專利名稱：基于聲透鏡的光聲成像和層析成像方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光聲層析成像技術(shù)，具體是基于聲透鏡的光聲成像和層析成像方法。本發(fā)明還涉及所述方法使用的裝置。
背景技術(shù)：
光聲層析成像是檢測(cè)埋藏于散射介質(zhì)內(nèi)部光吸收分布的一種有效的潛在醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，它結(jié)合了光學(xué)的強(qiáng)對(duì)比度和超聲成像的高穿透性等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為目前研究的熱點(diǎn)。在光聲成像研究中，使用短脈沖激光(納秒級(jí))照射在生物組織上，生物組織由于吸收光能量溫度微弱升高而發(fā)生熱彈性膨脹，產(chǎn)生超聲，超聲信號(hào)正比于生物組織的光吸收。所以，光聲信號(hào)攜帶了組織光吸收特性的信息，而生物組織的光吸收的特性與組織的生理特征、生長(zhǎng)或代謝狀態(tài)、病變特性等密切有關(guān)，可以用來(lái)判斷和甄別其內(nèi)部的狀況。例如，生物組織的正常生長(zhǎng)狀況、早期癌變組織的光吸收比正常組織高。組織對(duì)超聲的衰減和散射遠(yuǎn)小于組織對(duì)光的衰減和散射，使用超聲探頭檢測(cè)超聲能重建出組織中的光吸收的分布的圖像。傳統(tǒng)的超聲探測(cè)或X影像技術(shù)主要依靠生物組織中局部聲阻抗或X射線的吸收的差異來(lái)成像，但是在早期的病變組織中這些差異不大。而病變組織的代謝與周圍的正常組織差異較大；例如，早期癌變組織周圍的毛細(xì)血管就比正常組織要豐富得多，而且血氧含量高，這就導(dǎo)致它與周圍正常組織的光學(xué)特性有較大差異，利用光聲信號(hào)就可以根據(jù)生物病變組織和正常組織的代謝功能差異來(lái)成像。在成像方法上，目前一般使用重建算法重建原物光聲圖樣，但是由于算法本身要求進(jìn)行掃描或數(shù)據(jù)平均，耗時(shí)較長(zhǎng)，這不能實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)組織變化。所以實(shí)時(shí)的獲得生物組織層析圖像是該技術(shù)走向使用的關(guān)鍵問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種對(duì)生物組織高分辨率、非侵入性和操作比較方便的基于聲透鏡的光聲成像和層析成像方法。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)上述方法的基于聲透鏡的光聲成像和層析成像裝置。
本發(fā)明的方法和裝置可用于生物組織的生長(zhǎng)規(guī)律研究、生物組織的生理變化研究、生物組織的病變研究等，為人類演變發(fā)展史的研究奠定基礎(chǔ)。
本發(fā)明用聲透鏡把由于光聲效應(yīng)產(chǎn)生的聲壓分布直接成像于像面上，然后在像面上用一個(gè)二維面陣光聲探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)，將所獲得的光聲信號(hào)進(jìn)行二維成像，即可實(shí)時(shí)地獲取待測(cè)生物組織的平面圖像。同理，由于不同深度的生物組織所產(chǎn)生的光聲信號(hào)傳輸?shù)焦饴曁綔y(cè)器的時(shí)間不同，因此選擇延時(shí)時(shí)間不同的光聲信號(hào)進(jìn)行成像，即可快速地獲得不同層面的生物組織的圖像。
本發(fā)明的基于聲透鏡的光聲成像和層析成像方法包括如下步驟(1)用脈寬為5～20納秒(ns)的脈沖激光照射生物組織，在生物組織中產(chǎn)生頻率為兆赫茲(MHz)的超聲，即光聲信號(hào)；(2)用具有成像能力的聲透鏡將激光誘發(fā)的生物組織聲壓或不同層面聲壓分布成像在像面上；例如腫瘤的光聲信號(hào)就比組織周圍的光聲信號(hào)強(qiáng)；聲透鏡焦深較大，對(duì)一定厚度物體有縱向成像能力；聲透鏡把生物組織的不同層面聲壓分布成像在對(duì)應(yīng)的像面上；(3)在某一像面上用二維面陣光聲探測(cè)器探測(cè)聲壓分布，采集光聲信號(hào)；(4)對(duì)所采集的光聲信號(hào)進(jìn)圖像重構(gòu)，獲得清晰的某一層面的組織影像。
