光聲定量彈性成像方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種彈性成像方法及裝置，尤其是一種光聲定量彈性成像方法及裝 置，屬于生物醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 組織的病理變化往往伴隨其機械性質(zhì)特別是彈性模量的變化，因此可以通過分析 組織的物理參數(shù)實現(xiàn)組織的病變檢測。目前，通過檢測組織的彈性預(yù)測組織疾病的方法已 經(jīng)被醫(yī)生及影像學(xué)研究者廣泛地接收，如利用超聲彈性檢測的方法實現(xiàn)無損肝硬化的檢測 方法已經(jīng)應(yīng)用于臨床疾病的參數(shù)檢測。
[0003] 現(xiàn)有的定量彈性檢測方法主要為靜態(tài)超聲彈性檢測和超聲剪切波彈性成像。靜態(tài) 超聲彈性檢測方法采用靜態(tài)或準靜態(tài)的組織激勵方法，人為利用已知大小的力擠壓組織是 組織產(chǎn)生形變，利用超聲成像獲得組織中的位移大小，根據(jù)彈性模量等于（力/位移大?。?， 可以獲得定量彈性模量。該方法的缺點是，將組織建模為純彈性體，忽略組織具有粘彈性質(zhì) 的事實，不可避免的會導(dǎo)致測量結(jié)果不準確。同時該方法中施加在組織上的力在組織中的 分布受到組織樣品形狀及激勵手段的影響，導(dǎo)致測量結(jié)果與真實值偏差較大。超聲剪切波 彈性成像利用聚焦超聲在焦點處引起的非線性效應(yīng)激勵剪切波，通過測量剪切波在組織中 的傳播速度獲得組織的彈性模量。該方法主要應(yīng)用于如乳腺及甲狀腺等大組織器官的彈性 檢測，存在激發(fā)效率較低對小病灶區(qū)檢測不準確等缺點，且聚焦區(qū)域能量過高導(dǎo)致溫度升 高對生物組織造成損傷或者探測區(qū)域生理性質(zhì)的改變不可避免。同時。目前的彈性定量檢 測和成像主要能夠在大器官能夠?qū)崿F(xiàn)，對于血管疾病的彈性成像還停留在成像應(yīng)變圖而無 法實現(xiàn)定量彈性成像的程度。本文提出的組織彈性模量的光聲定量測量與成像方法能夠?qū)?現(xiàn)無損小病灶區(qū)的定量彈性測量和成像，與已有彈性測量和成像技術(shù)相比具有無法比擬的 優(yōu)越性。
[0004] 目前，利用光聲方法檢測組織彈性在我國已有報道，如2011年9月7日公開的發(fā)明 專利:光聲彈性成像方法與裝置，申請人:華南師范大學(xué)，申請日：2011年1月14日，【申請?zhí)枴?201110008213.5,其采用了強度調(diào)制的連續(xù)光源激發(fā)產(chǎn)生光聲信號，通過測量該信號與調(diào) 制信號之間的相位差并逐點掃描可以重建出檢測組織樣品的彈性分布圖像。但在上述方法 中，未能夠?qū)崿F(xiàn)組織彈性模量的定量測量，也就是不能獲得彈性模量的絕對值，只能提供相 對值，降低了該方法在實際應(yīng)用中測量結(jié)果的準確性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供了一種光聲定量彈性成像方 法，該方法可以實現(xiàn)無損、高分辨的組織彈性定量測量和成像。
[0006] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種實現(xiàn)上述方法的光聲定量彈性成像裝置。
[0007] 本發(fā)明的目的可以通過采取如下技術(shù)方案達到：
[0008] 光聲定量彈性成像方法，所述方法包括以下步驟：
