這種相對(duì)較年輕的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)可用于諸如可視化血管，研究腦活動(dòng)，表征皮膚病變以及診斷乳腺癌等應(yīng)用。但是，渲染圖像的質(zhì)量很大程度上取決于設(shè)備使用的傳感器的數(shù)量和分布：傳感器的數(shù)量越多，圖像質(zhì)量就越好。
新的方法可以大幅減少傳感器的數(shù)量，而不會(huì)降低最終的圖像質(zhì)量。這使得可以降低設(shè)備成本，提高成像速度或改善診斷。
什么是光聲影像?
光聲在某些方面與超聲成像相似。在后者中，探頭將超聲波發(fā)送到體內(nèi)，組織會(huì)對(duì)其進(jìn)行反射。探頭中的傳感器檢測(cè)返回的聲波并生成人體內(nèi)部的圖像。相反，光聲成像將非常短的激光脈沖發(fā)送到組織中，在那里它們被吸收并轉(zhuǎn)換為超聲波。與超聲成像類似，研究人員隨后可以檢測(cè)到將其轉(zhuǎn)換為圖像的波。
該團(tuán)隊(duì)尋找一種方法來提高僅具有少量超聲波傳感器的低成本光聲設(shè)備的圖像質(zhì)量。
為此，他們開始使用具有512個(gè)傳感器的自行開發(fā)的高端光聲掃描儀，該掃描儀可提供高質(zhì)量的圖像。他們使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析圖片，并了解了高質(zhì)量圖片的特征。
接下來，研究人員丟棄了大多數(shù)傳感器，因此只剩下128或32個(gè)傳感器，這對(duì)圖像質(zhì)量產(chǎn)生了不利影響。由于缺乏數(shù)據(jù)，圖像中出現(xiàn)了稱為條紋型偽影的失真。然而，事實(shí)證明，先前訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以在很大程度上校正這些失真，從而使圖像質(zhì)量更接近所有512個(gè)傳感器獲得的測(cè)量結(jié)果。
在光聲技術(shù)中，圖像質(zhì)量不僅隨著研究人員使用的傳感器數(shù)量的增加而提高，而且當(dāng)它們從盡可能多的方向捕獲信息時(shí)，圖像質(zhì)量也會(huì)提高：研究人員將傳感器圍繞對(duì)象布置的區(qū)域越大，質(zhì)量越好。機(jī)器學(xué)習(xí)算法還成功地提高了研究人員僅在有限范圍內(nèi)記錄的圖像質(zhì)量。
蘇黎世大學(xué)和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院生物醫(yī)學(xué)成像教授丹尼爾·拉贊斯基(Daniel Razansky)表示：“這對(duì)于臨床應(yīng)用尤為重要，因?yàn)榧す饷}沖無法穿透整個(gè)人體，因此成像區(qū)域通常只能從一個(gè)方向進(jìn)入。” 。
人工智能的幫手
科學(xué)家強(qiáng)調(diào)說，他們的方法不僅限于光聲成像。因?yàn)樵摲椒▽?duì)重建的圖像而不是原始記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，所以它也適用于其他成像技術(shù)。
“您基本上可以使用相同的方法從任何種類的稀疏數(shù)據(jù)中生成高質(zhì)量的圖像，” Razansky說。他解釋說，醫(yī)生經(jīng)常面臨著解釋病人的低質(zhì)量圖像的挑戰(zhàn)。“我們證明，使用AI方法可以改善此類圖像，使其更容易獲得更準(zhǔn)確的診斷。”
對(duì)于拉贊斯基來說，這項(xiàng)研究工作很好地證明了科學(xué)家如何使用現(xiàn)有的人工智能方法。
許多人認(rèn)為人工智能可以代替人類的智能。至少對(duì)于當(dāng)前可用的AI技術(shù)，這可能被夸大了。”他說。“它不能取代人類的創(chuàng)造力，但可能使我們擺脫繁瑣而重復(fù)的任務(wù)。”
在他們目前的研究中，科學(xué)家使用了為小動(dòng)物量身定制的光聲層析成像設(shè)備，并用小鼠的圖像訓(xùn)練了機(jī)器學(xué)習(xí)算法。Razansky說，下一步將是將該方法應(yīng)用于人類患者的光聲圖像。
無需造影劑
與光聲技術(shù)(也稱為光聲技術(shù))不同，許多成像技術(shù)(例如超聲，X射線或MRI)主要適用于可視化人體的解剖結(jié)構(gòu)變化。為了接收其他功能信息，例如有關(guān)血流或代謝變化的信息，醫(yī)生必須在成像前向患者使用造影劑或放射性示蹤劑。
相反，光聲方法可以可視化功能和分子信息，而無需引入造影劑。一個(gè)例子是組織氧合的局部變化，這是癌癥的重要標(biāo)志，可用于早期診斷。血管中的脂質(zhì)含量仍是另一種潛在的疾病標(biāo)記，可幫助及早發(fā)現(xiàn)心血管疾病。
但是，應(yīng)注意的是，由于光聲成像中使用的光波不像其他光波那樣無法完全穿透人體，因此該方法僅適用于調(diào)查組織深達(dá)幾厘米(比英寸)。