CN102389321A - 一种快速光声三维成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速光声三维成像装置，包括：激光生成装置、光学掩膜、可编程逻辑阵列模块、光声信号接收装置、光声信号处理装置和三维图像重建模块。本发明能够通过可编程逻辑阵列模块控制光学掩膜中各微镜片的通断，进而控制激光束通过光学掩膜照射在被测物体上的区域，以产生光声信号并重建为三维图像。由于光学掩膜中各微镜片的通断变化极为迅速，因此本发明可以快速改变激光束照射在被测物体上的区域，进而能够在极短的时间内接收到足够的光声信号并重建为三维图像，解决了现有光声三维成像装置成像速度慢的问题。

Description

一种快速光声三维成像装置

技术领域

本发明涉及三维成像技术领域，特别是涉及一种快速光声三维成像装置。

背景技术

光声成像技术是一种新型的无损医学成像技术，它以短脉冲激光作为激励源，以检测到待测生物组织的超声信号并将超声信号作为信息载体，通过相应的图像重建算法重建组织内部结构和功能信息。

目前的光声三维成像装置多为阵列探测器，采用机械扫描和电子扫描相结合的方式对待测生物组织进行扫描。具体的，目前的光声三维成像装置在二维XY平面内采用旋转扫描模式采集光声信号，根据滤波反投影等重建算法重建出二维光声图像，然后使用步进电机在XZ平面内移动，不同层的光声二维图像通过三维重建就可得到光声三维成像。

但由于这种光声三维成像装置需要使用步进电机驱动的方式进行扫描，因此成像速度慢。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种快速光声三维成像装置，以解决现有光声三维成像装置成像速度慢的缺点，技术方案如下：

