CN102727259B - 基于有限角度扫描的光声断层成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光声成像技术领域，公开了一种基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置及方法，采用脉冲激光入射到成像样品产生光声信号，通过单元超声探测器在圆弧上有限位置采集光声信号，经信号放大器放大后，输入A/D转换器将声信号转化为电信号，最后传输到示波器完成数字信号采集；将成像样品光声信号输入计算机，计算机将光声信号进行滤波和傅里叶变换处理，根据实验条件提取光声信号频域信息，构建前向投影算子和测量矩阵，计算机基于快速稀疏算法对信号重建成像。本发明具有信号采集时间短，重建速度快，操作方便，适应性和扩展性好等优点。

Description

基于有限角度扫描的光声断层成像装置及方法

技术领域

本发明涉及一种光声断层成像(Photoacoustic Tomography，简称PAT)技术，尤其涉及一种基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置及方法。

背景技术

光声成像技术是新发展起来的一种非入侵式和非电离式的医学成像技术，近年来获得迅速发展，并成为当今国际研究的前沿热点课题。光声信号的产生是复合媒介间能量转换的过程，它结合了纯光学成像具有的无损伤性、高选择激发特性和纯超声成像具有的低衰减、高穿透特性，能够在一定的深度下获得高的图像分辨率和对比度，图像传递的信息量大，可以提供形态及功能信息。光声成像技术目前已在生物组织成像中得到广泛应用，如肿瘤检测、血管成像、脑功能成像等相关研究。

基于光声效应，短脉冲激光入射到成像样品，局部组织吸收光能产生热膨胀向四周辐射超声波，通过超声换能器在不同位置扫描并采集光声信号，不同位置的吸收体经过算法能被重建出来。在光声成像中，装置的成本主要取决于设备的复杂程度，而成像质量和成像速度则取决于是重建算法。现有单元探测器光声成像主要采用圆周多点采集信号的方式，装置扫描时间长，相应的重建算法有反卷积、相控聚焦、逆Radon变换、迭代重建算法等，但准确重建需要的数据量大且算法复杂度高，因此简化信号采集和高效重建算法是应用光声成像的关键。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明目的在于克服现有技术的缺点，提供一种低成本、操作简单、快速扫描和精确成像的基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置及方法，以基于有限角度扫描的欠采样数据和快速稀疏算法准确重建原始图像。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置，该光声断层成像装置包括：脉冲激光器1；由反射镜2-1、镜筒2-2、凹面镜2-3和毛玻璃2-4构成的光路处理装置2；由超声探测器3-1、超声放大器3-2和A/D转换器3-3构成的信号采集装置3；数字示波器4；计算机5；由电机控制器6-1、平移台6-2和旋转台6-3构成的三维平移旋转台6；样品池7；样品支架8；以及成像样品9；其中，脉冲激光器1、光路处理装置2、信号采集装置3、数字示波器4、计算机5和三维平移旋转台6依次连接，超声探测器3-1采集到的光声信号经过脉冲放大后，传输到A/D转换器3-3的输入端，最后传输到数字示波器4，数字示波器4与脉冲激光器1电气相连，用于控制信号的激发和采集；数字示波器4将处理信号传输到计算机5，计算机5用于所述电机控制器6-1和数字示波器4信号采集的同步控制，并对每个探测位置采集信号频谱分析，存储光声信号的部分频率信息，通过对圆弧上有限角度位置信号采集，构建前向投影算子，基于快速稀疏算法对信号重建，获得成像物体的光声断层成像。

上述方案中，所述超声探测器3-1通过架杆连接于旋转台6-3，旋转台6-3和超声探测器3-1作为整体通过支架连接于平移台6-2，电机控制器6-1控制旋转台6-3的旋转角度和平移台6-2的位移，并控制超声探测器3-1的旋转和平移。

上述方案中，所述计算机5通过USB接口分别连接数字示波器4和电机控制器6-1，用于控制信号采集和超声探测器3-1的位置旋转。

上述方案中，所述脉冲激光器1选用倍频的Q-Switched Nd:YAG脉冲激光器，波长为532nm-1064nm，脉冲宽度为6.5ns，重复频率10Hz，脉冲激光器1发出的脉冲激光入射到成像物体产生声信号。

