ζ方向即激發(fā)光線方向的位移，是剪切波位移也是組織被激勵(lì)后產(chǎn)生
為剪切波波速，μ為剪切模量，ν = μ/ρ為動(dòng)態(tài)剪切粘性系數(shù)，F(xiàn)z 為光致熱彈輻射力。在激光焦點(diǎn)位置，
，M=i3QaIQ，β〇為熱膨脹系數(shù)，α 為組織的吸收系數(shù)，Ιο為激光強(qiáng)度。r為位置自變量，R為激光光斑半徑，Φ (t)為激光強(qiáng)度隨 時(shí)間變化關(guān)系，脈沖寬度為to。
[0050] 按照常微分方程的解法，并進(jìn)行漢克爾變換得到：
[0052]上面的方程寫成格林函數(shù)的形式：
[0054]此剪切位移同時(shí)是產(chǎn)生光聲信號(hào)時(shí)生物組織表面的位移。
[0055]因?yàn)楣饴曅盘?hào)和位移之間滿足：
[0057]考慮在激光焦點(diǎn)處溫度變化為時(shí)間慢變化，通過(guò)對(duì)上式進(jìn)行分析變量：
[0059]光聲信號(hào)幅值從零變化到其最大值所經(jīng)歷時(shí)間滿足tmax = R/Ct，剪切模量μ滿足μ =P (R/tmax)2;其中，Ρ為生物組織密度，可取為1100kg/m3，通過(guò)利用彈性模量和剪切模量關(guān) 系Ε = 2μ(1+τ?)，其中，τι為生物組織泊松比，由于生物組織不可壓縮，取為0.499,從而獲得組 織的定量彈性模量大小：
[0061 ]因此，本實(shí)施例的光聲定量彈性成像方法包括以下步驟：
[0062] 1)將組織樣品9放置在X-Y二維掃描平臺(tái)上，并浸沒(méi)在耦合槽1的耦合液中；將聚焦 透鏡4設(shè)置在組織樣品9正上方，并調(diào)整聚焦透鏡4的高度使聚焦透鏡4的焦點(diǎn)不偏離組織樣 品9表面;將超聲探測(cè)器5對(duì)準(zhǔn)組織樣品9,即金電極聚偏二氟乙烯膜對(duì)準(zhǔn)組織樣品9,并使超 聲探測(cè)器5的下端進(jìn)入耦合槽1的耦合液深度約5-8_處中，耦合液為水，監(jiān)測(cè)水溫，使水溫 與組織樣品9的溫度保持一致；
[0063] 2)激光器3發(fā)出脈沖激光，發(fā)出的脈沖激光波長(zhǎng)為400~2500nm，脈沖寬度為1~ 50ns，重復(fù)頻率為1Hz~5KHz，該脈沖激光通過(guò)聚焦透鏡4聚焦，照在組織樣品9上，激發(fā)出光 聲信號(hào)，光聲信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合槽1的耦合液后被超聲探測(cè)器5接收；
[0064] 3)超聲探測(cè)器5接收的光聲信號(hào)經(jīng)放大器6放大后，被示波器7采集，示波器7將采 集的信號(hào)信息存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)8中，計(jì)算機(jī)8利用Labview程序控制步進(jìn)電機(jī)2逐點(diǎn)移動(dòng)組織樣 品9,對(duì)應(yīng)的組織樣品9上形成X-Y二維平面掃描區(qū)域，步進(jìn)電機(jī)2每移動(dòng)一次，示波器7就進(jìn) 行一次?目號(hào)米集；
[0065] 4)示波器7采集完全部信號(hào)后，計(jì)算機(jī)8利用Matlab程序?qū)⒏鼽c(diǎn)的信號(hào)對(duì)時(shí)間進(jìn)行 一次積分，得到組織樣品表面振動(dòng)位移的時(shí)間函數(shù);獲取組織樣品表面振動(dòng)位移從零上升 至其最大值時(shí)所需時(shí)間，如圖2所示，圖中給出了四種位移隨著時(shí)間的變化關(guān)系，不同的彈 性模量，位移到達(dá)最大值所需的時(shí)間是不相同的；通過(guò)上述式(6)，利用該時(shí)間計(jì)算各點(diǎn)的 組織樣品定量彈性模量;根據(jù)計(jì)算的定量彈性模量，重建出組織樣品的定量彈性二維圖像。 [0066] 實(shí)施例2:
[0067]本實(shí)施例是利用瓊脂樣品進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，主要包括以下步驟：
[0068] 1)在濃度為20g/L的瓊脂中加入10%的墨水做成方形樣品，在它中間做成濃度為 15g/L的瓊脂并加入3%的墨水做成方圓形樣品，這形成了圖3中的瓊脂樣品a;在濃度為 30g/L的瓊脂中加入10%的墨水做成方形樣品，在它中間做成濃度為25g/l的瓊脂并加入 3%的墨水做成方圓形樣品，這形成了圖4中的瓊脂樣品b;
[0069] 2)啟動(dòng)激光器，輸出脈沖激光波長(zhǎng)為532nm，脈寬為10ns，重復(fù)頻率是15Hz ;該脈沖 激光通過(guò)聚焦透鏡聚焦后照射在瓊脂樣品a和b上，瓊脂樣品a和b被激發(fā)出光聲信號(hào)，光聲 信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合槽中的耦合液后被超聲探測(cè)器接收；