一种快速光声三维成像装置，包括：激光生成装置、光学掩膜、可编程逻辑阵列模块、光声信号接收装置、光声信号处理装置和三维图像重建模块，

所述激光生成装置，用于生成激光束并通过所述光学掩膜照射在被测物体上；

所述可编程逻辑阵列模块，用于产生随机矩阵并使用所述随机矩阵控制所述光学掩膜中各微镜片的通断；

所述光声信号接收装置，用于接收激光束通过所述光学掩膜后照射在被测物体上生成的光声信号；

所述光声信号处理装置，用于对所述光声信号进行模数转换并采集所生成的数字信号；

所述三维图像重建模块，用于利用基于压缩感知的重建算法对所述数字信号进行计算处理，重建所述被测物体的三维图像。

优选的，所述光声信号处理装置包括：时间增益补偿放大电路、模数转换电路、滤波电路和采样电路，

所述时间增益补偿放大电路，用于对所述光声信号接收装置接收到的光声信号进行放大；

所述滤波电路，用于对放大后的光声信号进行滤波处理；

所述模数转换电路，用于对滤波后的光声信号进行模数转换，生成数字信号；

所述采样电路，用于采集所生成的数字信号。

优选的，本发明的一种快速光声三维成像装置，还包括：设置在所述激光生成装置的激光发射侧的扩束镜。

优选的，本发明的一种快速光声三维成像装置，还包括：依次设置在所述扩束镜和所述光学掩膜之间的凹透镜和凸透镜。

优选的，本发明的一种快速光声三维成像装置，还包括：设置在所述扩束镜和所述凹透镜之间的反射镜。

优选的，本发明的一种快速光声三维成像装置，还包括：设置在所述凸透镜和所述光学掩膜之间的毛玻璃。

优选的，本发明的一种快速光声三维成像装置，还包括：数据传输电路，用于传输所述三维图像。

优选的，所述光声信号接收装置包括：多元阵列超声探头。

优选的，所述激光生成装置为脉冲激光器。

优选的，所述光声信号接收装置还包括：探头定位装置，用于定位所述多元阵列超声探头。

优选的，所述多元阵列超声探头中阵元的扫描方向与所述激光束的入射方向垂直。

通过应用以上技术方案，本发明提供的一种快速光声三维成像装置能够通过可编程逻辑阵列模块，控制光学掩膜中各微镜片的通断，进而控制激光束通过光学掩膜照射在被测物体上的区域，以产生光声信号并重建为三维图像。由于光学掩膜中各微镜片的通断变化极为迅速，因此本发明可以快速改变激光束照射在被测物体上的区域，进而能够在极短的时间内接收到足够的光声信号并重建为三维图像，解决了现有光声三维成像装置成像速度慢的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种快速光声三维成像装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种光学掩膜的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的光声信号坐标转换的示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种快速光声三维成像装置中光声信号处理装置的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种快速光声三维成像装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种快速光声三维成像装置，包括：激光生成装置100、光学掩膜200、可编程逻辑阵列模块300、光声信号接收装置400、光声信号处理装置500和三维图像重建模块600，

激光生成装置100，用于生成激光束并通过光学掩膜200照射在被测物体上；

其中，激光生成装置100可以为脉冲激光器，如：倍频的Q-SwitchedNd:YAG脉冲激光器，波长为532nm，脉冲宽度为7ns，重复频率是20Hz。光学掩膜200可以采用数字微镜装置(Digital Micromirror Device，DMD)。

可编程逻辑阵列模块300，用于产生随机矩阵并使用随机矩阵控制光学掩膜200中各微镜片的通断；

在实际应用中，可编程逻辑阵列模块300可以在很短的时间内快速生成大量随机矩阵，以使光声信号接收装置400接收到足够多的被测物体上发出的光声信号。

其中，光学掩膜200中的多个微镜片都可以独立的通断。在实际应用中，可编程逻辑阵列模块300产生的随机矩阵中的数据元可以和光学掩膜200中的各个微镜片进行一一对应。例如：光学掩膜200为图2所示的结构，包括：第一微镜片001、第二微镜片002、第三微镜片003和第四微镜片004。相应的，可编程逻辑阵列模块300产生的随机矩阵也可以为两行两列的矩阵，包括四个数据元：

$\left\{\begin{array}{cc}{A}_{11}& A_{12}\\ A_{21}& A_{22}\end{array}\right\}$

具体的一一对应方式有多种，最简单的对应方式为：A₁₁与第一微镜片001对应、A₁₂与第二微镜片002对应、A₂₁与第三微镜片003对应、A₂₂与第四微镜片004对应。由于可编程逻辑阵列模块300产生的是随机矩阵，因此每个数据元的取值并不确定，可以为1或0。如产生的随机矩阵为

$\left\{\begin{array}{cc}0& 1\\ 1& 0\end{array}\right\}$

则光学掩膜200中与该矩阵中数据元对应的各个微镜片的通断情况为：第一微镜片001不导通、第二微镜片002导通、第三微镜片003导通、第四微镜片004不导通。本领域技术人员可以理解的是，当微镜片导通时，激光束就可以通过该微镜片照射到被测物体的相应位置上并产生光声信号。当微镜片不导通时，激光束就无法通过该微镜片，与该微镜片对应的被测物体的相应位置上就无激光束照射，也无法产生光声信号。

当然，对应的方式也可以为其他的对应方式。另外，可编程逻辑阵列模块300产生的随机矩阵也可以为大于两行两列的矩阵，如三行三列矩阵。这时，仅仅需要将该矩阵的部分数据元和各微镜片一一对应即可。对应的方式同样有多种，本发明在此不再累述。

