CN107174205A - 光声断层层析成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光声断层层析成像系统。通过在激光器及需要进行成像的生物样本之间设置一个具有透光反声特性的透光反声件装置透光反声件使得所述激光器发出的激光脉冲透过所述透光反声件声装置并照射到所述生物样本上，所述生物样本受激产生的光声信号将沿所述激光脉冲传输方向原路返回并经所述透光反声件反射后，被超声换能器接收。从而实现所述激光脉冲传输路径与光声信号传播路径共轴，进而透光反声件大幅提高了所述光声断层层析成像系统的探测效率，因此可保证获得高信噪比的光声信号，使得所述生物样本的成像更加的清晰准确。
Description
技术领域
本发明涉及光声成像和医疗诊断领域，尤其涉及一种光声断层层析成像系统。
背景技术
光声成像是指用短脉冲激光辐照生物样本时，生物样本吸收脉冲光能量后因瞬时热膨胀而产生超声波。这种由光激发产生的超声信号即为声光信号。所述声光信号携带了所述生物样本不同位置的光吸收特征信息。利用超声换能器或探头接收此超声信号，通过计算机对所述超声信号进行处理来重建生物样本中不同位置对光吸收的分布图像。
目前，现有的光声断层层析成像系统中，激光器一般是在垂直于生物样本进行照射，超声换能器在所述生物样本的周围进行信号接收，从而会导致激光脉冲传输路径与超声信号传播路径不共轴，使得探测的信号效率低、信噪比差，从而影响成像的准确性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种光声断层层析成像系统，实现激光脉冲传输路径与光声信号传播路径共轴，从而使探测得到的光声信号更为的准确。
本申请所述的一种光声断层层析成像系统，用于对生物样本进行成像分析。所述光声断层层析成像系统包括承载件、激光器、光学传导组件、透光反声件、超声换能器及成像处理系统。所述承载件承载所述生物样本；所述激光器发出光线，所述光线经过所述光学传导组件进行调整并透过所述透光反声件照射至所述生物样本上；所述透光反声件的侧壁与水平面呈角度设置，且所述透光反声件能够使光线透过并反射声信号；所述超声换能器朝向所述透光反声件的侧壁上朝向所述生物样本的一侧设置；所述成像处理系统与所述超声换能器连接。
其中，所述透光反声件为一片或多片透光反声片，或者所述透光反声件为透光反声罩；所述透光反声件为多片透光反声片时，多片所述透光反声片环绕所述生物样本设置。
其中，所述成像处理系统内置有基于压缩感知的重建算法系统。
其中，所述光学传导组件包括光纤及透镜，所述光纤为多根，每根所述光纤包括进光口及出光口，所述光纤进光口与所述激光器相连，多根所述光纤的所述出光口均正对所述透光反声件；所述透镜有多组，所述透镜的组数与所述光纤的数量相同，每组所述光学透镜位于所述光纤的所述出光口与所述透光反声件之间，通过所述透镜对光线进行调整。
其中，所述光学传导组件包括反光镜及透镜，所述反光镜及所述透镜设于所述激光器及所述透光反声件之间，且所述透镜靠近所述透光反声件，通过所述反光镜改变所述光线的方向以使所述光线进行空间光路传导，通过所述透镜对光线进行调整。
其中，所述超声换能器为一个或多个单体超声换能器或者阵列超声换能器；所述超声换能器为多个单体超声换能器时，所述多个单体超声换能器均匀环绕设置。
其中，所述阵列超声换能器为环形超声换能器，所述环形超声换能器的中心正投影与所述载物台上。
其中，所述成像处理系统包括超声收发仪、数据采集卡以及与所述数据采集卡电连接的图像处理终端，所述数据卡连接与所述超声收发仪电连接，所述超声收发仪与所述超声换能器连接。
其中，所述成像处理系统还包括控制模块，所述控制模块与所述激光器电连接，所述控制模块包括运动控制卡及与所述运动控制卡电连接的电控位移平台，所述电控位移平台包括平移平台及旋转平台，所述平移平台与所述承载件机械连接，并控制所述承载件进行垂直方向的移动，所述旋转平台与所述超声换能器机械连接，并控制所述超声换能器围绕成像轴心运动。
其中，所述光声断层层析成像系统还包括水槽，所述水槽内填充有超纯水或去离子水，所述透光反声件位于所述水槽内。