本發(fā)明還可以包括步驟(5)，即重復(fù)操作步驟(3)、(4)，獲得生物組織不同層面的光吸收影像。
所述步驟(1)中，脈沖激光優(yōu)選波長(zhǎng)為450nm～2000nm。
所述步驟(3)中，通過(guò)控制采集信號(hào)的延時(shí)來(lái)選定生物組織的不同像面的信號(hào)。
本發(fā)明利用聲透鏡對(duì)生物組織光聲層析成像裝置由透明柔性橡膠層、光纖、聲透鏡、二維面陣光聲探測(cè)器、探測(cè)器輸出信號(hào)電路、延時(shí)—信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、采集卡、計(jì)算機(jī)構(gòu)成。其中透明柔性橡膠層、光纖、聲透鏡與二維面陣光聲探測(cè)器相對(duì)安裝在一個(gè)圓柱型鋁制腔內(nèi)；光纖通過(guò)一個(gè)連接器與激光器連接組成光源；二維面陣光聲探測(cè)器、探測(cè)器輸出信號(hào)電路、延時(shí)—信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、采集卡、計(jì)算機(jī)依次電氣連接。
其中二維面陣光聲探測(cè)器具有探測(cè)超聲信號(hào)的能力和空間分辨能力，探測(cè)器輸出信號(hào)電路其特征在于能臨時(shí)存儲(chǔ)面陣探測(cè)器探元信號(hào)，然后依次放大、輸出超聲信號(hào)。
所述延時(shí)——信號(hào)轉(zhuǎn)換電路固定某一延時(shí)把超聲信號(hào)幅值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的直流電壓，并且該固定延時(shí)可以調(diào)節(jié)。
計(jì)算機(jī)內(nèi)裝有數(shù)據(jù)處理軟件，用于生物體或組織圖像重建及處理。例如用Microsoft公司的Visual C++6.0平臺(tái)開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化圖像采集處理軟件。
所述聲透鏡由鋁材制成。該聲透鏡的位置可調(diào)，可調(diào)范圍滿足幾何光學(xué)成像性質(zhì)，即1u+1v=1f.]]>二維面陣光聲探測(cè)器由壓電陶瓷或聚偏氟乙烯(PVDF)制成。
本基于聲透鏡的生物組織光聲層析成像裝置的工作原理是脈沖激光器發(fā)出的脈沖激光照射在樣品上，樣品產(chǎn)生光聲信號(hào)；產(chǎn)生的光聲信號(hào)經(jīng)耦合介質(zhì)由聲透鏡變換到像面上；探測(cè)器在像面上探測(cè)像面的信號(hào)，延時(shí)——信號(hào)轉(zhuǎn)換電路固定同一延時(shí)，并轉(zhuǎn)換該信號(hào)為對(duì)應(yīng)的直流電壓；該直流電壓經(jīng)采集卡A/D轉(zhuǎn)換，送入計(jì)算機(jī)記錄；計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換為灰度圖自動(dòng)顯示成像。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)及效果(1)本發(fā)明裝置是利用光聲信號(hào)進(jìn)行二維成像和層析成像，光聲信號(hào)比傳統(tǒng)的超聲波攜帶有更多的信息，可以實(shí)現(xiàn)生物功能成像。本發(fā)明裝置結(jié)合了超聲在生物組織中具有強(qiáng)的穿透能力及光學(xué)成像的強(qiáng)對(duì)比度的優(yōu)點(diǎn)，不會(huì)對(duì)生物體產(chǎn)生放射性損傷，與傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)影像診斷方法相比具有非侵入性、無(wú)損傷和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。
(2)本發(fā)明裝置是利用時(shí)間分辨技術(shù)實(shí)現(xiàn)層析成像，可以實(shí)現(xiàn)超分辨率層析成像。