上述方案中，所述光路处理装置2中，反光镜2-1和镜筒2-2分别固定于同一支架上，反光镜2-1和脉冲激光之间夹角为45度；凹透镜2-3和毛玻璃2-4通过半封闭圆环固定在镜筒2-2上，通过调节镜筒的高度来控制照射到成像物体光斑的大小，满足脉冲激光照射样品需求的同时保证超声探测器3-1实现任意角度无障碍扫描。

上述方案中，所述信号采集装置3中，超声探测器3-1为单阵元超声探测器3-1，超声探测器3-1通过支架连接到旋转台6-3，所述探测器3-1在成像物体水平切面内垂直旋转成像样品9，在圆弧上有限位置采集成像样品9光声信号。所述信号采集装置3灵敏度为950mv/Pa，频率带宽为200KHz-15MHz，探针的直径为1mm。

上述方案中，所述数字示波器4选用混合信号示波器，具有350MHz的带宽，最高可达2.5GS/s的取样速率，在所有通道上实现20M样点的记录长度。

上述方案中，所述三维平移旋转台6中，电机控制器6-1控制平移台6-2和旋转台6-3的旋转，能完成对成像物体的竖直扫描和弧形扫描。所述平移台6-2ETSP200最大行程为200mm，重复定位精度3μm；所述旋转台6-3ERSP100重复定位精度为0.005度，分辨率为0.00125度。

一种基于有限角度扫描的快速光声断层成像方法，应用于所述的快速光声断层成像装置，该方法通过对圆弧上不同位置采集的光声信号进行滤波处理再作傅里叶变换，通过频谱分析，随机提取信号主要频率所对应的频窗中的频率成分，具体包括：

步骤S1：根据超声探测器的脉冲响应和重建图像的离散网格，建立有限角度位置的光声信号对应的前向投影算子K；

步骤S2：将重建图像向量化为x，采用小波矩阵Φ稀疏表示，图像重建变换为求解图像的小波基空间系数θ；

步骤S3：组建观测矩阵A＝KΦ，选取基于欠采样的TVL1-L2范数的快速稀疏算法，求解稀疏系数的最优解

步骤S4：采用小波反变换算法，将所述重建稀疏系数转换为原始样品的重建图像向量x。

上述方案中，步骤S1中所述前向投影算子K仅与探测器类型和重建图像的精度有关，不受采集信号的影响。

上述方案中，步骤S2中所述变换充分考虑了图像在小波域的稀疏性。

上述方案中，步骤S3中所述采用基于欠采样的TVL1-L2范数的快速稀疏算法，求解稀疏系数的最优解的过程为：

步骤S31：根据采集信号的统计性质设置正则化参数，并根据噪声水平确定迭代终止条件，设置初始解为零向量；

步骤S32：将图像x的全变分Dx∈R²降低维数处理，用任意的向量w∈R²逼近，基于L1-L2范数的TV正则化模型可转化为性能更优的新模型：

min∑φ₂(w，Dx)+α∑φ₁(z，θ)+λF(x，f)；

步骤S33：根据第i-1(i＝2，3，…)步优化图像x_i-1，计算向量w_i和稀疏系数向量θ_i，采用交替优化算法计算图像x_i；

步骤S34：根据步骤S31中的迭代终止条件，判断当前图像是否达到终止要求，如果没有则返回步骤S33继续迭代。

上述方案中，步骤S4中所述采用小波反变换算法，将所述重建稀疏系数转换为原始样品的重建图像向量x，具体包括：

步骤S41：根据步骤S3的迭代条件，判断整个求解过程是否达到终止迭代条件，满足则输出小波域稀疏解

步骤S42：对步骤S2中所采用小波投影矩阵Φ，求逆变换Φ^-1；

步骤S43：根据步骤S41所得小波域稀疏解和步骤S42所得逆变换Φ^-1，求取原始样品的重建图像x。

(三)有益效果

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明提供的快速光声断层成像装置及方法，采用装置模块化结构设计，可靠性好，硬件成本低；信号采集和图像重建完全由计算机控制，操作简单，使用方便。

