專利名稱：一種多通道同步實(shí)時(shí)數(shù)字化光聲成像裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光聲成像研究領(lǐng)域，特別涉及一種多通道同步實(shí)時(shí)數(shù)字化光聲成像裝置及方法。
背景技術(shù)：
目前光聲成像已經(jīng)成為當(dāng)前醫(yī)學(xué)影像技術(shù)研究的一大熱點(diǎn)，光聲成像是一種非電離和非侵入性的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，可以反映生物組織的結(jié)構(gòu)特征、代謝狀態(tài)和病變特征。它結(jié)合了純光學(xué)成像和超聲成像的優(yōu)點(diǎn)，可得到高分辨率和高對(duì)比度的生物組織結(jié)構(gòu)和功能成像。而且光聲成像可以很容易的與超聲成像結(jié)合起來(lái)，提供多功能的影像診斷。光聲成像系統(tǒng)經(jīng)歷了從單元采集、多元相控的采集、多通道的切換采集，多通道同步并行采集的設(shè)計(jì)過(guò)程，采集時(shí)間大大地縮短了。但由于目前的成像系統(tǒng)都是將采集到的數(shù)據(jù)在上位機(jī)通過(guò)一定的成像算法進(jìn)行處理，因此成像時(shí)間受到上位機(jī)的處理速度的限制。申請(qǐng)?zhí)枮镃N200610035700. X的專利申請(qǐng)公開(kāi)了多通道電子并行掃描光聲實(shí)時(shí)層析成像的方法及其裝置。該裝置包括激光器、高密度陣列超聲換能器、多通道電子并行掃描電路、計(jì)算機(jī)。多通道電子并行掃描電路包括時(shí)間增益放大器、二階信號(hào)濾波、AD轉(zhuǎn)換、 FPGA數(shù)據(jù)處理，F(xiàn)PGA的數(shù)據(jù)處理包括去探測(cè)器的脈沖響應(yīng)、數(shù)字濾波，動(dòng)態(tài)聚焦多波束數(shù)字合成。該方法操作方便，控制也比較簡(jiǎn)單，采用多波束合成，提高了分辨率和信噪比，可以實(shí)現(xiàn)層析成像，但仍然有一些不足1、成像算法是在上位機(jī)完成，大大降低了計(jì)算機(jī)的處理速度，無(wú)法完成從采集到成像的實(shí)時(shí)性；2、由于采用獨(dú)立的板卡進(jìn)行采集處理，板卡間沒(méi)有通信能力，因此無(wú)法完成多通道的板卡擴(kuò)展，對(duì)于大規(guī)模的多通道(至少是256通道)采集處理只能采取陣元切換的方式，大大降低了成像的處理速度。因此，需要提供一種多通道且能夠同步實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)字化光聲成像裝置及方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種多通道同步實(shí)時(shí)數(shù)字化光聲成像裝置，該裝置制作設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高，數(shù)據(jù)的吞吐量大、傳輸速率及帶寬高， 應(yīng)用比較靈活。本發(fā)明還提供了一種基于上述多通道同步實(shí)時(shí)數(shù)字化光聲成像裝置的成像方法。本發(fā)明的一個(gè)目的通過(guò)以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種多通道同步實(shí)時(shí)數(shù)字化光聲成像裝置，包括激光器、依次相連的多元超聲探測(cè)器、前置放大電路和數(shù)據(jù)成像處理單元，所述激光器發(fā)射激光照射到生物組織上產(chǎn)生光聲信號(hào)，然后由多元超聲探測(cè)器將光聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)前置放大電路放大傳送到數(shù)據(jù)成像處理單元；所述數(shù)據(jù)成像處理單元包括若干個(gè)FPGA (Field-Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)采集卡、PXIe(PCI extensions for Instrumentation Express，面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展)背板、CPU板卡和時(shí)鐘同步板卡，每個(gè)FPGA采集卡均與前置放大電路信號(hào)連接；所述PXIe背板包括PCIe/PCI轉(zhuǎn)接橋、PCIe交換器，用于CPU板卡、FPGA采集卡的連接及通信，所述CPU板卡與FPGA采集卡之間通過(guò)PCIe交換器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，各個(gè)FPGA采集卡通過(guò)PXIe總線與CPU板卡進(jìn)行通信；所述FPGA采集卡之間通過(guò)PCIe交換器進(jìn)行采集卡之間的P2P (Peer-to-Peer,點(diǎn)對(duì)點(diǎn))數(shù)據(jù)傳輸，所述時(shí)鐘同步板卡與PXIe背板連接，通過(guò)時(shí)鐘總線提供系統(tǒng)差分時(shí)鐘、差分同步信號(hào)、差分星型觸發(fā)，并且向下兼容PXI時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)多個(gè)FPGA采集卡的同步處理。