CN102175776A - 光声弹性成像方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了光声弹性成像方法，所述光声弹性成像方法主要指利用强度调制的连续光源激发产生光致热弹超声信号，通过测量该信号与调制信号之间的相位差并逐点扫描可以重建出检测样品的弹性分布图像。本发明还公开了一种光声成像装置，所述光声弹性成像装置，包括光声激发光源发生组件、光声信号采集组件、光声信号处理组件；光声激发光源发生组件、光声信号采集组件和光声信号处理组件依次电气连接。本发明克服了传统弹性成像方法受待测区域周围组织影响等缺点，可提供新原理的反映组织弹性分布的图像，具有定位准确，分辨率高的优点。本发明的装置造价较为低廉，易于推广。
Description
技术领域
本发明涉及一种弹性成像技术，特别涉及光声弹性成像方法及其装置。
背景技术
弹性是表征一种物质物理特性的重要参数，测量某种物质的弹性或者对它的弹性特性分布进行成像对于了解该种物质的属性及结构是一种相当重要的手段。弹性成像作为一种新的成像方法，它通过获取有关组织弹性信息进行成像，弥补了X射线、超声成像(US)、磁共振成像(MRI)、计算机断层扫描(CT)等传统成像模态不能直接提供组织弹性的不足。
弹性成像(elastography)一词最初出自静态/准静态压缩的超声弹性成像，狭义的弹性成像就仅指这种成像方式，其基本原理为对某一组织施加一个内部(包括自身的)或外部的、动态或静态/准静态的激励；在弹性力学、生物力学等物理条件下，组织将产生一个响应。例如位移、应变与速度的分布；弹性模量较大的组织应变较小，或者振动的幅度和速度较小；利用超声成像或磁共振成像等方法，结合数字信号处理或者数字图像技术，可估计出组织内部的位移、应变等参数，从而间接或直接反映其弹性模量等力学属性的差异。
根据采用的成像模态的不同，现有的弹性成像方法主要包括超声弹性成像(ultrasound elastography，ultrasound elasticity imaging)和磁共振弹性成像(magnetic resonance elastography，MR elastography，MRE)，还有光学相干断层弹性成像(optical coherence tomographic elastography，OCTelastography)等。以上各种传统弹性成像方法必须先给组织施加作用力使之形变，但这种作用方式是施加于整个组织，而非只针对感兴趣的特定区域，这样，周围组织的运动和形变就可能对测量产生不利的影响。
在国外也有一种光声技术测量生物组织弹性的方法(由日本的National Defense Medical College提出)，这种技术是基于光声信号在穿过样品时的衰减速度来计算弛豫时间，以此来表征弹性。因为这种方法需要对样品进行特定的加工，所以在对组织的弹性信息成像方面有很大的局限性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有弹性成像技术的缺点与不足，提供一种光声弹性成像方法，所述方法利用强度调制的连续光源聚焦于被检测样品并逐点扫描，通过测量激发产生的光致热弹超声的主频信号与光源调制信号的相位差，把对应各点的相位差延迟以灰度形式映射到显示屏上，得到该平面上组织弹性的二维灰度图像。
本发明的另一目的在于提供一种光声弹性成像装置。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种光声弹性成像方法，所述方法包括下述步骤：
(1)连续激光器发出连续激光到电光调制器中，电光调制器根据由函数发生器输入的正弦波形信号对连续激光进行强度调制，其调制频率等同于由函数发生器输入信号的频率；
(2)强度调制的连续激光通过聚焦透镜聚焦照射到样品上并产生主频与调制频率相同的受迫光声信号；
(3)受迫光声信号通过超声耦合剂由超声探测器接收，再通过前置放大器放大之后输入到锁相放大器，由锁相放大器检频出与函数发生器同等频率的信号，再将此信号与函数发生器的信号进行相位差比较，计算机将采集此相位差值并存储到计算机中；
(4)由计算机控制的控制电路驱动步进电机逐点扫描样品的表面，并依次接收、采集数据；
(5)在计算机中对采集的数据进行处理，并将对应各点的相位延迟时间以灰度值的形式映射到显示屏上，得到反映该平面上组织弹性性质的二维灰度图像。
所述步骤(4)中的采集数据是采用基于LABVIEW控制平台的单通道实时采集系统，并将各点采集得到的数据与样品各点坐标一一对应。
所述步骤(5)中对采集的数据进行处理，是指通过MATLAB程序将对应各点的相位延迟以灰度形式进行图像重建，从而得到待测部位的光声弹性图像。
一种光声弹性成像装置，所述装置具体包括：光声激发光源发生组件、光声信号采集组件、光声信号处理组件、控制电路、样品池、步进电机以及二维扫描平台，所述声激发光源发生组件、样品池、光声信号采集组件、光声信号处理组件按顺序依次连接；所述控制电路与步进电机连接；所述二维扫描平台置于样品池中，所述样品池中充满超声耦合剂；