(3)本發(fā)明裝置使用聲透鏡把生物組織某個(gè)層面由于光聲效應(yīng)激發(fā)的聲壓分布成像于像面上，具有實(shí)時(shí)成像的優(yōu)勢(shì)；并且聲透鏡的成像焦深較大，可以利用時(shí)間上的延時(shí)實(shí)現(xiàn)層析成像。
(4)本發(fā)明裝置中的延時(shí)——信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，能方便地控制信號(hào)采集的延時(shí)，有效、可靠地選擇不同的像面。
(5)本發(fā)明可以獲得聲阻抗相同和相近而光學(xué)參數(shù)不同的待測(cè)樣品的層析圖像；本發(fā)明采用聲透鏡直接對(duì)生物組織層析成像，無(wú)需復(fù)雜的圖像重建算法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物組織的實(shí)時(shí)成像。
(6)本發(fā)明可以獲得生物組織某一橫向?qū)用娴男畔?，與B超等獲得某一縱向?qū)用嫘畔⒌某上穹绞讲煌?，這與生物組織許多結(jié)構(gòu)的橫向分布是一致的，例如活體內(nèi)血管分布、腫瘤形狀等等，可以為醫(yī)療診斷提供更豐富的信息。
(7)本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集和圖像重建都完全由計(jì)算機(jī)控制，所以裝置的操作較為方便，自動(dòng)化程度高。


圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
圖中1.圓柱型鋁制外腔2.耦合介質(zhì)3.透明柔性橡膠層4.光纖5.光纖固定架6.連接器7.激光器8.聲透鏡9.二維面陣光聲探測(cè)器10.探測(cè)器輸出信號(hào)電路11.延時(shí)—信號(hào)轉(zhuǎn)換電路12.采集卡13.計(jì)算機(jī)圖2是本發(fā)明方法的聲透鏡層析成像原理示意圖；其中圖2a是聲透鏡部分的層析成像原理圖；圖2b是光學(xué)等效圖；圖3是本發(fā)明方法的聲透鏡單一層面成像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖；其中圖3a是埋藏于強(qiáng)散射溶液中的四個(gè)黑膠帶點(diǎn)狀樣品圖；圖3b是圖3a中樣品的光聲圖像；圖4是本發(fā)明方法的聲透鏡層析成像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖；其中圖4a是埋藏于強(qiáng)散射溶液中的兩層黑膠帶樣品，分別貼在有機(jī)玻璃板前后表面；圖4b是圖4a中圓圈層對(duì)應(yīng)的光聲圖像；圖4c是圖4a中三點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光聲圖像；圖5是本發(fā)明聲透鏡在生物組織中層析成像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖；其中圖5a是藏于豬肉組織一個(gè)表面上的三點(diǎn)樣品圖；圖5b是藏于該豬肉組織另一個(gè)表面的圓圈樣品圖；圖5c是圖5a中三點(diǎn)層對(duì)應(yīng)的光聲圖像；圖5d是圖5b中圓圈層對(duì)應(yīng)的光聲圖像。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的敘述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
由圖1可見(jiàn)，本發(fā)明裝置主要包括透明柔性橡膠層3、光纖4、聲透鏡8、二維面陣光聲探測(cè)器9、探測(cè)器輸出信號(hào)電路10、延時(shí)—信號(hào)轉(zhuǎn)換電路11、采集卡12、計(jì)算機(jī)13。其中透明柔性橡膠層3、光纖4、聲透鏡8與二維面陣光聲探測(cè)器9相對(duì)安裝在一個(gè)圓柱型鋁制腔1內(nèi)；光纖4通過(guò)一個(gè)連接器6與激光器7連接組成光源；由瓊脂制成的光纖固定架固定于鋁制圓柱型外腔內(nèi)。二維面陣光聲探測(cè)器9、探測(cè)器輸出信號(hào)電路10、延時(shí)—信號(hào)轉(zhuǎn)換電路11、采集卡12、計(jì)算機(jī)13依次電氣連接。