優(yōu)選的，所述激光器為納秒脈沖激光器，脈寬在I-IOOns之間，波長(zhǎng)在532-1319nm 之間，照射到生物組織上的能量小于20mJ/cm2。優(yōu)選的，所述多元超聲探測(cè)器的陣元數(shù)為64、1觀、256、384中的一種，探測(cè)器的主頻從IOOKHz到30MHz，與探測(cè)的光聲信號(hào)主頻匹配，多元超聲探測(cè)器為線形、扇形、環(huán)形及其它形狀的多元超聲探測(cè)器。優(yōu)選的，所述前置放大電路放大倍數(shù)在25dB 60dB之間，帶寬在IOOKHz IOOMHz之間，前置放大電路前端設(shè)計(jì)了阻抗變換電路，調(diào)諧電路用來(lái)與多元超聲探測(cè)器實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。具體的，所述FPGA采集卡包括信號(hào)調(diào)理與采集模塊、FPGA控制器、PXIe控制器和 DRAM (Dynamic Random Access Memory，動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器)，所述信號(hào)調(diào)理與采集模塊、PXIe 控制器和DRAM均分別與FPGA控制器相連，PXIe控制器與PXIe背板中的PCIe交換器相連。更進(jìn)一步的，所述FPGA控制器包括FIFO (First Input First Output，先進(jìn)先出數(shù)據(jù)緩存器)模塊、主控制單元、內(nèi)部RAM (Random Access Memory，隨機(jī)存儲(chǔ)器)、CMT (Clock Management Tile，時(shí)鐘管理模塊)和DSP48E Slices ；所述信號(hào)調(diào)理與采集模塊將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行的數(shù)字信號(hào)后通過(guò)總線輸入到FIFO模塊，F(xiàn)IFO模塊將信號(hào)傳輸?shù)街骺刂茊卧缓笸ㄟ^(guò)DSP48E Slices進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)算并將結(jié)果存儲(chǔ)在內(nèi)部RAM里面，CMT提供FPGA采集卡內(nèi)部運(yùn)行時(shí)鐘及外部、DRAM、PXIe時(shí)鐘。作為優(yōu)選，所述信號(hào)調(diào)理與采集后的總線傳輸包括數(shù)據(jù)總線、控制總線及時(shí)鐘，數(shù)據(jù)總線為 LVDS(Low-Voltage Differential Signaling，低壓差分信號(hào))傳輸。更進(jìn)一步的，所述信號(hào)調(diào)理與采集模塊包括VCA(Variable Gain Amplifier，可變?cè)鲆娣糯笃?、A/D轉(zhuǎn)換模塊、串行控制模塊、LVDS轉(zhuǎn)換模塊，用于將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成 LVDS輸出。優(yōu)選的，所述PXIe機(jī)箱采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以為9槽，14槽，18槽甚至是其它符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的PXIe機(jī)箱。優(yōu)選的，所述CPU板卡包括內(nèi)存、CPU、硬盤(pán)、USB接口、GPIB接口和RS232接口。