本发明的所述光声断层层析成像系统通过在所述激光器及需要进行成像的生物样本之间设置一个具有透光反声特性的透光反声件，并朝向所述透光反声件的设置所述超声换能器。所述激光器发出的激光脉冲穿过所述透光反声件并照射到所述生物样本上，所述生物样本产生的超声信号沿所述激光脉冲传输方向原路返回并进行传播，从而实现所述激光脉冲传输路径与超声信号传播路径共轴。所述生物样本产生的光声信号经过所述透光反声件后反射，大部分被所述超声换能器接收，大幅提高了探测效率，从而保证获得更高信噪比的光声信号，使得所述生物样本的成像更加的清晰准确。
附图说明
为更清楚地阐述本发明的构造特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对其进行详细说明。
图1是本发明的所述光声断层层析成像系统的结构关系示意图；
图2是本发明的所述光声断层层析成像系统的俯视图；
图3是本发明的所述光声断层层析成像系统的主视图。
具体实施例
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供一种光声断层层析成像系统，用于对生物样本进行成像。其中，所述生物样本可以为小型生物，如小鼠、植物等，或者也可以为生物体的部分位置，如手、脑等，或者为从动物体身上切除的活检标本或培养基中生长的物质等。
请参阅图1、图2及图3，本实施例中提供一种光声断层层析成像系统100，用于对生物样本进行成像。所述光声断层层析成像系统100包括透光反声件10、激光器(图中未示出)、光学传导组件30、多个超声换能器40、成像处理系统(图中未示出)及用于承载并固定所述生物样本的承载件60。所述激光器20用于向所述生物样本上发送激光脉冲，即所述激光器20发出带有激光脉冲的光线，所述光线通过所述光学传导组件30进行调整并透过所述透光反声件10照射于所述生物样本的上。所述超声换能器40位于所述透光反声件10的一侧。
所述透光反声件10由具有高透光率及高反声率的材料制成，用于实现透光反声的效果。本实施例中，所述透光反声件10由石英材料制成。本实施例中，所述透光反声件10为透光反声罩，即所述透光反声件10为透光反声材料制成的罩体。具体的，本实施例中所述透光反声件10为圆台形的罩体。所述透光反声件10包括一侧壁11，所述侧壁11包括内壁及外壁。其中，所述侧壁11的所述外壁与水平面呈一定夹角设置，所述夹角大于0°小于90°。本实施例中，优选所述外壁与水平面形成的夹角为45°。利用所述透光反声件10的透光反声的效果，实现所述光声断层层析成像系统100的光声同轴，从而得到所述生物样本的清晰准确的图像。可以理解的是，所述透光反声件10还可以为其它的结构。例如，所述透光反声件10可以为一片或者多片透光反声片。当所述透光反声件10为多片所述透光反声片时，多片所述透光反声片间隔围绕所述生物样本设置。
所述激光器20用于提供激光脉冲。通过将所述激光脉冲照射到生物样本表面，所述生物样本的不同位置吸收不同强度的所述激光脉冲所携带的脉冲能量，并根据在能量吸收位置产生不同的光声信号。本实施例中，所述激光器为OPO激光器。
所述光学传导组件30用于对所述激光器20发出的光线进行传导或者对光线的集中度进行调整。本实施例中，所述光学传导组件30包括光纤31及透镜32。所述光纤31为多根，每根所述光纤31的一端有进光口，另一端有出光口，所述光纤31的所述进光口一端连接所述激光器20，所述激光器20发出的激光脉冲经所述光纤31的进光口进入，并在所述光纤31中进行传输，从所述出光口出射。其中，每根所述光纤31的从所述进光口进入的进光能量及从所述出光口出光的出光能量相同且均匀。多根所述光纤31的所述出光口均正对所述反声罩10且多根所述光纤31的所述出光口均匀围绕所述透光反声件10。并且，多根所述光纤31的所述出光口位于同一水平面。本实施例中，多根所述光纤31由同一根主光纤(图中未示出)分出，且所述主光纤(图中未示出)与所述激光器20相连接。具体的，所述主光纤内有多根规格相同的光纤束，所述光纤束均分成多根所述光纤31。所述激光器20发出的激光脉冲经由所述主光纤并分别传递至各个所述光纤31，并最终通过所述光纤31出光，所述光纤31的出射光线穿过所述透光反声件10并照射至所述生物样本的表面。并且，每根所述光纤31出射的激光脉冲的强度相同，多根所述光纤31从所述出光口出射的光线穿过所述透光反声件10照射至所述生物样本的表面，且多根所述光纤31的出射光线围绕所述生物样本并在所述生物样本的表面待成像位置的水平方向实现360°圆周均匀分布。本实施例中，所述光纤31为8根。可以理解的是，所述光纤31的数量需要根据生物样本的大小及对脉冲能量的不同要求而进行变化。
