CN105078412A - 基于光声谱分析的组织弹性分析方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种基于光声谱分析的组织弹性分析装置，包括：激光光源系统、信号采集系统和数据分析系统；其中：激光光源发射激光到样品组织表面；信号采集系统采集样品组织表面经激光照射后产生的光声信号，并将其发送到数据分析系统；数据分析系统对该光声信号进行处理，分析其组织弹性模量。通过该装置，能够准确地测量分析样品的组织弹性。

Description

基于光声谱分析的组织弹性分析方法与装置

技术领域

本发明涉及一种生物组织弹性检测技术和相应检测装置，特别涉及一种应用光声信号的新用途。

背景技术

肿瘤组织在由早期到晚期的生长过程中，组织的弹性特性逐渐发生变化；触诊是最为常用和有效地评价组织弹性特性的简单方法，也是评价肿瘤等疾病的基本方法之一，如乳腺癌的触诊，淋巴结的触诊等。在临床上组织在不同的生理状态时，人体内生物组织的物理特性有较大的区别，如：随着年龄的增长血管的弹性也发生硬化等弹性变化。通过对早期生物组织的弹性的检测可以对一些疾病进行早期的预防和治疗，例如通过对早期的浅表处小血管进行光声弹性成像，可以及时发现血管的硬度变化问题，从而对血管硬度变化更早的进行预防和治疗。

总结当前对组织的弹性模量的测量方式共有以下两类：一类是经典的力学测量法，即从应力和应变曲线确定弹性模量，这种分析方法比较简单，但是精确度较低；一类是声学测量法，利用超声共振对组织弹性进行测量，采用不同频率的超声波对组织进行照射，并在频率上扫描，根据组织的共振特性确定其固有频率，进而判断其弹性模量；超声共振探测方式需要估测样品的固有频率范围，而且需时刻监测对应频率下组织的振动幅度。所以，对组织弹性模量的测量方式仍有很大的发展空间。

发明内容

本发明是采用一种新的方式对组织的弹性特性进行测量，在理论上使用一定波长的脉冲激光照射生物组织，生物组织吸收光的能量后，在组织内产生热，热能发生受迫振荡，因为激光脉冲时间很短(ns量级的照射时间)，单个脉冲时间内被照射区域组织形成了瞬间的热膨胀压力场，重复的激光脉冲照射，形成了组织的受迫振荡，以波的形式向外传播，探测到的信号转变为有阻尼自由衰减振荡，根据采集到的光声信号的频谱得到组织的固有振荡频率。其频率与组织的弹性特性的关系为：(k表示组织弹性系数，m表示样品质量，f表示组织的固有振荡频率)。在得到的振动波形后作频谱分析，可以得到包含了组织弹性模量变化引起的固有频率变化，在功率谱信息中也包含了各频段能量的变化。所以，本发明的装置利用现有装置不但成功扩展了光声信号的新应用，也进一步验证了声信号与组织物理特性之间的理论联系。首先根据光声效应获得相应组织的光声信号，其次对采集到的光声信号进行放大滤波处理并得出其光声谱，最后根据光声频谱上组织的固有频率参数对组织的弹性模量进行分析。

本发明的技术方案是:基于光声谱分析的组织弹性评价方式与装置，包括脉冲激光光源系统、信号采集系统、数据分析系统；包括光纤、透镜激光光源系统对发射出的激光进行校正、聚焦并照射到样品组织表面；信号采集系统通过水听器接收光声信号，并经过放大处理，再利用数据采集卡(DAQ)采集数据；数据分析系统在计算机(PC)端对光声信号进行各种处理，采用相关原理分析其组织弹性模量。

所述激光源系统包括Nd:YAG泵浦的OPO脉冲激光、光纤、准直透镜和聚焦透镜，脉冲激光通过光纤传播，通过光纤出射的激光经过准直透镜准直成平行光，平行光继续通过聚焦透镜聚焦后照射在样品组织上。

所述的信号采集系统包括水听器、前置放大器、DAQ，水听器接收脉冲激光照射到样品组织产生的光声信号，获得的微弱声信号经过前置放大器放大，并利用DAQ采集信号并保存其数据值。

所述的数据分析系统包括PC端，DAQ采集到的信号可以在PC端显示、处理，可通过PC端对信号分析处理得到光声信号，并对其做傅立叶变换和功率谱分析，得到光声信号的频域参数特征。