本發(fā)明的另一個(gè)目的通過(guò)以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種多通道同步實(shí)時(shí)數(shù)字化光聲成像方法，包括以下步驟(1)激光器發(fā)射激光照射到生物組織上產(chǎn)生光聲信號(hào)，并產(chǎn)生同步采集信號(hào)觸發(fā) FPGA采集卡，多元超聲探測(cè)器同步接收產(chǎn)生的光聲信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)前置放大電路放大后分別傳送到數(shù)據(jù)成像處理單元中的若干個(gè)FPGA采集卡；(2)每個(gè)FPGA采集卡中的信號(hào)調(diào)理與采集模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大及濾波，然后經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換發(fā)送到FPGA控制器，F(xiàn)PGA控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行去卷積、連續(xù)小波變換(Continuous Wavelet Transform, CWT)、聲光衰減補(bǔ)償，最后將信號(hào)通過(guò)PXIe背板中的PCIe交換器以P2P數(shù)據(jù)傳輸方式傳輸?shù)狡渲幸粔K設(shè)定的FPGA采集卡上；(3)該設(shè)定的FPGA采集卡對(duì)所有信號(hào)采用2_D濾波反投影算法進(jìn)行成像處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)DMA通道傳輸?shù)紺PU板卡上，從而在上位機(jī)上通過(guò)顯示、存儲(chǔ)、圖像調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示及動(dòng)態(tài)回放、三維顯示。具體的，所述步驟O)中采用的去卷積具體是采用如下算法(2-1-1)獲得初始化信號(hào)將直徑為10-20個(gè)微米之間的激光聚焦到黑膠帶表面， 然后用多元超聲探測(cè)器接收產(chǎn)生的光聲信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理與采集模塊后再通過(guò)FPGA采集卡進(jìn)行采集，得到系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)，即初始化信號(hào)；(2-1-2)去卷積把當(dāng)前傳遞到FPGA控制器的光聲信號(hào)與步驟(2_1_1)得到的初始化信號(hào)進(jìn)行逆卷積運(yùn)算，進(jìn)而得到反映樣品吸收特性的原始光聲信號(hào)。具體的，所述步驟O)中采用的連續(xù)小波變換具體是采用如下算法將去卷積的信號(hào)進(jìn)行以高斯函數(shù)的三階導(dǎo)數(shù)為母小波的九階小波分解，然后通過(guò)權(quán)重因子增加信號(hào)的高頻成分進(jìn)行小波重構(gòu)。采用連續(xù)小波變換可以使采集到的生物組織圖像邊界更加銳利。具體的，所述步驟O)中采用的聲光衰減補(bǔ)償是按照指數(shù)增長(zhǎng)方式進(jìn)行補(bǔ)償，增長(zhǎng)系數(shù)與深度成線性關(guān)系。由于聲和光在深度方向傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生衰減，從而隨著成像深度的加深，圖像的對(duì)比度會(huì)變差。聲和光在組織中都是指數(shù)衰減，光的衰減跟組織的衰減系數(shù)及深度有關(guān)，聲的衰減跟組織的聲衰減系數(shù)、聲的頻率及深度有關(guān)。基于上面原因，本發(fā)明中光聲成像中的聲光衰減補(bǔ)償是對(duì)光和聲都進(jìn)行補(bǔ)償，按照指數(shù)增長(zhǎng)方式，增長(zhǎng)系數(shù)與深度成線性關(guān)系。具體的，所述步驟(3)中采用的2-D濾波反投影算法具體是采用如下步驟(3-1-1)通過(guò)去卷積、連續(xù)小波變換及聲光衰減補(bǔ)償?shù)玫蕉嘣曁綔y(cè)器的每個(gè)陣元接收到的實(shí)際光聲信號(hào)；(3-1-2)將多元超聲探測(cè)器每個(gè)陣元的實(shí)際光聲信號(hào)依照光吸收點(diǎn)到該陣元的距離進(jìn)行索引，并將索引值乘以權(quán)重因子后作為該陣元在該光吸收點(diǎn)處的光聲信號(hào)值，并以此完成所有吸收點(diǎn)的光聲信號(hào)值；(3-1-3)成像區(qū)域的各個(gè)光吸收點(diǎn)的光聲信號(hào)值為所有陣元在該處的投影值的疊加。更進(jìn)一步的，所述多元超聲探測(cè)器的權(quán)重因子是指多元超聲探測(cè)器的指向性函數(shù)，該指向性函數(shù)跟整個(gè)多元超聲探測(cè)器的寬度、陣元大小及超聲對(duì)多元超聲探測(cè)器的入射角有關(guān)。由于多元超聲探測(cè)器的每個(gè)陣元都有一定的尺寸，在接收信號(hào)時(shí)都有一定的接收范圍，因此在計(jì)算時(shí)需要考慮多元超聲探測(cè)器的指向性函數(shù)。本發(fā)明與現(xiàn)有光聲成像技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果1、本發(fā)明采用FPGA采集卡+時(shí)鐘同步板卡+PXIe機(jī)箱+CPU板卡的結(jié)構(gòu)。