光声信号接收装置400，用于接收激光束通过光学掩膜200后照射在被测物体上生成的光声信号；

其中，光声信号接收装置400可以包括：多元阵列超声探头。多元阵列超声探头可以采用128阵元的宽带线阵探头，每个阵元可以接一个12bit的A/D转换器，探头带宽与光声信号频率保持一致。实际应用中，多元阵列超声探头可以选用128阵元的宽带线阵探头，探头带宽为5～10MHz，阵元间距为0.3mm。这样，每个阵元接收到的光声信号是该阵元对应高度的组织样品发出的光声信号。多元阵列超声探头的位置和角度可以根据实际需要进行调整，为了提高检测精度，可以将超声探头放置于离被测物体较近的位置，同时保持超声探头阵元的扫描方向与激光束的入射方向垂直，如图1所示。在实际应用中，多元阵列超声探头可以采用平行扫描方式的探头，也可以采用散射扫描方式的探头。当然，光声信号接收装置400还包括其它装置，如：探头定位装置，用于定位多元阵列超声探头。本领域技术人员可以理解的是，具体的探头定位装置可以为多种，如使用机械手臂固定多元阵列超声探头并对其进行定位。当然也可以使用电机驱动行程机构的方式对其进行定位。本发明在此不做限定。

光声信号处理装置500，用于对光声信号进行模数转换并采集所生成的数字信号；

本领域技术人员可以理解的是，对光声信号进行模数转换可以为采用128路12位低电压差分A/D转换器对128个阵元的光声信号并行采样。

三维图像重建模块600，用于利用基于压缩感知的重建算法对数字信号进行计算处理，重建被测物体的三维图像。

本领域技术人员可以理解的是，在光声信号接收装置400接收到足够多的光声信号以后，就可以根据这些光声信号进行被测物体的三维图像重建。

压缩感知，也被称为压缩采样(Compressive Sensing)或稀疏采样(CS，Compressed Sampling)，是一种利用稀疏的或可压缩的信号进行信号重建的技术。它是以随机采样的方式用更少的数据采样点，来完美地恢复原始信号。对于一个可压缩信号，压缩感知能够用比奈奎斯特(Nyquist)采样速率低很多的速率无失真地采样信号，给信号的采样、存储、传输和处理都带来了巨大的方便。

在采用基于压缩感知的重建算法对光声信号进行重建处理之前，可以先使用相控聚焦算法对光声信号接收装置400接收到的数据进行处理，将每一层的光声信号区分开(因为光声信号接收装置400接收到来自被测物体的不同深度的断层光声信号)。

基于压缩感知的重建算法是本领域经常用到的一种用来重建三维图像的算法，为方便理解，本发明对其做简单介绍。

假设一个长度为N的实离散时间信号x(n)，n＝1，2，…，N。可以把x(n)看成一个N维列向量，用x表示。如果x是可压缩的，则可以表示为：

$x=\underset{1=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}_i{\mathrm{\Ψ}}_i=\mathrm{\Ψ\θ}---\left(1\right)$

式(1)中Ψ为N×N维标准正交基，θ是信号x在该正交基上展开的系数向量。Ψ_i为正交基Ψ中的列向量，θ_i为N×1维系数向量θ中的元素，θ_i＝<x，Ψ_i>＝Ψ^Tx。如果信号仅是N个基向量中K个的线性组合，即系数向量θ中仅有K个元素不为零，则称x是K阶稀疏信号或者可压缩信号。

基于压缩感知理论，不是直接对信号x或者系数向量θ进行测量或者编码，而是将稀疏信号投影到一组随机测量基

上进行精确重建，随机测量过程的数学表示为：

y＝Φx＝ΦΨθ    (2)

式(2)中y表示M维随机测量值，Φ为M×N维随机测量矩阵。当满足有效等距特性(RIP，Restricted Isometry Property)条件时，信号x可以通过求解l0-范数约束最优化问题精确重构：

式(3)中，||·||₀为向量的l₀范数，表示向量θ中非零元素的个数。由于Ψ是固定的，则测量矩阵Φ就必须满足RIP条件。如果已经得到了θ的稀疏表示

可以进一步由变换基Ψ通过下式精确重构原始信号x：

大部分的光声图像往往具有稀疏性或者在某个变换基上满足稀疏性条件。因此，可以利用其在特定测量矩阵上的投影作为测量数据，采用稀疏约束重构算法恢复原信号，在数据不完备的情况下通过少量的随机采样信号实现光声图像的重建。同时根据待测组织中各个点距离探测器阵元的远近，按照不同的半径在深度方向上分成不同的圆弧。由于每条圆弧上的点到阵元的距离相同，故这些点产生的超声波到达阵元的时间相同，它们产生的声压就能够累加，产生观测数据y，满足了压缩感知的条件。

