Vantage Verasonics research system for simultaneous ultrasound (US) and photoacoustic (PA) imaging. This was the motivation to write on the details of US/PA imaging system implementation and characterization using Verasonics platform. We describe the subtle details of US/PA imaging system setup, study the performance parameters of the system, and explain sequencing of the US/PA signal generation and signal amplification as well as the details required for efficient use of the hardware of the system and data processing protocols. We focused on linear-array based PAI due to its popularity and simple setup, as well as its high potential for clinical translatability. We have shown the sequencing of the US/PA signal generation, signal amplification, and related data processing protocols. A step-by-step guideline to develop and characterize PAI system using Vantage 128 has been presented. Some of the limitations of the vantage system are also listed. Photoacoustic imaging is a complement to the already established US imaging technique and may significantly increase its scope of application in diagnostic imaging and therapeutic monitoring. Combining with commercial medical US systems, the development of PAI can be accelerated by taking advantage of US image reconstruction and processing. With the information we presented in the body of this review and the four appendices, we described most of the experimental considerations one should know when working with the Vantage system for PAI tests.

研究动机与目标

• 为应对使用 Verasonics Vantage 超声平台标准化、实用化实现光声成像（PAI）的日益增长需求。
• 通过详细说明软硬件配置，解决将PAI与现有超声系统集成的挑战。
• 为在 Vantage 128 平台上搭建、校准和表征基于线性阵列的PAI系统，提供系统化、分步实施的协议。
• 识别并记录Vantage系统在用于PAI时的固有局限性，以支持实验设计的科学决策。
• 通过利用商业系统中已有的超声图像重建与处理流程，加速PAI系统开发。

提出的方法

• 以 Vantage 128 研究型超声平台为核心硬件平台，实现超声与光声信号的同步采集。
• 设计并实现了激光激发（光声）与超声发射/接收周期的同步信号生成序列。
• 针对组织吸收产生的低幅值、高带宽声波，优化了光声信号的放大链路。
• 开发了从原始基带信号（RF data）中提取并重建光声图像的数据处理协议，与标准超声重建算法实现集成。
• 通过信噪比（SNR）测量、时间同步检查及空间分辨率评估，开展系统表征。
• 在附录中提供了硬件搭建示意图、软件配置脚本及校准程序，以确保可重复性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效配置 Verasonics Vantage 128 平台，以实现超声与光声成像的同步采集？
• RQ2 在混合超声/光声系统中，实现激光激发与超声信号采集同步的关键技术考量是什么？
• RQ3 为保持低幅值光声信号的完整性，需要采用何种信号放大与调理策略？
• RQ4 如何将现有的超声图像重建与处理流程适配用于光声图像生成？
• RQ5 在PAI应用中，Vantage系统的固有软硬件局限性有哪些？

主要发现

• 在正确配置自定义信号序列的前提下，Vantage 128 平台能够实现可靠且同步的超声与光声信号采集。
• 适当的信号放大与阻抗匹配对于保持光声信号保真度至关重要，尤其在处理微弱、高频声波时。
• 系统表征结果表明，信噪比（SNR）与时间抖动显著影响图像质量，其中时间同步是关键影响因素。
• 将标准超声重建算法与光声数据结合，可实现快速图像生成，显著加速系统开发进程。
• 主要局限性包括激光脉冲控制受限、光声信号动态范围有限，以及在所有通道上实现完全同步存在挑战。
• 所提供的分步协议与附录内容可实现基于线性阵列的PAI系统在Vantage平台上的可重复搭建与校准。