模塊化的設(shè)計(jì)減小了 PCB的布板難度，增加了硬件電路的抗干擾能力。高穩(wěn)定，高精度的高速時(shí)鐘減小了板卡間的延時(shí)，增加了光聲成像系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2、本發(fā)明中FPGA采集卡采用具有DSP48E Slices的FPGA處理器，只需要通過(guò)嵌入式FPGA處理器就可以完成光聲成像的采集控制、光聲信號(hào)的成像算法，不需要專用的DSP 處理器來(lái)進(jìn)行數(shù)字化的處理，大大簡(jiǎn)化了現(xiàn)有光聲成像系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)難度。3、由于從光聲信號(hào)的采集到成像及上位機(jī)的顯示所用時(shí)間為十幾毫秒，完全可以滿足實(shí)時(shí)性成像的要求。而且采用上位機(jī)的幀圖像實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，可以通過(guò)回放的方式進(jìn)行掃描區(qū)域的三維顯示及靜態(tài)分析。4、本發(fā)明中的數(shù)據(jù)采集處理及成像算法都在嵌入式處理器中完成，不需要通過(guò)上位機(jī)軟件來(lái)處理，因此相比于現(xiàn)有的多元光聲成像系統(tǒng)更易于臨床應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)原理圖；圖2是本發(fā)明裝置中數(shù)據(jù)成像處理單元的結(jié)構(gòu)原理圖；圖3是本發(fā)明方法的流程示意圖；圖4是本發(fā)明方法中小波分解及小波重構(gòu)原理圖；
圖5 (a)是實(shí)施例1光衰減及聲衰減補(bǔ)償前原始信號(hào)圖；圖5(b)是實(shí)施例1光衰減及聲衰減補(bǔ)償算法中采用的增益補(bǔ)償特性曲線；圖5 (C)是實(shí)施例1光衰減及聲衰減補(bǔ)償后的信號(hào)圖；圖6是本發(fā)明方法中2-D濾波反投影算法的原理圖。其中1-數(shù)據(jù)成像處理單元、2-FPGA采集卡、3-PXIe背板、4-時(shí)鐘總線、5-信號(hào)調(diào)理與采集模塊、6-FPGA控制器、7-數(shù)據(jù)總線、8-小波變換系數(shù)、9-小波重構(gòu)權(quán)重因子、10-多元超聲探測(cè)器、11-多元探測(cè)探測(cè)器的單個(gè)陣元、12-成像的樣品、13-光吸收點(diǎn)、14-光吸收點(diǎn)到陣元的距離、15-超聲對(duì)探測(cè)器的入射角、16-按光吸收點(diǎn)到探測(cè)器距離索引的信號(hào)。
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)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例1如圖1所示，一種多通道同步實(shí)時(shí)數(shù)字化光聲成像裝置，包括激光器、依次相連的多元超聲探測(cè)器、前置放大電路和數(shù)據(jù)成像處理單元1，所述激光器發(fā)射激光照射到生物組織上產(chǎn)生光聲信號(hào)，然后由多元超聲探測(cè)器將光聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)前置放大電路放大傳送到數(shù)據(jù)成像處理單元1。在本實(shí)施例中，激光器為波長(zhǎng)1064nm、頻率10Hz、脈寬 8ns的Nd: YAG激光器。所述多元超聲探測(cè)器的陣元數(shù)為64，主頻為7. 5MHz。前置放大電路增益為25dB，帶寬為50MHz。前置放大電路前端還設(shè)計(jì)了阻抗變換，調(diào)諧電路用來(lái)與多元超聲探測(cè)器實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。如圖1和2所示，所述數(shù)據(jù)成像處理單元1包括若干個(gè)FPGA采集卡2、PXIe背板 3XPU板卡和時(shí)鐘同步板卡，每個(gè)FPGA采集卡2均與前置放大電路信號(hào)連接；所述PXIe背板3包括PCIe/PCI轉(zhuǎn)接橋、PCIe交換器，用于CPU板卡、FPGA采集卡2的連接及通信，所述CPU板卡與FPGA采集卡2之間通過(guò)PCIe交換器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，各個(gè)FPGA采集卡2通過(guò) PXIe總線與CPU板卡進(jìn)行通信；所述FPGA采集卡2之間通過(guò)PCIe交換器進(jìn)行采集卡之間的P2P數(shù)據(jù)傳輸，所述時(shí)鐘同步板卡與PXIe背板3連接，通過(guò)時(shí)鐘總線4提供系統(tǒng)差分時(shí)鐘、差分同步信號(hào)、差分星型觸發(fā)，并且向下兼容PXI時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)多個(gè)FPGA采集卡2的同步處理。