具体原理是：控制光学掩膜产生随机测量矩阵，激光生成装置100产生脉冲激光束通过光学掩膜200照射到待测生物组织上，产生光声信号。光学掩膜200上激光能通过的单元对应组织能够被激光照射到，进而能够辐射超声波，激光被屏蔽的单元对应组织不能够被激光照射到，就不能辐射超声波。采用压缩感知算法来实现光声三维图像重建，仅需要使单个阵元在一个方向上接收多次光声数据，就可以对与在同一高度上的组织样品重建出图像，将多元阵列超声探头阵元的扫描方向和激光束的入射方向垂直，就可以同时对被检测物体的不同深度的断层进行成像。

可以得到随机光声压缩感知数据获取过程用式(5)表示：

y_i＝Φx_i＝ΦΨ_iθ    (5)

式(4)中Φ为M×N(M□N)维随机测量矩阵，y_i为随机测量向量维数i处所得M×1维光声压缩感知数据。通过求解l₁-范数约束最优化问题：

(L_1，ε)min||Ψ^Tx||₁s.t.||y-ΦΨ^Tx||₂≤ε    (6)

式(6)中Ψ为稀疏基矩阵，ε为最大容许误差，可得到随机测量向量维数i处M个随机测量数据估计的稀疏向量

将所有随机测量处得到的估计值累加得到光声图像信息。

由于光声信号采集以极坐标的格式存储，而最终的显像在直角坐标下进行，因此不同角度的观测图像必须进行坐标变换处理。坐标变换的过程参见图3，(x，y)对应屏幕上像素点的位置，对极坐标(R，θ)进行如下变换处理：

x＝x₀-Rsin θ，y＝Rcosθ    (7)

通过上述步骤得到样品各层的二维图像，然后采用常用的体绘制或者面绘制三维重建算法得到样品的光声三维图像。

本发明提供的一种快速光声三维成像装置能够通过可编程逻辑阵列模块，控制光学掩膜中各微镜片的通断，进而控制激光束通过光学掩膜照射在被测物体上的区域，以产生光声信号并重建为三维图像。由于光学掩膜中各微镜片的通断变化极为迅速，因此本发明可以快速改变激光束照射在被测物体上的区域，进而能够在极短的时间内接收到足够的光声信号并重建为三维图像，解决了现有光声三维成像装置成像速度慢的问题。

如图4所示，本发明实施例提供了另一种快速光声三维成像装置中，光声信号处理装置500包括：时间增益补偿放大电路510、滤波电路520、模数转换电路530和采样电路540，

时间增益补偿放大电路510，用于对光声信号接收装置400接收到的光声信号进行放大；

需要说明的是，在信号传输的过程中，光声信号的强度可能出现衰减，这时就可以通过时间增益补偿放大电路510对衰减的光声信号进行放大。

滤波电路520，用于对放大后的光声信号进行滤波处理；

需要说明的是，在信号传输的过程中，光声信号的可能会被杂波干扰，这时就可以通过滤波电路520对杂波进行滤波去除。

模数转换电路530，用于对滤波后的光声信号进行模数转换，生成数字信号；

采样电路540，用于采集所生成的数字信号。

在实际应用中，采样电路540可以采用多通道并行采集电路。多通道并行采集电路的通道数可以为128，且每个通道与光声信号接收装置400的各阵元一一对应。

本发明提供的一种快速光声三维成像装置能够通过可编程逻辑阵列模块，控制光学掩膜中各微镜片的通断，进而控制激光束通过光学掩膜照射在被测物体上的区域，以产生不同深度的断层光声信号并重建为三维图像。由于光学掩膜中各微镜片的通断变化极为迅速，因此本发明可以快速改变激光束照射在被测物体上的区域，进而能够在极短的时间内接收到足够的光声信号并重建为三维图像，解决了现有光声三维成像装置成像速度慢的问题。