本发明的有益成果在于使用一种新方式对组织的弹性进行评价，也是光声信号的一种新应用。

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一种基于光声谱分析的组织弹性分析装置，包括：

激光光源系统、信号采集系统和数据分析系统；其中：

激光光源系统发射激光到样品组织表面；

信号采集系统采集样品组织表面经激光照射后产生的光声信号，并将其发送到数据分析系统；

数据分析系统对该光声信号进行处理，分析其组织弹性模量。

所述的基于光声谱分析的组织弹性分析装置，

所述激光光源系统包括：激光源，光纤，光纤出口，准直透镜，聚焦透镜；其中：

激光源发出的激光经光纤传导后由光纤出口导出，经过准直透镜准直之后由聚焦透镜聚焦后激光焦点聚焦于样品表面。

所述的基于光声谱分析的组织弹性分析装置，

所述信号采集系统包括：水听器，前置放大器、数据采集卡、水槽；其中：

浸泡在水槽水中的样品经过激光照射后产生光声信号，水听器接收该光声信号，前置放大器放大水听器接收的该光声信号，该放大后的信号通过光纤传导到数据采集卡，数据采集卡采集该光声信号并将其发送给数据分析系统。

所述的基于光声谱分析的组织弹性分析装置，其中：

所述的数据分析系统，对数据采集卡采集到的信号进行保存，对该信号进行频谱分析以确定样品的固有振荡频率。

所述的基于光声谱分析的组织弹性分析装置，其中：所述数据分析系统包括PC端，对数据采集卡采集到的信号进行保存，对该信号进行频谱分析以确定样品的固有振荡频率，进而计算其弹性模量。

所述的基于光声谱分析的组织弹性分析装置，其中数据分析系统确定样品的固有振荡频率，进而计算其弹性模量。

一种基于光声谱分析的组织弹性分析方法，包括以下步骤：

发射激光到样品组织表面；

采集样品组织表面经激光照射后产生的光声信号，并发送该信号；

接受该光声信号并对其进行处理，分析样品的组织弹性模量。

所述的基于光声谱分析的组织弹性分析方法，其中：

浸泡在水槽水中的样品经过激光照射后产生光声信号，接收该光声信号，放大该接收的该光声信号，采集该放大后的信号并发送该信号。

所述的基于光声谱分析的组织弹性分析方法，其中：

接收该发送的信号并进行保存，对该信号进行频谱分析以确定样品的固有振荡频率。

所述的基于光声谱分析的组织弹性分析方法，确定样品的固有振荡频率后，进而计算其弹性模量。

附图说明

图1是本发明基于光声谱分析的组织弹性模量分析装置示意图；

图2是本发明装置采用样品实验所采集到的信号示意图；

图3是从已获得信号中提取到的光声信号示意图；

图4是本发明装置获得到的光声信号的频谱图。

具体实施方式

如图1所示是基于光声谱分析的组织弹性模量分析装置，本发明包括：激光源系统；信号采集系统；数据分析系统。激光源系统聚焦后的激光照射到样品组织上产生光声信号，信号采集系统接受并存储产生的光声信号，同时同步数据到数据分析系统，由数据分析系统对数据进行各种操作处理。

所述激光源系统包括：激光源1，光纤2，光纤出口3，准直透镜4，聚焦透镜5。该系统激光源采用的是Nd:YAG泵浦的OPO脉冲激光，光功率达到80mJ/脉冲,根据吸收组织的特性采用一定段的波长，一般为690nm-900nm，波长影响信号强度，但不影响组织光声信号的固有振荡频率。激光源1发出的激光经光纤2传导后由光纤出口3导出，经过准直透镜4准直之后由聚焦透镜5聚焦后激光焦点聚焦于样品6表面。分别通过调整准直透镜、聚焦透镜使得激光被准直、聚焦，最后使得焦点处于样品6表面。

所述信号采集系统包括：水听器和前置放大器7、数据采集卡(DAQ)8、水槽10，样品6浸泡在水槽的水中。所述的信号采集系统，浸泡在水中的样品6经过激光照射后产生微弱的光声信号，在尽量减少其他信号干扰的前提下，根据PC端9显示的信号图形调整水听器和放大器位置，选取合适的位置并固定，DAQ8同时连接激光源以获得激光的脉冲激发信号，根据激光脉冲信号识别光声信号，如图2所示第一个N形波即为光声信号，截取得到图3。