2、本发明提供的快速光声断层成像装置及方法，采用单阵元探测器在有限角度位置采集光声信号，采样时间短。

3、本发明提供的快速光声断层成像装置及方法，采用去噪声技术和傅里叶变换技术，有效去除光声信号中的高斯噪声，显著提高光声信号信噪比。

4、本发明提供的快速光声断层成像装置及方法，采用TVL1-L2快速稀疏重建算法，在小数据量光声信号中获得很好的成像质量，保证了成像的分辨率的同时提高了重建速度。

5、本发明提供的快速光声断层成像装置及方法，采用的三维旋转平移台，能完成样品的柱状扫描和三维平移扫描，能对不同形状的样品断层成像，适应性好。

附图说明

图1是依照本发明实施例的基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置的结构示意图；

图2是依照本发明实施例的基于有限角度扫描的快速光声断层成像方法的流程图；

图3是依照本发明实施例的基于TVL1-L2全变分快速稀疏重建算法的流程图；

图4是依照本发明实施例的快速稀疏重建算法重建仿真实验结果的示意图；

图5是依照本发明实施例的基于本发明装置采集的光声信号图像重建样品图像。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1是依照本发明实施例的基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置的结构示意图，该光声断层成像装置包括：脉冲激光器1，由反射镜2-1、镜筒2-2、凹面镜2-3和毛玻璃2-4构成的光路处理装置2，由超声探测器3-1、超声放大器3-2和A/D转换器3-3构成的信号采集装置3，数字示波器4，计算机5，由电机控制器6-1、平移台6-2和旋转台6-3构成的三维平移旋转台6，样品池7，样品支架8和成像样品9。

其中，脉冲激光器1、光路处理装置2、信号采集装置3、数字示波器4、计算机5和三维平移旋转台6依次连接，超声探测器3-1采集到的光声信号经过脉冲放大后，传输到A/D转换器3-3的输入端，最后传输到数字示波器4，数字示波器4与脉冲激光器1电气相连，用于控制信号的激发和采集；数字示波器4将数字信号传输到计算机5，计算机5用于所述电机控制器6-1和数字示波器4信号采集的同步控制，并对每个探测位置采集信号频谱分析，存储光声信号的部分频率信息，通过对圆弧上有限角度位置信号采集，构建前向投影算子，基于快速稀疏算法对信号重建，获得成像物体的光声断层成像。

所述超声探测器3-1通过架杆连接于旋转台6-3，旋转台6-3和超声探测器3-1作为整体通过支架连接于平移台6-2，电机控制器6-1控制旋转台6-3的旋转角度和平移台6-2的位移，并控制超声探测器3-1的旋转和平移。所述计算机5通过USB接口分别连接于数字示波器4和电机控制器6-1，用于控制信号采集和超声探测器3-1的位置旋转。

本发明的光声断层成像装置构成组件选择如下：脉冲激光器1选用倍频的Q-Switched Nd:YAG脉冲激光器，波长为532nm，脉冲宽度为6.5ns，重复频率10Hz。光路处理装置2中，反光镜2-1和镜筒2-2分别固定于同一支架上，反光镜2-1和脉冲激光之间夹角为45度；凹透镜2-3和毛玻璃2-4通过半封闭圆环固定在镜筒2-2上，满足脉冲激光照射样品需求的同时保证超声探测器3-1无障碍扫描。超声信号测量组件3为英国PrecisionAcoustics公司生产的HP1型，其灵敏度为950mv/Pa，频率带宽为200KHz-15MHz，探针的直径为1mm；超声探测器3-1为单阵元超声探测器3-1。数字示波器4选用泰克公司的MSO4034混合信号示波器，350MHz的带宽，最高可达2.5GS/s的取样速率，在所有通道上实现20M样点的记录长度；三维平移旋转台6中，电机控制器6-1控制平移台6-2和旋转台6-3，平移台6-2ETSP200最大行程为200mm，重复定位精度3μm，旋转台6-3ERSP100重复定位精度为0.005度，分辨率为0.00125度。计算机5采用普通PC机，内存1G以上，人机交互界面通过Visual C++语言实现。样品池7为有机玻璃加工的方形盒子。

