一種基于多譜光聲成像的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于多譜光聲成像的裝置和方法，所述裝置包括半導(dǎo)體激光器組、半導(dǎo)體激光器驅(qū)動模塊、超聲傳感器、可變增益放大器組、多路選擇器模塊、濾波模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和計算模塊，所述半導(dǎo)體激光器組的兩個波長不等的半導(dǎo)體激光器交替放光，通過光纖照射在測試對象的特定區(qū)域，激發(fā)出的超聲信號被多個位置上傳感器采集，通過可變增益放大器后，使用采集速度為高速數(shù)據(jù)采集卡送入計算模塊中進行圖像重建及分析處理。本發(fā)明能夠?qū)︶t(yī)學(xué)研究中腫瘤的早期診斷和療效觀察、基因的表達、心血管疾病的檢測等提供影像學(xué)上的幫助以及血紅蛋白濃度、血氧飽和度等定量信息。
【專利說明】一種基于多譜光聲成像的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光學(xué)成像技術(shù)，具體涉及一種基于多譜光聲成像的裝置和方法。【背景技術(shù)】
[0002]光聲成像是近年發(fā)展起來的一種新型無損成像技術(shù)，其物理基礎(chǔ)是Bell在1880年發(fā)現(xiàn)的光聲效應(yīng):當光子被物體吸收轉(zhuǎn)化為熱時，物體溫度快速提升而導(dǎo)致熱膨脹，從而產(chǎn)生寬頻帶的超聲波，超聲波迅速向組織邊界傳播并可被一個或多個超聲換能器接收接到的超聲信號就可用來定性或定量的重建光聲圖像。
[0003]光聲成像結(jié)合了純光學(xué)成像的高對比度特性和純超聲成像的高穿透深度特性，可以提供高分辨率與高對比度的組織成像。在光聲成像過程中，通常使用激光作為激勵源照射組織，從而激發(fā)出兆赫茲級的超聲信號作為信息載體，對采集到的一組聲信號進行圖像重建以得到組織內(nèi)部的電磁吸收分布圖像。由于生物組織中的光吸收系數(shù)的差異，光聲成像可以有效地用來進行結(jié)構(gòu)成像、功能成像，利用外源性的造影劑也可以得到分子成像的信息，為腫瘤診斷提供更好的靈敏度和特異性。
[0004]國際上Kruger等人在1995年首次將光聲效應(yīng)應(yīng)用于生物組織成像領(lǐng)域，并借用CT的濾波反投影算法進行成像；最早的精確成像算法是由Wang等從時域和頻域分別解出了光聲成像的波動方程，提出了圓周掃描、平面掃面和圓柱掃描三種情況下的時域重建法和頻域重建法；Paul等人提出了傅里葉變換重建法，在2005年實現(xiàn)了實時、活體的光聲成像系統(tǒng)。國內(nèi)從事光聲成像方面的研究由2000年開始，其中包括華南師范大學(xué)的邢達小組和天津大學(xué)的王瑞康小組 ，他們分別在光聲成像系統(tǒng)的構(gòu)建、光聲信號的采集、圖像重建算法等方面取得了許多的研究成果。上述的這些研究中用到激光源的均為單波長，而目前的研究趨勢為使用多波長的激發(fā)源進行多光譜成像，這樣可以使得光聲成像進一步用來解析外源性熒光探針、生物標記以及其它內(nèi)源性和外源性的發(fā)色團，從背景組織的吸收中區(qū)分關(guān)鍵表達試劑的特定光譜信號，利用具有分子特異性的報告基因，將光聲成像技術(shù)進一步應(yīng)用于分子成像領(lǐng)域。
[0005]中國發(fā)明專利CN102306385A公開了一種任意掃描方式下光聲成像的圖像重建方法，該技術(shù)方案未涉及多光譜成像；中國發(fā)明專利CN103637808A的專利公開了一種光聲成像裝置，用于測量血氧飽和度，其中僅闡述了對于血氧飽和度的檢測和計算方法，未涉及其它參數(shù)的檢測以及多光譜成像的算法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的發(fā)明目的是提供一種基于多譜光聲成像的裝置和方法，能夠?qū)︶t(yī)學(xué)研究中腫瘤的早期診斷和療效觀察、基因的表達、心血管疾病的檢測等提供影像學(xué)上的幫助以及血紅蛋白濃度、血氧飽和度等定量信息。
[0007]為達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種基于多譜光聲成像的裝置，包括半導(dǎo)體激光器組、半導(dǎo)體激光器驅(qū)動模塊、超聲傳感器、可變增益放大器組、多路選擇器模塊、濾波模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和計算模塊，所述半導(dǎo)體激光器組包括波長不等的第一半導(dǎo)體激光器和第二半導(dǎo)體激光器，所述第一半導(dǎo)體激光器和第二半導(dǎo)體激光器交替發(fā)光且光源出射方向分別指向測試對象，所述超聲傳感器設(shè)于測試對象附近，所述超聲傳感器的信號輸出端連接到可變增益放大器組輸入端，所述可變增益放大器組的輸出端連接到多路選擇器輸入端，所述多路選擇器的輸出端連接到濾波模塊輸入端，所述濾波模塊輸出端連接到數(shù)據(jù)采集模塊輸入端，所述數(shù)據(jù)采集模塊與計算模塊連接，所述控制模塊的輸入端分別連接到計算模塊和半導(dǎo)體驅(qū)動模塊的輸出端，所述控制模塊的輸出端連接到多路選擇器的輸入端，所述計算模塊的輸出端連接到半導(dǎo)體驅(qū)動模塊的輸入端，所述半導(dǎo)體驅(qū)動模塊的輸出端分別連接到第一半導(dǎo)體激光器和第二半導(dǎo)體激光器的信號輸入端。