如图5所示，本发明实施例提供的另一种快速光声三维成像装置，还包括：设置在激光生成装置100激光发射侧的扩束镜700。

在被测物品的表面积过大时，激光生成装置100生成的激光束可能无法全部覆盖在被测物体上。这就需要采用扩束镜700对激光束进行扩束。

当然，为了更进一步的对激光束进行扩束，如图5所示，还可以在扩束镜700和光学掩膜200之间依次设置凹透镜910和凸透镜920。

其中，凹透镜910可以进一步对激光束进行扩束，凸透镜920可以对扩束后的激光束进行平行化处理。

当然，如图5所示，本发明实施例的一种快速光声三维成像装置还可以包括：设置在扩束镜700和凹透镜910之间的反射镜800。

在某些情况下，激光生成装置100激光发射侧所对应的方向与被测物体所在的方向并不在一条直线上。这时，可以使用反射镜800改变激光生成装置100所射出的激光束的方向，使其可以照射在被测物体上。

如图5所示，本发明实施例的一种快速光声三维成像装置还可以包括：设置在凸透镜920和光学掩膜之200间的毛玻璃900。

毛玻璃900可以使通过的激光束变的均匀。

如图5所示，本发明实施例的一种快速光声三维成像装置还可以包括：数据传输电路999，用于传输三维图像。

数据传输电路999可以将生成的三维图像传输到存储设备中，当然也可以传输到显示屏中进行显示。本发明在此不做限定。

本发明提供的一种快速光声三维成像装置能够通过可编程逻辑阵列模块，控制光学掩膜中各微镜片的通断，进而控制激光束通过光学掩膜照射在被测物体上的区域，以产生不同深度的断层光声信号并重建为三维图像。由于光学掩膜中各微镜片的通断变化极为迅速，因此本发明可以快速改变激光束照射在被测物体上的区域，进而能够在极短的时间内接收到足够的光声信号并重建为三维图像，解决了现有光声三维成像装置成像速度慢的问题。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。以上仅是本发明的具体实施方式，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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种快速光声三维成像装置，其特征在于，包括：激光生成装置、光学掩膜、可编程逻辑阵列模块、光声信号接收装置、光声信号处理装置和三维图像重建模块，

所述激光生成装置，用于生成激光束并通过所述光学掩膜照射在被测物体上；

所述可编程逻辑阵列模块，用于产生随机矩阵并使用所述随机矩阵控制所述光学掩膜中各微镜片的通断；

所述光声信号接收装置，用于接收激光束通过所述光学掩膜后照射在被测物体上生成的光声信号；

所述光声信号处理装置，用于对所述光声信号进行模数转换并采集所生成的数字信号；

所述三维图像重建模块，用于利用基于压缩感知的重建算法对所述数字信号进行计算处理，重建所述被测物体的三维图像。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光声信号处理装置包括：时间增益补偿放大电路、模数转换电路、滤波电路和采样电路，

所述时间增益补偿放大电路，用于对所述光声信号接收装置接收到的光声信号进行放大；

所述滤波电路，用于对放大后的光声信号进行滤波处理；

所述模数转换电路，用于对滤波后的光声信号进行模数转换，生成数字信号；

所述采样电路，用于采集所生成的数字信号。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，还包括：设置在所述激光生成装置激光发射侧的扩束镜。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括：依次设置在所述扩束镜和所述光学掩膜之间的凹透镜和凸透镜。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括：设置在所述扩束镜和所述凹透镜之间的反射镜。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：设置在所述凸透镜和所述光学掩膜之间的毛玻璃。

7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，还包括：数据传输电路，用于传输所述三维图像。

8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述光声信号接收装置包括：多元阵列超声探头。

9.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述激光生成装置为脉冲激光器。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述光声信号接收装置还包括：探头定位装置，用于定位所述多元阵列超声探头。

11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述多元阵列超声探头中阵元的扫描方向与所述激光束的入射方向垂直。

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