所述光声激发光源发生组件包括连续激光器、函数发生器、电光调制器、聚焦透镜，电光调制器根据函数发生器的输出波形对连续激光器输出的连续激光进行强度调制，所述连续激光器与电光调制器、聚焦透镜依次相连，所述函数发生器的输出端与电光调制器相连；
所述光声信号采集组件包括超声探测器、前置信号放大器、单通道采集卡；所述光声信号处理组件包括锁相放大器和计算机；所述超声探测器与前置放大器、锁相放大器、单通道采集卡、计算机、控制电路以及步进电机依次相连，所述锁相放大器与函数发生器相连，所述超声探测器固定在二维扫描平台上的支架上；
所述超声探测器置于超声耦合剂中，超声耦合剂为水；所述超声探测器为单元或多元超声探测器；
所述连续激光器的激光波长为500nm～1064nm，激光调制频率为40kHZ～10MHZ。
所述计算机内有LABVIEW数据采集控制平台和图像重建的MATLAB程序。
本发明装置的工作原理是：经过强度调制的连续波激光束照射在样品上，样品产生主频与调制频率相同的受迫光声信号，根据粘弹性力学理论，样品产生的光致热弹超声信号与强度调制的激光波形之间会有一个相位延迟，这个相位延迟与组织的弹性相关。通过测量激发产生的超声信号的主频与光源调制频率的相位差，把对应各点的相位延迟时间以灰度值的形式映射到显示屏上，就可以得到反映该平面组织弹性性质的二维灰度图像。
本发明相对于现有技术具有如下的优点和效果：
(1)本发明装置利用高度聚焦的激光进行逐点扫描，因而可以得到高分辨率的样品弹性信息。
(2)本发明装置只用激光激发信号，没有周围组织对加力的激励产生的影响，可以得到高精度的成像结果。
(3)本发明装置采用激光作为激励源，在对深层组织成像时，还可以通过光纤深入组织，减少传播过程中强度的衰减，应用较广泛。
附图说明
图1是本发明所述光声弹性成像装置的结构示意图；
图2是实施例1中通过图1所示装置对不同物质的信号进行的相位差对比图；
图3是实施例1的成像样品示意图以及样品的光声弹性图像。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的叙述，但本发明的实施方式不限于此。
图1所示是光声弹性成像装置的结构示意图，所述装置具体包括：光声激发光源发生组件、光声信号采集组件、光声信号处理组件、控制电路12、样品池8、步进电机13以及二维扫描平台，所述光声激发光源发生组件、样品池、光声信号采集组件、光声信号处理组件按顺序依次连接；所述控制电路12与步进电机13连接；所述二维扫描平台置于样品池8中，所述样品池8中充满超声耦合剂，
所述光声激发光源发生组件包括连续激光器1、函数发生器3、电光调制器2、聚焦透镜4，电光调制器2根据函数发生器3的输出波形对连续激光器1输出的连续激光进行强度调制，所述连续激光器1与电光调制器2、聚焦透镜4依次相连，所述函数发生器3的输出端与电光调制器2相连；
所述光声信号采集组件包括超声探测器9-2、前置信号放大器9-1、单通道采集卡10-1；所述光声信号处理组件包括锁相放大器10和计算机11；所述超声探测器9-2与前置放大器9-1、锁相放大器10、单通道采集10-1卡、计算机11、控制电路12以及步进电机13依次相连，所述锁相放大器10与函数发生器3相连，所述超声探测器9-2固定在二维扫描平台上的支架上；
所述超声探测器9-2置于超声耦合剂中，超声耦合剂为水；所述超声探测器9-2为单元超声探测器；
所述连续激光器1的激光波长为500nm～1064nm，激光调制频率为40kHZ～10MHZ。
所述超声探测器9-2为单元超声探测器。
所述计算机1内有LABVIEW数据采集控制平台和图像重建的MATLAB程序。
其中光声激发光源发生组件中连续激光器1发射的激光通过电光调制器2后调制成强度周期变化的连续波激光；函数发生器3输出一个正弦波形到电光调制器2里，电光调制器2根据此输入信号调制激光；出射的激光经过聚焦透镜4聚焦在样品6上，从而激发样品6产生光声信号。光声信号通过超声耦合剂由超声探测器9-2接受，通过前置放大器9-1放大之后然后输入到锁相放大器10，由锁相放大器10检频出与函数发生器3同等频率的信号，再将此信号与函数发生器3的信号进行相位差比较，将计算出的相位差信号通过单通道采集卡10-1输入到计算机11。由计算机11控制的控制电路12驱动步进电机13使样品逐点移动，单元探头实时接受光声信号，由计算机11储存各点的信号与坐标，并将其一一对应。
实施例1