如圖1所示，在本實(shí)施例中，所述FPGA采集卡2包括信號(hào)調(diào)理與采集模塊5、FPGA控制器6、PXIe控制器和DRAM，所述信號(hào)調(diào)理與采集模塊5、PXIe控制器和DRAM均分別與 FPGA控制器6相連，PXIe控制器與PXIe背板3中的PCIe交換器相連。其中，所述信號(hào)調(diào)理與采集后的總線傳輸包括數(shù)據(jù)總線7、控制總線及時(shí)鐘，數(shù)據(jù)總線為L(zhǎng)VDS傳輸。同時(shí)，所述信號(hào)調(diào)理與采集模塊5包括VCA、A/D轉(zhuǎn)換模塊、串行控制模塊、LVDS轉(zhuǎn)換模塊，用于將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成LVDS輸出。如圖2所示，所述FPGA控制器6包括FIFO模塊、主控制單元、內(nèi)部RAM、CMT和 DSP48E Slices ；所述信號(hào)調(diào)理與采集模塊5將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行的數(shù)字信號(hào)后通過(guò)總線輸入到FIFO模塊，F(xiàn)IFO模塊將信號(hào)傳輸?shù)街骺刂茊卧缓笸ㄟ^(guò)DSP48E Slices 進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)算并將結(jié)果存儲(chǔ)在內(nèi)部RAM里面，CMT提供FPGA采集卡內(nèi)部運(yùn)行時(shí)鐘及外部、 DRAM、PXIe 時(shí)鐘。一般的PXIe機(jī)箱采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以為9槽，14槽，18槽甚至是其它符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的PXIe機(jī)箱。本實(shí)施例中選用14槽。所述CPU板卡包括內(nèi)存、CPU、硬盤(pán)、USB接口、GPIB接口和RS232接口。如圖3所示，本發(fā)明一種多通道同步實(shí)時(shí)數(shù)字化光聲成像方法，包括以下步驟(1)激光器發(fā)射激光照射到生物組織上產(chǎn)生光聲信號(hào)，并產(chǎn)生同步采集信號(hào)觸發(fā) FPGA采集卡，多元超聲探測(cè)器同步接收產(chǎn)生的光聲信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)前置放大電路放大后分別傳送到數(shù)據(jù)成像處理單元1中的若干個(gè)FPGA采集卡；(2)每個(gè)FPGA采集卡中的信號(hào)調(diào)理與采集模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大及濾波，然后經(jīng)A/ D轉(zhuǎn)換發(fā)送到FPGA控制器，F(xiàn)PGA控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行去卷積、連續(xù)小波變換、聲光衰減補(bǔ)償， 最后將信號(hào)通過(guò)PXIe背板中的PCIe交換器以P2P數(shù)據(jù)傳輸方式傳輸?shù)狡渲幸粔K設(shè)定的 FPGA采集卡上；(3)該設(shè)定的FPGA采集卡對(duì)所有信號(hào)采用2_D濾波反投影算法進(jìn)行成像處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)DMA通道傳輸?shù)紺PU板卡上，從而在上位機(jī)上通過(guò)顯示、存儲(chǔ)、圖像調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示及動(dòng)態(tài)回放、三維顯示。所述步驟O)中采用的去卷積具體是采用如下算法(2-1-1)獲得初始化信號(hào)將直徑為10-20個(gè)微米之間的激光聚焦到黑膠帶表面， 然后用多元超聲探測(cè)器接收產(chǎn)生的光聲信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理與采集模塊后再通過(guò)FPGA采集卡進(jìn)行采集，得到系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)，即初始化信號(hào)；(2-1-2)去卷積把當(dāng)前傳遞到FPGA控制器的光聲信號(hào)與步驟(2_1_1)得到的初始化信號(hào)進(jìn)行逆卷積運(yùn)算，進(jìn)而得到反映樣品吸收特性的原始光聲信號(hào)。