[0009] 1)將組織樣品放置在X-Y二維掃描平臺上，并浸沒在耦合槽的耦合液中；將聚焦透 鏡設(shè)置在組織樣品正上方，并調(diào)整聚焦透鏡的高度使聚焦透鏡的焦點不偏離組織樣品表 面;將超聲探測器對準組織樣品，并使超聲探測器的下端進入耦合槽的耦合液中；
[0010] 2)激光器發(fā)出脈沖激光，該脈沖激光通過聚焦透鏡聚焦，照在組織樣品上，激發(fā)出 光聲信號，光聲信號經(jīng)過耦合槽的耦合液后被超聲探測器接收；
[0011] 3)超聲探測器接收的光聲信號經(jīng)放大器放大后，被示波器采集，示波器將采集的 信號信息存儲到計算機中，計算機控制步進電機逐點移動組織樣品，對應(yīng)的組織樣品上形 成Χ-Υ二維平面掃描區(qū)域，步進電機每移動一次，示波器就進行一次信號采集；
[0012] 4)示波器采集完全部信號后，計算機將各點的信號對時間進行一次積分，得到組 織樣品表面振動位移的時間函數(shù);獲取組織樣品表面振動位移從零上升至其最大值時所需 時間，利用該時間計算各點的組織樣品定量彈性模量;根據(jù)計算的定量彈性模量，重建出組 織樣品的定量彈性二維圖像。
[0013] 作為一種優(yōu)選方案，步驟1)中，所述使超聲探測器的下端進入耦合槽的耦合液中 具體為:使超聲探測器的下端進入耦合槽的耦合液深度5-8mm處。
[0014] 作為一種優(yōu)選方案，步驟3)中，所述計算機控制步進電機逐點移動組織樣品是指： 計算機利用Labview程序控制步進電機逐點移動組織樣品；步驟4)中，所述計算機將各點的 信號對時間進行一次積分是指:計算機利用Matlab程序?qū)⒏鼽c的信號對時間進行一次積 分。
[0015] 作為一種優(yōu)選方案，步驟4)中，所述計算各點的組織樣品定量彈性模量，采用下 式：
[0017] 其中，p為生物組織密度，R為激光光斑半徑，tmax為組織樣品表面振動位移從零上 升至其最大值時所需時間。
[0018] 本發(fā)明的另一目的可以通過采取如下技術(shù)方案達到：
[0019]光聲定量彈性成像裝置，所述裝置包括光聲激發(fā)源、信號采集/傳輸/重建組件、耦 合槽、步進電機和X-Y二維掃描平臺，所述光聲激發(fā)源包括激光器和聚焦透鏡;所述信號采 集/傳輸/重建組件包括超聲探測器、放大器、示波器和計算機，所述超聲探測器、放大器、示 波器和計算機依次相連，所述計算機安裝有采集控制及信號處理系統(tǒng);所述步進電機與計 算機相連，所述X-Y二維掃描平臺放置在耦合槽中，所述耦合槽中充滿耦合液；
[0020] 測試時，組織樣品放置在X-Y二維掃描平臺上，并浸沒在耦合槽的耦合液中；所述 聚焦透鏡設(shè)置在組織樣品正上方，且聚焦透鏡的焦點不偏離組織樣品表面，所述激光器發(fā) 出的脈沖激光通過聚焦透鏡聚焦，照在組織樣品上;所述超聲探測器對準組織樣品，且超聲 探測器的下端進入耦合槽的耦合液中，接收組織樣品被激發(fā)出的光聲信號;所述計算機控 制步進電機逐點移動組織樣品。
[0021] 作為一種優(yōu)選方案，所述裝置還包括儀器固定/支撐器械組件，所述儀器固定/支 撐器械組件用于固定/支撐X-Y二維掃描平臺、聚焦透鏡以及超聲探測器。
[0022] 作為一種優(yōu)選方案，所述超聲探測器為水聽器，其響應(yīng)頻率為200KHZ-15MHZ，直徑 為1_;超聲探測器的壓電轉(zhuǎn)換部件是一厚度為28μπι的金電極聚偏二氟乙烯膜，接收光聲信 號時，該金電極聚偏二氟乙烯膜對準組織樣品。
[0023]作為一種優(yōu)選方案，所述示波器的采樣率為2.5GHz，所述計算機安裝的采集控制 及信號處理系統(tǒng)利用Labview和Matlab程序編寫而成。
[0024] 作為一種優(yōu)選方案，所述激光器發(fā)出的脈沖激光波長為400~2500nm，脈沖寬度為 1~50ns，重復(fù)頻率為1Hz~5KHz。