本装置的构件选型如下：连续激光器1选用国产半导体激光器，可发出波长为808nm的连续激光；电光调制器2选用美国conoptics公司的产品，型号为M-360；函数发生器为泰克公司的产品，其输出信号设定为频率为50Khz的正弦波形信号；采集控制程序由LABVIEW软件实现，图像重建程序用matlab软件实现；计算机11可以选用P4微机，内存在128M以上；样品池8是用有机玻璃制成的长方体盒子，样品池8中充满水，其内壁涂有吸声材料；样品由琼脂5和待测样品6构成，具体是用2克的琼脂粉和98克的水加热到70℃然后冷却凝结而成，待测样品6是将金属、塑料、胶带、肥皂等具有不同弹性的材料置于同一平面内，并用琼脂5将样品固定。半导体激光器发射的激光经过电光调制器后被调制成强度以50Khz的频率成正弦变化的连续波激光，从调制器出射后的激光经过透镜4聚焦于待测样品上，聚焦后的光斑为1mm2，被激发出的光声信号由超声探测器9-2接受，然后由锁相放大器10检出与函数发生器3同等频率的光声信号，也即是光声信号的主频，锁相放大器将算出该主频信号与函数发生器的信号之间的相位差值，最后将此相位差值存储到电计算机11中。计算机11通过控制电路12驱动步进电机13使样品逐步移动，实现对样品6中固定的金属、塑料、胶带、肥皂等几种不同的物质的依次扫描。对上述等几种物质测量采集到的相位差值的进行比较，可以确定其弹性的差异(如图2所示)。从实验结果可以看出本发明的方法和装置能够测量不同物质的弹性差异。
实施例2
将一片动物肌肉、一片动物脂肪和一块动物骨组织等具有不同弹性的生物组织置于同一平面内，构成待测样品6，并用琼脂5将样品固定，具体形状如图3a所示。然后电脑通过控制电路12驱动步进电机13使样品逐点移动，实现对样品逐点扫描，同时单元探头实时接受光声信号，由锁相放大器10检频和计算相位差，由计算机11储存各点的相位差值与坐标，并将其一一对应。扫描步距为1mm。对采集的数据利用MATLAB软件实现图像重建(如图3b所示)。从实验结果可以看出本发明的方法和装置能够重建出待测样品弹性差异分布的光声图像。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种光声弹性成像方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
(1)连续激光器发出连续激光到电光调制器中，电光调制器根据由函数发生器输入的正弦波形信号对连续激光进行强度调制，其调制频率等同于由函数发生器输入的信号的频率；
(2)强度调制的连续激光通过聚焦透镜聚焦照射到样品上并产生主频与调制频率相同的受迫光声信号；
(3)受迫光声信号通过超声耦合剂由超声探测器接收，再通过前置放大器放大之后输入到锁相放大器，由锁相放大器检频出与函数发生器的输出信号同等频率的信号，再将此信号与函数发生器的信号进行相位差比较，计算机将采集此相位差值并存储到计算机中；
(4)由计算机控制的控制电路驱动步进电机逐点扫描样品的表面，并依次接收、采集数据；
(5)在计算机中对采集的数据进行处理，并将对应各点的相位延迟时间以灰度值的形式映射到显示屏上，得到反映该平面上组织弹性质的二维灰度图像。
2.根据权利要求1所述的一种光声弹性成像方法，其特征在于，所述步骤(3)中的相位差比较是指通过比较激发产生的光致热弹超声的主频信号与调制光源的正弦波形信号之间的相位差，来表征各点的弹性差异。
3.根据权利要求1所述的一种光声弹性成像方法，其特征在于，所述步骤(5)中对采集的数据进行处理，是指通过MATLAB程序将对应各点的相位延迟以灰度形式进行图像重建，从而得到待测部位的光声弹性图像。
4.一种光声弹性成像装置，其特征在于，所述装置具体包括：光声激发光源发生组件、光声信号采集组件、光声信号处理组件、控制电路、样品池、步进电机以及二维扫描平台，所述光声激发光源发生组件、样品池、光声信号采集组件、光声信号处理组件按顺序依次连接；所述控制电路与步进电机连接；所述二维扫描平台置于样品池中，所述样品池中充满超声耦合剂；
所述光声激发光源发生组件包括连续激光器、函数发生器、电光调制器、聚焦透镜，电光调制器根据函数发生器的输出波形对连续激光器输出的连续激光进行强度调制；所述连续激光器与电光调制器、聚焦透镜依次相连，所述函数发生器的输出端与电光调制器相连；
所述光声信号采集组件包括超声探测器、前置信号放大器、单通道采集卡；所述光声信号处理组件包括锁相放大器和计算机；所述光声信号处理组件包括锁相放大器和计算机；所述超声探测器与前置放大器、锁相放大器、单通道采集卡、计算机、控制电路以及步进电机依次相连，所述锁相放大器与函数发生器相连，所述超声探测器固定在二维扫描平台上的支架上；所述超声探测器置于超声耦合剂中。
5.根据权利要求4所述的一种光声弹性成像装置，其特征在于，所述超声探测器为单元或多元超声探测器。
6.根据权利要求4所述的一种光声弹性成像装置，其特征在于，所述连续激光器发出激光的波长为500nm～1064nm，激光调制频率为40kHZ～10MHZ。
7.根据权利要求4所述的一种光声弹性成像装置，其特征在于，所述计算机内有LABVIEW数据采集控制平台和图像重建的MATLAB程序。
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