图1所示的快速光声断层成像装置，其工作流程是：步骤1：脉冲激光器、反射镜、凹透镜、毛玻璃和镜筒构成光声信号的触发模块。脉冲激光经光路处理装置反射、扩束、均匀后照射到样品上号产生光声信号，实验中我们采用的532nm的激光；步骤2：单阵元超声探测器、A/D转换器、超声放大器、示波器依次电气相连构成信号采集模块。样品辐射光声信号经单阵元超声探测器采集后传入超声放大器放大，然后传输到A/D转换器完成声信号到电信号的转换，电信号经示波器转换后将数字信号经USB电路传输到电脑储存，完成一个角度位置的一次光声信号的采集；步骤3：计算机控制所述信号触发模块和信号采集模块，完成一个位置信号采集存储后，控制三维平移旋转台旋转到下一个位置，所述示波器触发脉冲激光器发射脉冲激光，开始下一次信号采集，超声探测器重新开始采集信号。

基于上述快速光声断层成像装置，图2是依照本发明实施例的基于有限角度扫描的快速光声断层成像方法的流程图，该方法通过对圆弧上不同位置采集的光声信号进行滤波处理再作傅里叶变换，通过频谱分析，随机提取信号主要频率所对应的频窗中的频率成分，具体包括：

步骤S1：根据超声探测器的脉冲响应和重建图像的离散网格，建立有限角度位置的光声信号对应的前向投影算子K；所述前向投影算子K仅与探测器类型和重建图像的精度有关，不受采集信号的影响。

步骤S2：将重建图像向量化为x，采用小波矩阵Φ稀疏表示，图像重建变换为求解图像的小波基空间系数θ；所述变换充分考虑了图像在小波域的稀疏性。

步骤S3：组建观测矩阵A＝KΦ，选取基于欠采样的TVL1-L2范数的快速稀疏算法，求解稀疏系数的最优解

步骤S4：采用小波反变换算法，将所述重建稀疏系数转换为原始样品的重建图像向量x。

其中，步骤S3中所述采用基于欠采样的TVL1-L2范数的快速稀疏算法，求解稀疏系数的最优解的过程为：

步骤S31：根据采集信号的统计性质设置正则化参数，并根据噪声水平确定迭代终止条件，设置初始解为零向量；

步骤S32：将图像x的全变分Dx∈R²降低维数处理，用任意的向量w∈R²逼近，基于L1-L2范数的TV正则化模型可转化为性能更优的新模型：

min∑φ₂(w，Dx)+α∑φ₁(z，θ)+λF(x，f)；

步骤S33：根据第i-1(i＝2，3，…)步优化图像x_i-1，计算向量w_i和稀疏系数向量θ_i，采用交替优化算法计算图像x_i；

步骤S34：根据步骤S31中的迭代终止条件，判断当前图像是否达到终止要求，如果没有则返回步骤S33继续迭代。

步骤S4中所述采用小波反变换算法，将所述重建稀疏系数转换为原始样品的重建图像向量x，具体包括：

步骤S41：根据步骤S3的迭代条件，判断整个求解过程是否达到终止迭代条件，满足则输出小波域稀疏解

步骤S42：对步骤S2中所采用小波投影矩阵Φ，求逆变换Φ^-1；

步骤S$3：根据步骤S41所得小波域稀疏解和步骤S42所得逆变换Φ^-1，求取原始样品的重建图像x。

基于图2所示的依照本发明实施例的基于有限角度扫描的快速光声断层成像方法的流程图，图3至图5示出了依照本发明实施例的基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置的工作流程图，具体包括以下步骤：

步骤S1：将样品9放到样品池7中，校正超声探测器3-1的位置，使其在样品的水平切面内垂直旋转中心旋转；将待测样品9放在样品池7，532nm的脉冲激光经光路处理装置后照射到样品上号产生光声信号；