[0025] 作為一種優(yōu)選方案，所述耦合槽中的耦合液為水，監(jiān)測水溫，使水溫與組織樣品的 溫度保持一致。
[0026] 本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的有益效果：
[0027] 1、本發(fā)明將示波器采集的信號對時間進行一次積分，得到組織樣品表面振動位移 的時間函數(shù)，獲取組織樣品表面振動位移從零上升至其最大值時所需時間，利用該時間計 算組織定量彈性模量，與已有的相對彈性測量的方法相比，無需正常組織作為參考，具有更 高的準確性。
[0028] 2、本發(fā)明利用激光器發(fā)出脈沖激光，該脈沖激光通過聚焦透鏡聚焦，照在組織樣 品上，激發(fā)出光聲信號，從而進行進行組織彈性檢測，與傳統(tǒng)的超聲彈性檢測方法相比，具 有組織特異性和高分辨能力。
[0029] 3、本發(fā)明采用的超聲探測器為水聽器，其響應(yīng)頻率為200KHz-15MHz，直徑為1mm， 具有探測靈敏度高、無帶寬限制的優(yōu)點，從而保證了高靈敏檢測的能力。
[0030] 4、本發(fā)明的光聲定量彈性檢測的方法具備快速檢測的能力，實現(xiàn)該方法的裝置結(jié) 構(gòu)簡單、使用方便，可以廣泛應(yīng)用于組織的彈性成像中，便于產(chǎn)業(yè)化。
【附圖說明】
[0031] 圖1為本發(fā)明實施例1的光聲定量彈性成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖2為本發(fā)明實施例1的位移對時間的依賴關(guān)系曲線圖。
[0033]圖3為本發(fā)明實施例2的瓊脂樣品a的不意圖。
[0034]圖4為本發(fā)明實施例2的瓊脂樣品b的不意圖。
[0035]圖5為本發(fā)明實施例2的瓊脂樣品a的光聲圖像。
[0036]圖6為本發(fā)明實施例2的瓊脂樣品b的光聲圖像。
[0037]圖7為本發(fā)明實施例2的瓊脂樣品a的光聲彈性圖像。
[0038]圖8為本發(fā)明實施例2的瓊脂樣品b的光聲彈性圖像。
[0039]圖9為圖3和圖4虛線處的彈性模量曲線圖。
[0040] 其中，1-耦合槽，2-步進電機，3-激光器，4-聚焦透鏡，5-超聲探測器，6-放大器，7-示波器，8-計算機，9-組織樣品。
【具體實施方式】
[0041] 下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限 于此。
[0042] 實施例1:
[0043] 如圖1所示，本實施例的光聲定量彈性成像裝置包括光聲激發(fā)源、信號采集/傳輸/ 重建組件、耦合槽1、步進電機2、Χ_Υ二維掃描平臺和儀器固定/支撐器械組件（圖中未示 出），所述光聲激發(fā)源包括激光器3和聚焦透鏡4;所述信號采集/傳輸/重建組件包括超聲探 測器5、放大器6、示波器7和計算機8，所述超聲探測器5、放大器6、示波器7和計算機8依次相 連;所述示波器7的采樣率為2.5GHz;所述計算機8安裝有采集控制及信號處理系統(tǒng)，該系統(tǒng) 利用Labview和Mat lab程序編寫而成;所述步進電機2與計算機8相連，所述X-Y二維掃描平 臺放置在耦合槽1中，所述耦合槽1中充滿耦合液；
[0044] 所述超聲探測器5為水聽器，其響應(yīng)頻率為200KHz-15MHz，直徑為1mm;超聲探測器 的壓電轉(zhuǎn)換部件是一厚度為28μπι的金電極聚偏二氟乙烯膜。
[0045] 所述儀器固定/支撐器械組件用于固定/支撐Χ-Υ二維掃描平臺、聚焦透鏡4以及 超聲探測器5。
[0046] 實現(xiàn)本實施例的光聲定量彈性成像方法，主要采用以下原理：
[0047] 組織被激光照射產(chǎn)生剪切波，其方程為：
[0049] 其中，Uz為在