[0070] 3)超聲探測(cè)器接收的光聲信號(hào)經(jīng)放大器放大后，將其傳輸?shù)绞静ㄆ鬟M(jìn)行數(shù)據(jù)采 集，示波器再將數(shù)據(jù)傳輸并存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)對(duì)應(yīng)的在樣品上形成掃 描區(qū)域；
[0071] 4)采集完全部信號(hào)后，對(duì)采集的數(shù)據(jù)先歸一化，然后用最大值投影法和彈性投影 法重建光聲圖像和光聲彈性圖像，圖5和圖6分別是瓊脂樣品a和b的光聲圖像，可以看出，顯 示的背景瓊脂光聲成像幾乎沒(méi)有對(duì)比度，中間圓形區(qū)域的光聲成像也幾乎沒(méi)有對(duì)比度；圖7 和圖8分別是瓊脂樣品a和b的光聲彈性圖像，可以看出，顯示的光聲彈性圖像則顯示大的對(duì) 比度，這說(shuō)明了光聲彈性成像的必要性；圖9中的a和b分別顯示的是圖3和圖4虛線處瓊脂樣 品的彈性值，可以看出彈性值的明顯變化。
[0072] 綜上所述，本發(fā)明提出了一種新的組織定量彈性模量測(cè)量方法，與已有的相對(duì)彈 性測(cè)量的方法相比，無(wú)需正常組織作為參考，具有更高的準(zhǔn)確性;利用聚焦激光進(jìn)行組織彈 性檢測(cè)，與傳統(tǒng)的超聲彈性檢測(cè)方法相比，具有組織特異性和高分辨能力;采用的超聲探測(cè) 器為水聽器，具有探測(cè)靈敏度高、無(wú)帶寬限制的優(yōu)點(diǎn)，從而保證了高靈敏檢測(cè)的能力。
[0073] 以上所述，僅為本發(fā)明專利較佳的實(shí)施例，但本發(fā)明專利的保護(hù)范圍并不局限于 此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明專利所公開的范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明專利的技 術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都屬于本發(fā)明專利的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 光聲定量彈性成像方法，其特征在于:所述方法包括W下步驟： 1) 將組織樣品放置在X-Y二維掃描平臺(tái)上，并浸沒(méi)在禪合槽的禪合液中；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(diǎn)不偏離組織樣品表面;將 超聲探測(cè)器對(duì)準(zhǔn)組織樣品，并使超聲探測(cè)器的下端進(jìn)入禪合槽的禪合液中； 2) 激光器發(fā)出脈沖激光，該脈沖激光通過(guò)聚焦透鏡聚焦，照在組織樣品上，激發(fā)出光聲 信號(hào)，光聲信號(hào)經(jīng)過(guò)禪合槽的禪合液后被超聲探測(cè)器接收； 3) 超聲探測(cè)器接收的光聲信號(hào)經(jīng)放大器放大后，被示波器采集，示波器將采集的信號(hào) 信息存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)逐點(diǎn)移動(dòng)組織樣品，對(duì)應(yīng)的組織樣品上形成X-Y 二維平面掃描區(qū)域，步進(jìn)電機(jī)每移動(dòng)一次，示波器就進(jìn)行一次信號(hào)采集； 4) 示波器采集完全部信號(hào)后，計(jì)算機(jī)將各點(diǎn)的信號(hào)對(duì)時(shí)間進(jìn)行一次積分，得到組織樣 品表面振動(dòng)位移的時(shí)間函數(shù);獲取組織樣品表面振動(dòng)位移從零上升至其最大值時(shí)所需時(shí) 間，利用該時(shí)間計(jì)算各點(diǎn)的組織樣品定量彈性模量;根據(jù)計(jì)算的定量彈性模量，重建出組織 樣品的定量彈性二維圖像。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光聲定量彈性成像方法，其特征在于:步驟1)中，所述使超聲 探測(cè)器的下端進(jìn)入禪合槽的禪合液中具體為:使超聲探測(cè)器的下端進(jìn)入禪合槽的禪合液深 度5-8mm處。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光聲定量彈性成像方法，其特征在于:步驟3)中，所述計(jì)算機(jī) 控制步進(jìn)電機(jī)逐點(diǎn)移動(dòng)組織樣品是指:計(jì)算機(jī)利用Labview程序控制步進(jìn)電機(jī)逐點(diǎn)移動(dòng)組 織樣品；步驟4)中，所述計(jì)算機(jī)將各點(diǎn)的信號(hào)對(duì)時(shí)間進(jìn)行一次積分是指:計(jì)算機(jī)利用Matlab 程序?qū)⒏鼽c(diǎn)的信號(hào)對(duì)時(shí)間進(jìn)行一次積分。