步骤S2：采用中心频率为5MHz的单阵元超声探测器3-1，放置在样品的后方，采集样品9辐射光声信号后经超声放大器和A/D转换器完成声电信号的转换，电信号传输到示波器，所采集信号经USB电路传输到电脑储存，超声探测器3-1在每个位置采集100次后，完成一个角度光声信号的采集；

步骤S3：计算机5完成信号存储后，控制三维平移旋转台6旋转到下一个位置，超声探测器3-1开始重新开始采集信号，电机控制器6-1控制旋转台6-3带动超声探测器3-1在x-y平面内旋转，旋转间隔为5度，采样位置为50个，电机控制器6-1控制平移台6-2在Z轴方向上下移动，完成对成像物体的三维圆柱形扫描，上下移动间隔为0.1mm；

步骤S4：计算机5采集全部光声信号后，先通过matlab软件对信号滤波处理，然后进行傅里叶变换，通过频谱分析求出光声信号频域的主要成分，根据探测器3-1的探测信号的空间范围和脉冲响应，构造频域前向投影算子，根据重建图像的大小，选择合适的小波矩阵，合成观测矩阵，通过奇异值分解做出观测矩阵的正交基矩阵，基于快速稀疏重建算法进行样品图像重建。

下面做具体描述：

根据光声效应和超声的运动方程和扩散方程，可以得到光声的基本方程：

$({\▿}^2+\frac{1}{{v_s}^2}\frac{{\∂}^2}{{\∂t}^2})p(r,t)=-\frac{\mathrm{\β}}{C_p}A\left(r\right)\frac{\∂I\left(t\right)}{\∂t}---\left(1\right)$

其中表示哈密尔顿算子，p(r，t)是位置r处时刻t的光声信号，A(r)是样品能量吸收分布函数，I(t)是脉冲激光的能量函数，v_s是样品中的声速，C_p是样品的比热容，β是等压膨胀系数，光声重建是典型的逆问题，即如何由p(r，t)求出A(r)。

通过使用格林函数求解方程1，得到

$p(r,t)=\frac{\mathrm{\β}}{4\mathrm{\π}{C}_p}\frac{\∂}{\∂t}\∫\frac{A\left(r^{\′}\right)}{t}\frac{1}{|r-r^{\′}|}{d}^2{r}^{\′}---\left(2\right)$

式2表示了光声信号和样品光吸收系数的关系，对采集到光声信号p(r，t)进行傅里叶变换，式2的频域表示为：

$\stackrel{\‾}{p}(r,t)=-\mathrm{ickg}\left(k\right)\∫A\left(r^{\′}\right)\frac{e^{\mathrm{ik}|r-r^{\′}|}}{|r-r^{\′}|}{\mathrm{dr}}^{\′}---\left(3\right)$

其中k＝ω/c表示频率，g(k)表示探测器的脉冲响应，将图像和采集信号离散化，进一步可描述为：

y＝Kx+e                                                   (4)

y是采集光声信号的傅里叶变换，信号长度为N＝n*l，n为探测位置个数，l为每个位置信号的长度，x为吸收系数的向量表示，其长度为M＝m²，m为重建图像的尺寸，K为频域的观测矩阵，其大小为N×M，e为随机噪声。

设x在基Φ下是稀疏的，记为x＝Φθ，其中||θ||₀表示稀疏度。则有：

y＝KΦθ+e                                                 (5)

式5可简记为y＝Aθ+e由观测值y根据式5求得最优解为则可在基Φ取反变换，求得最优解

首先给定正则化初始化参数α，β，λ，最大迭代次数和迭代误差终止条件ε。整个迭代过程如图3所示，图3是依照本发明实施例的基于TVL1-L2全变分快速稀疏重建算法的流程图。

我们采用TVL1-L2快速稀疏算法求解可以满足图像重建的精度，得到模型如下：

为加快重建速度，减小算法复杂度，我们采用交替循环算法更新θ，这里引入新的变量z_i为任意实数； ${\mathrm{\φ}}_2(w_i,D_i\mathrm{\θ})=\left|\right|w_i\left|\right|+\frac{\mathrm{\β}}{2}{\left|\right|w_i-D_i\mathrm{\θ}\left|\right|}^2,$ $w_i=(w_i^{\left(1\right)},w_i^{\left(2\right)})$ 为二维空间任意向量，用来逼近D_iθ∈R² 为x_i在行方向和列方向的局部差分)；上述式6可用新的模型代替