[0008]上述技術(shù)方案中，所述第一半導(dǎo)體激光器和第二半導(dǎo)體激光器的波長分別為750nm 和 790nm。 [0009]上述技術(shù)方案中，所述第一半導(dǎo)體激光器和第二半導(dǎo)體激光器通過光纖照射到測試對象上。
[0010]一種基于多譜光聲成像的方法，包括如下步驟:
1)計算模塊發(fā)出采集命令；
2)半導(dǎo)體驅(qū)動模塊接收到命令后驅(qū)動兩個半導(dǎo)體激光器交替發(fā)出脈沖激光，并給出觸發(fā)信號；
3)超聲傳感器將采集到的信號經(jīng)過放大器處理后送入多路選擇器；
4)控制模塊根據(jù)觸發(fā)信號依次給出控制信號，選擇采集通道；
5)依次采集的各路信號經(jīng)過濾波后經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊送入計算模塊中存儲；
6)將采集得到的參數(shù)代入公式(I)(2) (3)中，通過迭代算法得到組織吸收的能量，SP
【權(quán)利要求】
1.一種基于多譜光聲成像的裝置，其特征在于:包括半導(dǎo)體激光器組、半導(dǎo)體激光器驅(qū)動模塊、超聲傳感器、可變增益放大器組、多路選擇器模塊、濾波模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和計算模塊，所述半導(dǎo)體激光器組包括波長不等的第一半導(dǎo)體激光器和第二半導(dǎo)體激光器，所述第一半導(dǎo)體激光器和第二半導(dǎo)體激光器交替發(fā)光且光源出射方向分別指向測試對象，所述超聲傳感器設(shè)于測試對象附近，所述超聲傳感器的信號輸出端連接到可變增益放大器組輸入端，所述可變增益放大器組的輸出端連接到多路選擇器輸入端，所述多路選擇器的輸出端連接到濾波模塊輸入端，所述濾波模塊輸出端連接到數(shù)據(jù)采集模塊輸入端，所述數(shù)據(jù)采集模塊與計算模塊連接，所述控制模塊的輸入端分別連接到計算模塊和半導(dǎo)體驅(qū)動模塊的輸出端，所述控制模塊的輸出端連接到多路選擇器的輸入端，所述計算模塊的輸出端連接到半導(dǎo)體驅(qū)動模塊的輸入端，所述半導(dǎo)體驅(qū)動模塊的輸出端分別連接到第一半導(dǎo)體激光器和第二半導(dǎo)體激光器的信號輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多譜光聲成像的裝置，其特征在于:所述第一半導(dǎo)體激光器和第二半導(dǎo)體激光器的波長分別為750nm和790nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多譜光聲成像的裝置，其特征在于:所述第一半導(dǎo)體激光器和第二半導(dǎo)體激光器通過光纖照射到測試對象上。
4.一種基于多譜光聲成像的方法，其特征在于，包括如下步驟: 。 1)計算模塊發(fā)出采集命令； 。2)半導(dǎo)體驅(qū)動模塊接收到命令后驅(qū)動兩個半導(dǎo)體激光器交替發(fā)出脈沖激光，并給出觸發(fā)信號； 。 3)超聲傳感器將采集到的信號經(jīng)過放大器處理后送入多路選擇器； 。 4)控制模塊根據(jù)觸發(fā)信號依次給出控制信號，選擇采集通道； 。 5)依次采集的各路信號經(jīng)過濾波后經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊送入計算模塊中存儲； 。 6)將采集得到的參數(shù)代入公式(I)(2) (3)中，通過迭代算法得到組織吸收的能量，SP ▽V (r, + 0-, φ)=汝。C°?(r)(I) Φ=^Ψ(2) (JrJ+^l) Zlx = Jr(P0-Pi)(3) 其中，P表示壓力波，? = 是聲波的波數(shù)，φ是角頻率，Q是聲波的聲速，3是熱膨脹系數(shù)，&是等壓熱容I是組織吸收的能量，.?表示組織吸收系數(shù)，Ψ表示光通量，P。=丨表示邊界上皿點處聲壓的測量值,Pi = (puP^.-,Pm)T表示邊界上皿點處聲壓的計算值，表示吸收光能量密度的更新值，J是雅可比矩陣，Λ是正則化參數(shù)，I是單位矩陣； 。 7)將組織吸收的能量Φ(y)代入公式(4)(5) (6) (7)中，迭代求解得到吸收系數(shù)，SP -V.[D (r) (y ) Φ {: r)] + i (r) ￡ (y')Φ(y)=(4) 其中
【文檔編號】A61B8/00GK104027132SQ201410252167
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月9日
【發(fā)明者】胡丹峰, 王加俊, 鄒瑋, 方二喜 申請人:蘇州大學(xué)