所述步驟O)中采用的連續(xù)小波變換具體是采用如下算法將去卷積的信號(hào)進(jìn)行以高斯函數(shù)的三階導(dǎo)數(shù)為母小波的九階小波分解，然后通過(guò)權(quán)重因子增加信號(hào)的高頻成分進(jìn)行小波重構(gòu)。采用連續(xù)小波變換可以使采集到的生物組織圖像邊界更加銳利。連續(xù)小波變換原理如圖4所示，由于高斯函數(shù)的三階導(dǎo)數(shù)與光聲信號(hào)的N形波比較接近，這里是通過(guò)將光聲信號(hào)進(jìn)行以高斯函數(shù)的三階導(dǎo)數(shù)為母小波的九階小波分解，小波變換系數(shù)8通過(guò)小波重構(gòu)權(quán)重因子9增加信號(hào)的高頻成分進(jìn)行小波重構(gòu)。由于脈沖激光以及與頻率相關(guān)的超聲在組織中傳播時(shí)隨著深度的增加成指數(shù)衰減。因此在做深度方向的光聲成像時(shí)需要對(duì)衰減進(jìn)行補(bǔ)償，采用的聲光衰減補(bǔ)償是按照指數(shù)增長(zhǎng)方式進(jìn)行補(bǔ)償，增長(zhǎng)系數(shù)與深度成線性關(guān)系。對(duì)于本實(shí)施例中如圖5(a)所示的光衰減及聲衰減補(bǔ)償前原始信號(hào)，采用圖5(b)所示的增益補(bǔ)償特性曲線進(jìn)行光衰減及聲衰減補(bǔ)償，最終得到圖5(c)所示的光衰減及聲衰減補(bǔ)償后的信號(hào)圖。2-D濾波反投影是基于一維濾波反投影的重建算法。其工作原理如圖6所示，具體是采用如下步驟(3-1-1)通過(guò)去卷積、連續(xù)小波變換及聲光衰減補(bǔ)償?shù)玫蕉嘣曁綔y(cè)器10的每個(gè)陣元11接收到的實(shí)際光聲信號(hào)16 ；(3-1-2)如本實(shí)施例圖6中所示，對(duì)于光吸收點(diǎn)13，將多元超聲探測(cè)器10中每個(gè)陣元11的實(shí)際光聲信號(hào)16依照光吸收點(diǎn)13到該陣元的距離14進(jìn)行索引，并將索引值乘以權(quán)重因子后作為該陣元在該光吸收點(diǎn)13處的光聲信號(hào)值，并以此完成所有吸收點(diǎn)的光
聲信號(hào)值。(3-1-3)成像區(qū)域的各個(gè)光吸收點(diǎn)的光聲信號(hào)值為所有陣元在該處的投影值的疊加。所述多元超聲探測(cè)器的權(quán)重因子是指多元超聲探測(cè)器的指向性函數(shù)，由于多元超聲探測(cè)器10的每個(gè)陣元11都有一定的尺寸，在接收信號(hào)時(shí)都有一定的接收范圍，因此需要考慮多元超聲探測(cè)器的指向性函數(shù)，指向性函數(shù)跟整個(gè)多元超聲探測(cè)器的寬度、陣元大小及超聲對(duì)多元超聲探測(cè)器的入射角15有關(guān)。上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種多通道同步實(shí)時(shí)數(shù)字化光聲成像裝置，其特征在于，包括激光器、依次相連的多元超聲探測(cè)器、前置放大電路和數(shù)據(jù)成像處理單元，所述激光器發(fā)射激光照射到生物組織上產(chǎn)生光聲信號(hào)，然后由多元超聲探測(cè)器將光聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)前置放大電路放大傳送到數(shù)據(jù)成像處理單元；所述數(shù)據(jù)成像處理單元包括若干個(gè)FPGA采集卡、PXIe背板、CPU板卡和時(shí)鐘同步板卡，每個(gè)FPGA采集卡均與前置放大電路信號(hào)連接；所述PXIe背板包括PCIe/PCI轉(zhuǎn)接橋、 PCIe交換器，用于CPU板卡、FPGA采集卡的連接及通信，所述CPU板卡與FPGA采集卡之間通過(guò)PCIe交換器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，各個(gè)FPGA采集卡通過(guò)PXIe總線與CPU板卡進(jìn)行通信；所述FPGA采集卡之間通過(guò)PCIe交換器進(jìn)行采集卡之間的P2P數(shù)據(jù)傳輸，所述時(shí)鐘同步板卡與PXIe背板連接，通過(guò)時(shí)鐘總線提供系統(tǒng)差分時(shí)鐘、差分同步信號(hào)、差分星型觸發(fā)，并且向下兼容PXI時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)多個(gè)FPGA采集卡的同步處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道同步實(shí)時(shí)數(shù)字化光聲成像裝置，其特征在于，所述激光器為納秒脈沖激光器，脈寬在I-IOOns之間，波長(zhǎng)在532-1319nm之間，照射到生物組織上的能量小于20mJ/cm2 ；所述多元超聲探測(cè)器的陣元數(shù)為64、1觀、256、384中的一種，探測(cè)器的主頻從IOOKHz 到30MHz，與探測(cè)的光聲信號(hào)主頻匹配，多元超聲探測(cè)器為線形、扇形、環(huán)形的多元超聲探測(cè)器；所述前置放大電路放大倍數(shù)在25dB 60dB之間，帶寬在IOOKHz IOOMHz之間，前置放大電路前端設(shè)計(jì)了阻抗變換電路，調(diào)諧電路用來(lái)與多元超聲探測(cè)器實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道同步實(shí)時(shí)數(shù)字化光聲成像裝置，其特征在于，所述 FPGA采集卡包括信號(hào)調(diào)理與采集模塊、FPGA控制器、PXIe控制器和DRAM，所述信號(hào)調(diào)理與采集模塊、PXIe控制器和DRAM均分別與FPGA控制器相連，PXIe控制器與PXIe背板中的 PCIe交換器相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多通道同步實(shí)時(shí)數(shù)字化光聲成像裝置，其特征在于，所述 FPGA控制器包括FIFO模塊、主控制單元、內(nèi)部RAM、CMT和DSP48E Slices ；所述信號(hào)調(diào)理與采集模塊將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行的數(shù)字信號(hào)后通過(guò)總線輸入到FIFO模塊，F(xiàn)IFO模塊將信號(hào)傳輸?shù)街骺刂茊卧?，然后通過(guò)DSP48E Slices進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)算并將結(jié)果存儲(chǔ)在內(nèi)部RAM里面，CMT提供FPGA采集卡內(nèi)部運(yùn)行時(shí)鐘及外部、DRAM、PXIe時(shí)鐘；所述信號(hào)調(diào)理與采集后的總線傳輸包括數(shù)據(jù)總線、控制總線及時(shí)鐘，數(shù)據(jù)總線為L(zhǎng)VDS 傳輸；所述信號(hào)調(diào)理與采集模塊包括VCA、A/D轉(zhuǎn)換模塊、串行控制模塊、LVDS轉(zhuǎn)換模塊，用于將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成LVDS輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道同步實(shí)時(shí)數(shù)字化光聲成像裝置，其特征在于，所述 PXIe機(jī)箱采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為9槽，14槽，18槽的PXIe機(jī)箱；所述CPU板卡包括內(nèi)存、CPU、硬盤(pán)、USB接口、GPIB接口和RS232接口。
6.一種多通道同步實(shí)時(shí)數(shù)字化光聲成像方法，其特征在于，包括以下步驟(1)激光器發(fā)射激光照射到生物組織上產(chǎn)生光聲信號(hào)，并產(chǎn)生同步采集信號(hào)觸發(fā)FPGA 采集卡，多元超聲探測(cè)器同步接收產(chǎn)生的光聲信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)前置放大電路放大后分別傳送到數(shù)據(jù)成像處理單元中的若干個(gè)FPGA采集卡；(2)每個(gè)FPGA采集卡中的信號(hào)調(diào)理與采集模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大及濾波，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換發(fā)送到FPGA控制器，F(xiàn)PGA控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行去卷積、連續(xù)小波變換、聲光衰減補(bǔ)償，最后將信號(hào)通過(guò)PXIe背板中的PCIe交換器以P2P數(shù)據(jù)傳輸方式傳輸?shù)狡渲幸粔K設(shè)定的FPGA 采集卡上；(3)該設(shè)定的FPGA采集卡對(duì)所有信號(hào)采用2-D濾波反投影算法進(jìn)行成像處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)DMA通道傳輸?shù)紺PU板卡上，從而在上位機(jī)上通過(guò)顯示、存儲(chǔ)、圖像調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示及動(dòng)態(tài)回放、三維顯示。