選用各構(gòu)件連接組成本裝置，其中激光器7選用美國(guó)光譜物理公司生產(chǎn)的MOPO(ModelPRO2230)，可發(fā)出波長(zhǎng)為500nm-2000nm的脈沖激光，本實(shí)施例選用波長(zhǎng)為532nm的綠色激光，它的重復(fù)周期為30HZ；聲透鏡8自行設(shè)計(jì)加工；二維面陣光聲探測(cè)器9選用32*32探元面陣探測(cè)器；探測(cè)器輸出信號(hào)電路10選用自制的電子開(kāi)關(guān)電路；延時(shí)——信號(hào)轉(zhuǎn)換電路11選用自制的峰值保持器；采集卡12選用ADC公司的PCL2818HG數(shù)據(jù)采集卡(ModelAdvantech)；計(jì)算機(jī)13選用Pentium 3微機(jī)。
如圖2a、b所示，本發(fā)明方法的聲透鏡成像及層析成像原理如下光聲信號(hào)的強(qiáng)弱正比于樣品的光吸收系數(shù)，而且光聲信號(hào)具有波動(dòng)的所有特征(如干涉和衍射)，根據(jù)傅里葉成像理論，一個(gè)具有空間傅里葉變換性質(zhì)的聲透鏡，可以直接對(duì)光聲信號(hào)進(jìn)行二維成像，物與像之間一一對(duì)應(yīng)，如圖2a所示，其光學(xué)等效圖如圖2b所示，通過(guò)測(cè)量像面上各點(diǎn)光聲信號(hào)的振幅分布，就可以獲得二維光聲圖像。根據(jù)物像共軛原理，物面上各點(diǎn)發(fā)出的光聲信號(hào)到達(dá)像面上相應(yīng)像點(diǎn)所需要的時(shí)間相同，而不同物面所產(chǎn)生的光聲信號(hào)到達(dá)像面的時(shí)間各不相同，利用時(shí)間分辨技術(shù)，通過(guò)控制不同的延時(shí)時(shí)間來(lái)采集像面光聲信號(hào)，從而獲得不同物像面的光聲圖像。其工作過(guò)程如下激光器7發(fā)出的激光經(jīng)連接器6導(dǎo)入四根光纖，從四根光纖輸出的激光入射到強(qiáng)散射溶液形成均勻分布的光場(chǎng)，均勻分布光場(chǎng)透過(guò)透明柔性橡膠層3照亮待測(cè)樣品，并在樣品中激發(fā)出光聲信號(hào)，光聲信號(hào)通過(guò)聲透鏡成像8成像在二維面陣光聲探測(cè)器9上，二維面陣光聲探測(cè)器9把光聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并通過(guò)探測(cè)器輸出信號(hào)電路10放大和信號(hào)處理，然后通過(guò)采集卡12進(jìn)行信號(hào)采集，并輸入到計(jì)算機(jī)13進(jìn)行存儲(chǔ)和圖像重建，獲得一個(gè)層面的光聲圖像。然后通過(guò)延時(shí)—信號(hào)轉(zhuǎn)換電路11選擇不同的延時(shí)時(shí)間，獲得不同層面的光聲圖像。
使用強(qiáng)散射溶液模擬生物組織環(huán)境，對(duì)聲透鏡單一層面的成像功能進(jìn)行具體實(shí)施，如圖3a所示，四個(gè)黑膠帶點(diǎn)狀樣品(貼在透明的有機(jī)玻璃上)埋藏于強(qiáng)散射溶液中，當(dāng)透明柔性橡膠層接觸溶液，并與樣品所在的層面平行相對(duì)，調(diào)節(jié)聲透鏡至適當(dāng)位置，即可方便快速地在計(jì)算機(jī)重現(xiàn)如圖3b所示的光聲圖像。
使用強(qiáng)散射溶液模擬生物組織環(huán)境，對(duì)聲透鏡層析成像功能進(jìn)行具體實(shí)施。如圖4a所示，埋藏于強(qiáng)散射溶液中有兩層黑膠帶樣品，一層為圓圈形樣品，另一層為三個(gè)黑膠帶點(diǎn)狀樣品，它們分別貼在有機(jī)玻璃板前后表面。類似于上述聲透鏡單一層面成像的具體實(shí)施，即得到如圖4b所示的圓圈層的光聲成像圖，在此基礎(chǔ)上只需調(diào)節(jié)控制延時(shí)——信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，即方便快速得到如圖4c所示的三點(diǎn)層的光聲成像圖。
在生物組織中，對(duì)聲透鏡層析成像功能進(jìn)行具體實(shí)施。如圖5a、b所示，一塊厚約為5mm的豬肉塊的兩個(gè)層面上分別粘上一個(gè)圓圈形和三點(diǎn)形的黑膠圖案。類似于上述聲透鏡層析成像的具體實(shí)施，即分別得到如圖5c、d所示的兩個(gè)層面的光聲成像圖。