更新 利用更新后的w^k和z^k，通过解决下述最小二乘问题更新稀疏系数θ_k+1。

为简化计算，我们记 $D^{\left(1\right)}={[D_1^{\left(1\right)},D_2^{\left(1\right)},\·\·\·D_M^{\left(1\right)}]}^T,$ $D^{\left(2\right)}={[D_1^{\left(2\right)},D_2^{\left(2\right)},\·\·\·D_M^{\left(2\right)}]}^T$ 分别表示行方向和列方向的全变分，相应的二维变量为 $w^{\left(2\right)}=[w_1^{\left(2\right)},w_2^{\left(2\right)},\·\·\·w_M^{\left(2\right)}],$ 那么 $\mathrm{\Σ}({\mathrm{\φ}}_2{(w_i^k-D_i\mathrm{\θ})}^2={\left|\right|w^{\left(1\right)}-D^{\left(1\right)}\mathrm{\θ}\left|\right|}^2+{\left|\right|w^{\left(2\right)}-D^{\left(2\right)}\mathrm{\θ}\left|\right|}^2.$ 上述式8可用如下方程求解：

$\mathrm{L\θ}=\stackrel{\‾}{y}---\left(9\right)$

其中L＝(D⁽¹⁾)^TD⁽¹⁾+(D⁽²⁾)^TD⁽²⁾+αI+λ/βF^TF， $\stackrel{\‾}{y}={\left(D^{\left(1\right)}\right)}^T{w}_1+{\left(D^{\left(2\right)}\right)}^T{w}_2+\mathrm{\α\Φz}+\mathrm{\λ}/\mathrm{\β}{F}^{T}F,$ 根据稀疏变量θ的性质，D⁽¹⁾和D⁽²⁾为循环矩阵可用傅里叶变换矩阵F对角化，即为因为基Φ是正交的，可在式9左右同时乘以F，加速求解过程。通过求解全变分误差φ₂(w^k-Dθ)和小波误差φ₁(z^k-Φ^Tθ)和模型误差 $r=\mathrm{DT}(\mathrm{D\θ}-w)+\mathrm{\α}(\mathrm{\θ}-\mathrm{\Φz})+\mathrm{\λ}/\mathrm{\β}\▿{\left|\right|\mathrm{A\θ}-y\left|\right|}^2,$ 取res＝max{φ₁，φ₂，r}，若满足res＜ε则终止迭代。

图4是依照本发明实施例的快速稀疏重建算法重建仿真实验结果的示意图，本发明采用快速算法的仿真验证，通过重建图像和原始图像的重建误差可看出该算法能很好的重建原始图像。

图5是依照本发明实施例的基于本发明装置采集的光声信号图像重建样品图像，其中左图是本发明样品的示意图，右图是基于采用本发明的装置采集信号和快速稀疏重建算法的重建图像，可以看出重建图像能很好的反映原样品的结构细节，图像的分辨率也很高。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置，其特征在于，该光声断层成像装置包括：脉冲激光器(1)；由反射镜(2-1)、镜筒(2-2)、凹面镜(2-3)和毛玻璃(2-4)构成的光路处理装置(2)；由超声探测器(3-1)、超声放大器(3-2)和A/D转换器(3-3)构成的信号采集装置(3)；数字示波器(4)；计算机(5)；由电机控制器(6-1)、平移台(6-2)和旋转台(6-3)构成的三维平移旋转台(6)；样品池(7)；样品支架(8)；以及成像样品(9)；