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多通道同步實(shí)時(shí)數(shù)字化光聲成像方法，其特征在于，所述步驟O)中采用的去卷積具體是采用如下算法(2-1-1)獲得初始化信號(hào)將直徑為10-20個(gè)微米之間的激光聚焦到黑膠帶表面，然后用多元超聲探測(cè)器接收產(chǎn)生的光聲信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理與采集模塊后再通過(guò)FPGA采集卡進(jìn)行采集，得到系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)，即初始化信號(hào)；(2-1-2)去卷積把當(dāng)前傳遞到FPGA控制器的光聲信號(hào)與步驟(2-1-1)得到的初始化信號(hào)進(jìn)行逆卷積運(yùn)算，進(jìn)而得到反映樣品吸收特性的原始光聲信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多通道同步實(shí)時(shí)數(shù)字化光聲成像方法，其特征在于，所述步驟O)中采用的連續(xù)小波變換具體是采用如下算法將去卷積的信號(hào)進(jìn)行以高斯函數(shù)的三階導(dǎo)數(shù)為母小波的九階小波分解，然后通過(guò)權(quán)重因子增加信號(hào)的高頻成分進(jìn)行小波重構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多通道同步實(shí)時(shí)數(shù)字化光聲成像方法，其特征在于，所述步驟O)中采用的聲光衰減補(bǔ)償是按照指數(shù)增長(zhǎng)方式進(jìn)行補(bǔ)償，增長(zhǎng)系數(shù)與深度成線性關(guān)系。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多通道同步實(shí)時(shí)數(shù)字化光聲成像方法，其特征在于，所述步驟(3)中采用的2-D濾波反投影算法具體是采用如下步驟(3-1-1)通過(guò)去卷積、連續(xù)小波變換及聲光衰減補(bǔ)償?shù)玫蕉嘣曁綔y(cè)器的每個(gè)陣元接收到的實(shí)際光聲信號(hào)；(3-1-2)將多元超聲探測(cè)器每個(gè)陣元的實(shí)際光聲信號(hào)依照光吸收點(diǎn)到該陣元的距離進(jìn)行索引，并將索引值乘以權(quán)重因子后作為該陣元在該光吸收點(diǎn)處的光聲信號(hào)值，并以此完成所有吸收點(diǎn)的光聲信號(hào)值；所述多元超聲探測(cè)器的權(quán)重因子是指多元超聲探測(cè)器的指向性函數(shù)，該指向性函數(shù)跟整個(gè)多元超聲探測(cè)器的寬度、陣元大小及超聲對(duì)多元超聲探測(cè)器的入射角有關(guān)；(3-1-3)成像區(qū)域的各個(gè)光吸收點(diǎn)的光聲信號(hào)值為所有陣元在該處的投影值的疊加。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種多通道同步實(shí)時(shí)數(shù)字化光聲成像裝置及方法，裝置包括激光器、多元超聲探測(cè)器、前置放大電路和數(shù)據(jù)成像處理單元，數(shù)據(jù)成像處理單元包括FPGA采集卡、時(shí)鐘同步板卡、PXIe背板、CPU板卡，可以實(shí)現(xiàn)至少32路同步光聲信號(hào)采集處理。方法是多元超聲探測(cè)器同步接收生物組織上因激光照射產(chǎn)生的光聲信號(hào)，經(jīng)放大后分別傳送到若干個(gè)FPGA采集卡；每個(gè)FPGA采集卡對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、去卷積、連續(xù)小波變換、聲光衰減補(bǔ)償，然后以P2P方式傳輸?shù)揭粔KFPGA采集卡上采用2-D濾波反投影算法進(jìn)行成像處理，最后將結(jié)構(gòu)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上。本發(fā)明是在FPGA處理器上完成的，并且模塊化的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了大規(guī)模探測(cè)器的擴(kuò)展，有利于光聲成像系統(tǒng)的臨床應(yīng)用。
文檔編號(hào)A61B8/00GK102551810SQ20121006237
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月9日
發(fā)明者許棟, 邢達(dá) 申請(qǐng)人:華南師范大學(xué)