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光聲定量彈性成像方法，其特征在于:步驟4)中，所述計(jì)算各 點(diǎn)的組織樣品定量彈性模量，采用下式：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(dòng)位移從零上升至 其最大值時(shí)所需時(shí)間。5. 光聲定量彈性成像裝置，其特征在于:所述裝置包括光聲激發(fā)源、信號(hào)采集/傳輸/重 建組件、禪合槽、步進(jìn)電機(jī)和X-Y二維掃描平臺(tái)，所述光聲激發(fā)源包括激光器和聚焦透鏡;所 述信號(hào)采集/傳輸/重建組件包括超聲探測(cè)器、放大器、示波器和計(jì)算機(jī)，所述超聲探測(cè)器、 放大器、示波器和計(jì)算機(jī)依次相連，所述計(jì)算機(jī)安裝有采集控制及信號(hào)處理系統(tǒng);所述步進(jìn) 電機(jī)與計(jì)算機(jī)相連，所述X-Y二維掃描平臺(tái)放置在禪合槽中，所述禪合槽中充滿禪合液； 測(cè)試時(shí)，組織樣品放置在X-Y二維掃描平臺(tái)上，并浸沒(méi)在禪合槽的禪合液中；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(diǎn)不偏離組織樣品表面，所述激光器發(fā)出的 脈沖激光通過(guò)聚焦透鏡聚焦，照在組織樣品上;所述超聲探測(cè)器對(duì)準(zhǔn)組織樣品，且超聲探測(cè) 器的下端進(jìn)入禪合槽的禪合液中，接收組織樣品被激發(fā)出的光聲信號(hào);所述計(jì)算機(jī)控制步 進(jìn)電機(jī)逐點(diǎn)移動(dòng)組織樣品。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光聲定量彈性成像裝置，其特征在于: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(tái)、聚焦透 鏡w及超聲探測(cè)器。7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的光聲定量彈性成像裝置，其特征在于:所述超聲探測(cè)器為 水聽器，其響應(yīng)頻率為200Ifflz-15MHz，直徑為1mm;超聲探測(cè)器的壓電轉(zhuǎn)換部件是一厚度為 2祉m的金電極聚偏二氣乙締膜，接收光聲信號(hào)時(shí)，該金電極聚偏二氣乙締膜對(duì)準(zhǔn)組織樣品。8. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的光聲定量彈性成像裝置，其特征在于:所述示波器的采樣 率為2.5G化，所述計(jì)算機(jī)安裝的采集控制及信號(hào)處理系統(tǒng)利用Labview和Matlab程序編寫 而成。9. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的光聲定量彈性成像裝置，其特征在于:所述激光器發(fā)出的 脈沖激光波長(zhǎng)為400~2500nm，脈沖寬度為1~50ns，重復(fù)頻率為IHz~51(化。10. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的光聲定量彈性成像裝置，其特征在于:所述禪合槽中的禪 合液為水，監(jiān)測(cè)水溫，使水溫與組織樣品的溫度保持一致。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光聲定量彈性成像方法及裝置，所述方法包括：激光器發(fā)出脈沖激光，該脈沖激光通過(guò)聚焦透鏡聚焦，照在組織樣品上，激發(fā)出光聲信號(hào)，光聲信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合槽的耦合液后被超聲探測(cè)器接收；超聲探測(cè)器接收的光聲信號(hào)經(jīng)放大器放大后，被示波器采集，將信號(hào)信息存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)逐點(diǎn)移動(dòng)組織樣品，對(duì)應(yīng)的組織樣品上形成X-Y二維平面掃描區(qū)域；示波器采集完全部信號(hào)后，計(jì)算機(jī)計(jì)算各點(diǎn)的組織樣品定量彈性模量；根據(jù)計(jì)算的定量彈性模量，重建出組織樣品的定量彈性二維圖像；所述裝置包括光聲激發(fā)源、信號(hào)采集/傳輸/重建組件、耦合槽、步進(jìn)電機(jī)和X-Y二維掃描平臺(tái)。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損、高分辨的組織彈性定量測(cè)量和成像。
【IPC分類】G01N21/17
【公開號(hào)】CN105572049
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510944323
【發(fā)明人】楊思華, 楊芬, 石玉嬌, 邢達(dá)
【申請(qǐng)人】華南師范大學(xué)
【公開日】2016年5月11日
【申請(qǐng)日】2015年12月16日