其中，脉冲激光器(1)、光路处理装置(2)、信号采集装置(3)、数字示波器(4)、计算机(5)和三维平移旋转台(6)依次连接，超声探测器(3-1)采集到的光声信号经过放大后，传输到A/D转换器(3-3)的输入端，最后传输到数字示波器(4)，数字示波器(4)与脉冲激光器(1)电气相连，用于控制信号的激发和采集；数字示波器(4)将数字信号传输到计算机(5)，计算机(5)用于所述电机控制器(6-1)和数字示波器(4)信号采集的同步控制，并对每个探测位置采集信号频谱分析，存储光声信号的部分频率信息，通过对圆弧上有限角度位置信号采集，构建前向投影算子，基于快速稀疏算法对信号重建，获得成像物体的光声断层成像；

所述光路处理装置(2)中，反光镜(2-1)和镜筒(2-2)分别固定于同一支架上，反光镜(2-1)和脉冲激光之间夹角为45度；凹透镜(2-3)和毛玻璃(2-4)通过半封闭圆环固定在镜筒(2-2)上，通过调节镜筒的高度来控制照射到成像物体光斑的大小，满足脉冲激光照射样品需求的同时保证超声探测器(3-1)实现任意角度无障碍扫描；

所述信号采集装置(3)中，超声探测器(3-1)为单阵元超声探测器(3-1)，超声探测器(3-1)通过支架连接到旋转台(6-3)，所述探测器(3-1)在成像物体水平切面内垂直旋转成像样品(9)，在圆弧上有限位置采集成像样品(9)光声信号。

2.根据权利要求1所述的基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置，其特征在于，所述超声探测器(3-1)通过架杆连接于旋转台(6-3)，旋转台(6-3)和超声探测器(3-1)作为整体通过支架连接于平移台(6-2)，电机控制器(6-1)控制旋转台(6-3)的旋转角度和平移台(6-2)的位移，并控制超声探测器(3-1)的旋转和平移。

3.根据权利要求1所述的基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置，其特征在于，所述计算机(5)通过USB接口分别连接数字示波器(4)和电机控制器(6-1)，用于控制信号采集和超声探测器(3-1)的位置旋转。

4.根据权利要求1所述的基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置，其特征在于，所述脉冲激光器(1)选用倍频的O-Switched Nd:YAG脉冲激光器，波长为532nm-1064nm，脉冲宽度为6.5ns，重复频率10Hz，脉冲激光器(1)发出的脉冲激光入射到成像物体产生声信号。

5.根据权利要求1所述的基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置，其特征在于，所述信号采集装置(3)灵敏度为950mv/Pa，频率带宽为200KHz-15MHz，探针的直径为1mm。

6.根据权利要求1所述的基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置，其特征在于，所述数字示波器(4)选用混合信号示波器，具有350MHz的带宽，最高可达2.5GS/s的取样速率，在所有通道上实现20M样点的记录长度。

7.根据权利要求1所述的基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置，其特征在于，所述三维平移旋转台(6)中，电机控制器(6-1)控制平移台(6-2)和旋转台(6-3)的旋转，能完成对成像物体的竖直扫描和弧形扫描。

8.根据权利要求7所述的基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置，其特征在于，所述平移台(6-2)ETSP200最大行程为200mm，重复定位精度3μm；所述旋转台(6-3)ERSP100重复定位精度为0.005度，分辨率为0.00125度。

9.一种基于有限角度扫描的快速光声断层成像方法，应用于权利要求1至8中任一项所述的快速光声断层成像装置，其特征在于，该方法通过对圆弧上不同位置采集的光声信号进行滤波处理再作傅里叶变换，通过频谱分析，随机提取信号主要频率所对应的频窗中的频率成分，具体包括：

步骤S1：根据超声探测器的脉冲响应和重建图像的离散网格，建立有限角度位置的光声信号对应的前向投影算子K；

步骤S2：将重建图像向量化为x，采用小波矩阵Φ稀疏表示，图像重建变换为求解图像的小波基空间系数θ；

步骤S3：组建观测矩阵A＝KΦ，选取基于欠采样的TVL1-L2范数的快速稀疏算法，求解稀疏系数的最优解

步骤S4：采用小波反变换算法，将所述重建稀疏系数转换为原始样品的重建图像向量x。

10.根据权利要求9所述的基于有限角度扫描的快速光声断层成像方法，其特征在于，步骤S1中所述前向投影算子K仅与探测器类型和重建图像的精度有关，不受采集信号的影响。