所述透镜32位于所述光纤31的出光口与所述透光反声件10之间。所述透镜32的数量与所述光纤31的数量相同，且每组所述透镜32均位于与其相对的一根所述光纤31与所述透光反声件10之间。并且，所述透镜32每组所述透镜32均与一个所述光纤31相对应，并且，所述每组所述光学透镜70的轴与所述激光脉冲传输方向相同。每组所述透镜32包括一个平凸透镜321及一个柱面透镜322，所述平凸透镜321靠近所述光纤31的出光口，所述柱面透镜322靠近所述透光反声件10。所述光纤31的传输的激光脉冲穿过所述透镜32并照射到所述生物样本的表面。通过所述透镜32的聚光作用，使得所述激光脉冲在所述生物样本表面进行汇聚，以达到更好的光激发效果，从而使得获得的更加强并准确的光声信号。
在本发明另一实施例中，所述光学传导组件30包括反光镜及透镜。所述反光镜及所述透镜设于所述激光器20及所述透光反声件10之间，且所述透镜靠近所述透光反声件10。所述反光镜设于所述激光器20发出的光线的光路上，通过所述反光镜的反射作用，改变所述光线的传播方向，以使所述光线进行空间光路传导照射至所述生物样本上。所述透镜用于对所述光线的光线集中度进行调整，以达到最佳的光线照射状态。
所述超声换能器40朝向所述透光反声件10的内壁设置，且所述超声换能器40的中轴线与穿过所述透光反声件10的光线相交于所述透光反声件10上，且所述所述超声换能器40的中轴线与穿过所述透光反声件10的光线的对称轴垂直于所述透光反声件的平面。所述超声换能器40用于接收从所述生物样本发出并经所述透光反声件10反射而来的超声信号，并且，将所述超声信号转换成电信号进行进一步传送。具体的，所述激光器20发出带有激光脉冲的光线透过所述透光反声件10照射至所述生物样本上，所述生物样本接收所述激光脉冲进而反馈出超声波信号，所述超声波信号沿所述光线的光路返回，并被所述透光反声件10反射。
所述超声换能器40可以为一个或多个单体超声换能器，或者为阵列超声换能器。当所述超声换能器40为一个或多个单体超声换能器时，所述超声换能器40需要围绕所述生物样本进行转动，从而能够接受所述生物样本各个位置发出的光声信号。并且，所述多个单体超声换能器均匀环绕设置，从而能够减少每个所述单体超声换能器的旋转位移，进而提高光声信号的获取效率。进一步的，当所述超声换能器40为一个或多个单体超声换能器，所述透光反声件10为单个或多个透光反声片时，所述透光反声件10与所述超声换能器40一一对应，所述超声换能器40接收所述透光反声件10所反射的超声信号。
所述超声换能器40可以为环形超声换能器，所述环形超声换能器的中心正投影与所述载物台上。从而使得所述超声换能器40不需要围绕所述生物样本转动即可得到所述生物样本各个位置的光声信号，进而进一步提高光声信号的获取效率。进一步的，当所述超声换能器40为环形超声换能器时，所述超声换能器40能够接收所述生物样本各个位置反馈的超声信号，此时，所述超声换能器40不需要围绕所述生物样本进行转动。此时，若所述透光反声件10为单个或多个透光反声片，所述透光反声件10与所述超声换能器40需要围绕所述样本转动，以将所述生物样本产生的超声信号进行反射至所述超声换能器40。
本实施例中，所述超声换能器40为单体超声换能器，且其个数为2个，均匀的分布于所述生物样本60的周围，以更好的获取所述生物样本发出的光声信号。可以理解的是，所述超声换能器40的个数可以根据实际需要进行变化，例如可以为3个、4个等。在一定范围内，所述超声换能器40的个数越多，对所述生物样本的光声信号采集速率越快。多个所述超声换能器40均位于所述透光反声件10的上方并朝向所述透光反声件10的所述内壁。所述生物样本发出的超声波信息经过所述侧壁11的反射后正好被所述超声换能器40接收，从而使得所述超声换能器40接收到的超声波信号在所述生物样本表面的出射方向与所述激光脉冲的出射方向是相同的，使得所述激光脉冲传输路径与光声信号传播路径共轴，从而获得清晰且准确的生物样本图像。可以理解的是，所述超声换能器40的位置根据所述透光反声件10的所述侧壁11与水平方向的夹角进行相应变化，从而保证能够尽可能多的接受所述透光反声件10反射来的光声信号。