權(quán)利要求
1.一種基于聲透鏡的光聲成像和層析成像方法，其特征在于包括如下步驟(1)用脈寬為5～20納秒的脈沖激光照射生物組織，在生物組織中產(chǎn)生頻率為兆赫茲的超聲，即光聲信號(hào)；(2)用聲透鏡將激光誘發(fā)的生物組織聲壓和不同層面聲壓分布成像在像面上；(3)在某一像面上用二維面陣光聲探測(cè)器探測(cè)聲壓分布，采集光聲信號(hào)；(4)對(duì)所采集的光聲信號(hào)進(jìn)行圖像重構(gòu)，獲得清晰的某一層面的組織影像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括以下步驟(5)重復(fù)操作步驟(3)、(4)，獲得生物組織不同層面的光吸收影像。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述步驟(1)中，脈沖激光波長(zhǎng)為450nm～2000nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述步驟(3)中，通過(guò)控制采集信號(hào)的延時(shí)來(lái)選定生物組織的不同像面的信號(hào)。
5.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1-5之一所述方法的裝置，其特征在于由透明柔性橡膠層、光纖、聲透鏡、二維面陣光聲探測(cè)器、探測(cè)器輸出信號(hào)電路、延時(shí)—信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、采集卡、計(jì)算機(jī)構(gòu)成；其中透明柔性橡膠層、光纖、聲透鏡與二維面陣光聲探測(cè)器相對(duì)安裝在一個(gè)圓柱型鋁制腔內(nèi)；光纖通過(guò)一個(gè)連接器與激光器連接組成光源；二維面陣光聲探測(cè)器、探測(cè)器輸出信號(hào)電路、延時(shí)——信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、采集卡、計(jì)算機(jī)依次電氣連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述裝置，其特征在于所述聲透鏡由鋁材制成，聲透鏡的位置可調(diào)，可調(diào)范圍滿足幾何光學(xué)成像性質(zhì)，即1u+1v=1f.]]>
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述裝置，其特征在于所述二維面陣光聲探測(cè)器由壓電陶瓷或聚偏氟乙烯(PVDF)制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于聲透鏡的光聲成像和層析成像方法，包括如下步驟用脈沖激光照射生物組織，在生物組織中產(chǎn)生頻率為兆赫茲的超聲，即光聲信號(hào)；用聲透鏡將激光誘發(fā)的生物組織聲壓和不同層面聲壓分布成像在像面上；在某一像面上用二維面陣光聲探測(cè)器探測(cè)聲壓分布，采集光聲信號(hào)；對(duì)所采集的光聲信號(hào)進(jìn)行圖像重構(gòu)，獲得清晰的某一層面的組織影像。所述方法使用的裝置由透明柔性橡膠層、光纖、聲透鏡、二維面陣光聲探測(cè)器、探測(cè)器輸出信號(hào)電路、延時(shí)—信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、采集卡、計(jì)算機(jī)構(gòu)成。本發(fā)明使用聲透鏡直接對(duì)生物組織實(shí)現(xiàn)光聲成像，對(duì)聲阻抗相同和相近而光學(xué)參數(shù)不同的待測(cè)樣品實(shí)現(xiàn)層析成像，實(shí)時(shí)成像；靈敏度高，不會(huì)對(duì)生物體產(chǎn)生放射性損傷。
文檔編號(hào)A61B8/13GK1792335SQ20051012066
公開(kāi)日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2005年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月16日
發(fā)明者唐志列, 陳湛旭, 何永恒, 張漢超 申請(qǐng)人:華南師范大學(xué)