浸泡在水中的样品6经过激光照射后产生光声信号，水听器接收该光声信号，前置放大器放大该光声信号，该信号通过光纤传导到数据采集卡8，数据采集卡8采集该光声信号并将其转换成数字信号发送给PC端。

所述的数据分析系统，包括PC端9，PC端为一台通用计算机，编写Labview程序驱动数据采集卡8采集信号，并对采集到的数据进行自动保存；其次采用Matlab软件读取采集到的数据，并对数据进行频谱分析其固有振荡频率，如图4是图3中光声信号的频谱图。弹性模量计算过程如下：

$E=\frac{F/S}{\mathrm{\Δ}h/h}=\frac{k*\mathrm{\Δ}h/S}{\mathrm{\Δ}h/h}=\frac{kh}{S}---\left(1\right)$

E表示弹性模量，F表示压力，S表示受力面积，h表示样品厚度，Δh表示样品厚度变化量，k表示弹性系数；

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{m}}---\left(2\right)$

f表示样品固有振荡频率，m表示被照射区域质量；

由(2)式可得k的表达式；

k＝4π²f²m(3)

m＝ρsh(4)

ρ表示样品密度，S表示样品表面积，h表示样品厚度；

把式(3)(4)带入式(1)可得：

E＝4π²ρf²h²(5)

1、通过相关实验器材测量样品密度ρ、厚度h；

2、预估计样品的频率范围，采用复调制ZOOM-FFT(简称ZFFT)算法确定该频率范围内各频率分量，进而确定样品的固有振荡频率f；

3、根据公式(5)和已知相关量得出样品弹性模量E。

Claims (10)

1.一种基于光声谱分析的组织弹性分析装置，包括：

激光光源系统、信号采集系统和数据分析系统；其中：

激光光源系统发射激光到样品组织表面；

信号采集系统采集样品组织表面经激光照射后产生的光声信号，并将其发送到数据分析系统；

数据分析系统对该光声信号进行处理，分析样品的组织弹性模量。

2.根据权利要求1所述的基于光声谱分析的组织弹性分析装置，所述激光光源系统包括：激光源，光纤，光纤出口，准直透镜，聚焦透镜；其中：

激光源发出的激光经光纤传导后由光纤出口导出，经过准直透镜准直之后由聚焦透镜聚焦后激光焦点聚焦于样品表面。

3.根据权利要求1或2所述的基于光声谱分析的组织弹性分析装置，其中：

所述信号采集系统包括：水听器，前置放大器、数据采集卡、水槽；其中：

浸泡在水槽水中的样品经过激光照射后产生光声信号，水听器接收该光声信号，前置放大器放大水听器接收的该光声信号，该放大后的信号通过光纤传导到数据采集卡，数据采集卡采集该光声信号并将其发送给数据分析系统。

4.根据权利要求1或3所述的基于光声谱分析的组织弹性分析装置，其中：

所述的数据分析系统，对数据采集卡采集到的信号进行保存，对该信号进行频谱分析以确定样品的固有振荡频率。

5.根据权利要求4所述的基于光声谱分析的组织弹性分析装置，其中：所述数据分析系统包括PC端，对数据采集卡采集到的信号进行保存，对该信号进行频谱分析以确定样品的固有振荡频率，进而计算其弹性模量。

6.根据权利要求4所述的基于光声谱分析的组织弹性分析装置，其中：所述数据分析系统确定样品的固有振荡频率，进而计算其弹性模量。

7.一种基于光声谱分析的组织弹性分析方法，包括以下步骤：

发射激光到样品组织表面；

采集样品组织表面经激光照射后产生的光声信号，并发送该信号；

接受该光声信号并对其进行处理，分析样品的组织弹性模量。

8.根据权利要求7所述的基于光声谱分析的组织弹性分析方法，其中：

浸泡在水槽水中的样品经过激光照射后产生光声信号，接收该光声信号，放大该接收的该光声信号，采集该放大后的信号并发送采集到的该信号。

9.根据权利要求7或8所述的基于光声谱分析的组织弹性分析方法，其中：

接收该发送的信号并进行保存，对该信号进行频谱分析以确定样品的固有振荡频率。

10.根据权利要求9所述的基于光声谱分析的组织弹性分析方法，确定样品的固有振荡频率后，进而计算其弹性模量。