所述成像处理系统包括超声收发仪51、数据采集卡52、图像处理终端53及控制模块。其中，所述超声收发仪51与所述超声换能器40电连接，所述数据采集卡52与多个所述超声收发仪51进行电连接，所述图像处理终端53与所述数据采集卡52电连接，所述控制模块又与所述激光器20电连接。
所述超声收发仪51接收与所述超声转换器40传送的电信号，并将得到的所述电信号进行放大、滤波等作用，使得得到的信号更加的清晰。所述超声收发仪51将处理后的电信号发送至所述数据采集卡52。可以理解的是，所述成像处理系统还可以包括示波器，所述示波器与所述超声收发仪连接，所述超声收发仪51也可以直接将处理后的电信号直接发送至示波器53，通过所述示波器53的示波作用，可以显示在所述生物样本不同位置在由于吸收激光脉冲能量的不同而得到的不同强度的声波信号，从而判断所述生物样本不同位置的不同形态。
所述采集卡52采集所述超声收发仪51的发来的所述处理后的电信号，并将所述电信号传输至所述图像处理终端53。
所述图像处理终端53为计算机、平板等可以进行程序载入或书写的终端设备。本实施例中，所述图像处理终端53为高性能计算机。所述图像处理终端53内置有编写好的基于压缩感知的重建算法系统。通过该系统，可以实现高效且高质量的将所述采集卡52采集得到的电信号进行恢复并重建出图像，从而快速且准确的得到所述生物样本需进行图像采集部位的清晰的图像信息。
所述控制模块用于控制所述超声换能器40以所述生物样本为中心进行旋转运动，并驱动所述生物样本在垂直方向上进行运动，以探测得到所述生物样本需要进行成像的各个部分光声信号，从而对该部分区域进行精确的成像。具体的，所述控制模块包括运动控制卡54及与所述运动控制卡54电连接的电控位移平台55，所述电控位移平台55包括平移平台551及旋转平台552。所述平移平台551与所述承载件60电连接，并驱动所述承载件60进行垂直方向的移动。本实施例中，所述旋转平台552为圆形平台，且所述圆形平台以其中心轴为轴进行转动。所述旋转平台552位于所述承载件60的上方，且其中心轴与所述承载件60的中心轴重合。所述超声换能器40或/和所述透光反声件10连接于所述旋转平台552边缘，以通过所述旋转平台552的旋转控制所述超声换能器40或/和所述透光反声件10围绕所述承载件进行水平方向的转动。可以理解的是，当所述超声换能器40为环形超声换能器，且所述透光反声件10为透光反声罩时，所述超声换能器40及所述透光反声件10不需要进行转动，因此，驱动所述超声换能器40转动的所述旋转平台552可以省略，从而能够简化设备。本实施例中，所述电控位移平台55均通过电动机进行驱动，且所述电动机为步进电动机。所述控制模块通过接口与所述激光器20电连接，并获取所述激光器20发射激光脉冲的信息，根据所述激光脉冲的信息的发射信息，调整所述步进电机的步长，使激光照射与所述步进电机的步长相匹配，达到最佳的成像效果。具体的，当检测到所述激光器20处于高电频状态时，即所述激光器20向所述生物样本发送激光脉冲时，通过所述运动控制卡54控制所述旋转平台552，所述旋转平台552带动所述超声换能器40围绕所述生物样本进行运动；当所述激光器20处于低电频状态时，即所述激光器20未向所述生物样本发送激光脉冲，通过所述运动控制卡54控制所述旋转平台552，所述旋转平台552暂停转动。通过重复上述运动过程，完成对所述生物样本某一水平位置的360°采样。当完成对所述生物样本某一水平位置的360°采样以后，所述超声换能器40回归原位。本实施例中，由于所述超声换能器40有两个，且两个所述超声换能器40相对设置，因此，所述旋转平台552驱动所述超声换能器40围绕所述生物样本旋转180°即完成对所述生物样本一个水平位置个方向的超声信号的接收。接下来，通过所述运动控制卡54进一步控制所述平移平台552驱动所述承载件进行垂直方向运动，并重复上述超声换能器40的旋转操作，实现对所述生物样本其它水平位置的光声信号的采集。通过重复上述操作，实现对所述生物样本需要进行成像的各个位置的全部超声信号的采集。最终，将采集得到的数据信息传入所述图像处理终端53实现最终成像。
进一步的，本发明所述光声断层层析成像系统100还包括水槽70。所述水槽70为多棱柱或圆柱状。本实施例中，所述水槽70为八棱柱，且所述水槽70的侧面的数量与所述光纤31的数量相同，且每条所述光纤31在与其相对的所述水槽70的一个侧面的对称轴所在的垂直平面上。所述水槽70内填充有超纯水或去离子水。所述光纤31均位于所述水槽70的外部，通过所述光纤31传输来的激光脉冲信号通过透过所述水槽70中照射在所述生物样本的表面，保证所述光纤31传送来的脉冲信号不会进行发生衰减，从而保证得到图像信息的精确性。
本发明通过在所述光纤31与所述生物样本之间设置所述透光反声件10，所述生物样本接收所述激光器发出的光线后，所述生物样本表面反馈的超声信号沿所述光线的光路返回，传输至所述透光反声件10时，通过所述透光反声件10进行反射，并被所述超声换能器40全部接收。从而实现所述激光脉冲光线与超声信号同轴，以使探测得到的光声信号更强且更为的准确。并且，在所述图像处理终端53内置基于压缩感知的重建算法系统用于对探测得到的所述光声信号进行高效精确的处理及重建，通过最终获得清晰的所述生物样本图像。
以上所述是本发明的优选实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种光声断层层析成像系统，用于对生物样本进行成像，其特征在于，包括承载件、激光器、光学传导组件、透光反声件、超声换能器及成像处理系统；所述承载件承载所述生物样本；所述激光器发出光线，所述光线经过所述光学传导组件进行调整并透过所述透光反声件照射至所述生物样本上；所述透光反声件的侧壁与水平面呈角度设置，且所述透光反声件能够使光线透过并反射声信号；所述超声换能器朝向所述透光反声件的侧壁上朝向所述生物样本的一侧设置；所述成像处理系统与所述超声换能器连接。
2.如权利要求1所述的光声断层层析成像系统，其特征在于，所述透光反声件为一片或多片透光反声片，或者所述透光反声件为透光反声罩；所述透光反声件为多片透光反声片时，多片所述透光反声片环绕所述生物样本设置。
3.如权利要求1所述的光声断层层析成像系统，其特征在于，所述成像处理系统内置有基于压缩感知的重建算法系统。
4.如权利要求1所述的光声断层层析成像系统，其特征在于，所述光学传导组件包括光纤及透镜，所述光纤为多根，每根所述光纤包括进光口及出光口，所述光纤进光口与所述激光器相连，多根所述光纤的所述出光口均正对所述透光反声件；所述透镜有多组，所述透镜的组数与所述光纤的数量相同，每组所述光学透镜位于所述光纤的所述出光口与所述透光反声件之间，通过所述透镜对光线进行调整。
5.如权利要求1所述的光声断层层析成像系统，其特征在于，所述光学传导组件包括反光镜及透镜，所述反光镜及所述透镜设于所述激光器及所述透光反声件之间，且所述透镜靠近所述透光反声件，通过所述反光镜改变所述光线的方向以使所述光线进行空间光路传导，通过所述透镜对光线进行调整。
6.如权利要求1所述的光声断层层析成像系统，其特征在于，所述超声换能器为一个或多个单体超声换能器或者阵列超声换能器；所述超声换能器为多个单体超声换能器时，所述多个单体超声换能器均匀环绕设置。
7.如权利要求6所述的光声断层层析成像系统，其特征在于，所述阵列超声换能器为环形超声换能器，所述环形超声换能器的中心正投影与所述载物台上。
8.如权利要求1所述的光声断层层析成像系统，其特征在于，所述成像处理系统包括超声收发仪、数据采集卡以及与所述数据采集卡电连接的图像处理终端，所述数据卡连接与所述超声收发仪电连接，所述超声收发仪与所述超声换能器连接。
9.如权利要求8所述的光声断层层析成像系统，其特征在于，所述成像处理系统还包括控制模块，所述控制模块与所述激光器电连接，所述控制模块包括运动控制卡及与所述运动控制卡电连接的电控位移平台，所述电控位移平台包括平移平台及旋转平台，所述平移平台与所述承载件机械连接，并控制所述承载件进行垂直方向的移动，所述旋转平台与所述超声换能器机械连接，并控制所述超声换能器围绕成像轴心运动。
10.如权利要求1所述的光声断层层析成像系统，其特征在于，所述光声断层层析成像系统还包括水槽，所述水槽内填充有超纯水或去离子水，所述透光反声件位于所述水槽内。
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