CN102824185A

CN102824185A - 结合透声反光镜的光声层析成像系统及其成像方法

Info

Publication number: CN102824185A
Application number: CN2012103371019A
Authority: CN
Inventors: 李长辉; 邓梓健; 任秋实
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2032-09-12
Also published as: CN102824185B

Abstract

本发明公开了一种结合透声反光镜的光声层析成像系统及其成像方法。本发明的成像系统包括：激光光源、圆锥镜体、透声反光镜、动物台、水槽、探测器和计算机。本发明通过利用透声反光镜，采用金属镀膜的LDPE材料作为透声反光镜的材料，具有与水相近的声阻抗，从而在水-介质界面处不会有显著的超声反射，且材料的厚度薄，超声波在材料内部的衰减较小，反光透声镜对超声波的损耗很小，更加有利于超声波透过。进一步，圆锥镜体与倒圆台形的透声反光镜结合，在水平面内聚光照射至动物体上，形成对动物体3600的水平均匀照射，能够在动物体表形成一个均匀稳定的光场，从而在传感器探测时，重构的图像更能准确地反映动物体内的生理结构功能信息。

Description

结合透声反光镜的光声层析成像系统及其成像方法

技术领域

本发明属于光声层析成像技术，具体涉及一种结合透声反光镜的光声层析成像系统及其成像方法。

背景技术

光声层析成像（Photoacoustic Tomography）PAT是一种基于光声效应的层析成像技术。该成像技术具有无创性，并结合了光学成像的高对比度和超声成像的高分辨率特性，能在较深层组织中获得较高分辨率的图像。

由于光声信号再空气中迅速衰减，因此PAT成像时，被测物置于水或其他超声耦合介质中，以减少光声信号的衰减。在PAT成像中，脉冲激光作用于动物体，动物体中不同的成分吸收激光，基于光声效应原理产生超声信号。超声信号透过介质传输至传感器，被传感器所接收，从而转换为电信号，被采集与处理系统所接收和处理，并利用图像重构算法得到图像。光声成像结果能够反映出目标生物体组织的结构与功能信息。

然而，目前的PAT成像中无法调整入射光使之能够均匀而水平地入射，现有技术的照射方法，如两侧照射方法，受到换能器的挡光而在动物体表面的照射光场并不均匀，因此现有的PAT的激光照射方法并不理想，无法在不影响采集的情况下水平均匀地照射生物组织。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出一种结合透声反光镜的光声层析成像系统及其成像方法。

本发明的一个目的在于提出一种结合透声反光镜的光声层析成像系统。

本发明的结合透声反光镜的光声层析成像系统包括：激光光源、圆锥镜体、透声反光镜、动物台、水槽、探测器和计算机；其中，动物台放置在透声反光镜的中央，与探测器一起放置在水槽内；激光光源发出脉冲激光，竖直入射到圆锥镜体，经反射形成半径沿传播方向随传播距离不断增大的圆环状光束，经透声反光镜反射，在水平面内聚光照射至放置在动物台上的动物体上，产生超声波，经透声反光镜透射，探测器接收超声波，将声信号转换为电信号传输至计算机。

圆锥镜体采用圆锥反射镜或者圆锥透镜。圆锥镜体采用圆锥反射镜，脉冲激光竖直入射到圆锥反射镜，被圆锥反射镜的外侧表面反射，形成圆环状的光束，圆环状的光束的半径沿传播方向随传播距离不断增大，且圆环状的光束的宽度d保持不变。圆锥镜体采用圆锥透镜，脉冲激光垂直于圆锥透镜的圆面透射至圆锥透镜内，在入射角大于或等于临界角的情况下，在圆锥透镜的内侧表面产生全反射，形成圆环状的光束，圆环状的光束的半径沿传播方向随传播距离不断增大，且圆环状的光束的宽度d保持不变。

透声反光镜对入射到表面的光产生反射，对入射的超声波产生透射。透声反光镜采用能够透过超声波的材料，在其内表面镀有反光膜，从而对入射到其表面的光产生反射。透声反光镜的形状为倒圆台的侧面，改变倒圆台的侧面的倾斜角，可以调整从透声反光镜反射的光入射到动物体的入射角。经圆锥镜体反射的光入射到透声反光镜，调整倒圆台的侧面的倾斜角，使入射光经反射后平行出射，从而使得由反圆锥镜体反射形成的圆环状光束，经透声反光镜的反射在水平面内聚光照射至放置在动物台上的动物体上。透声反光镜的形状采用倒圆台的侧面的设计，形成对动物体360°的水平均匀照射，从而在传感器探测时，重构的图像更能准确地反映动物体内的生理结构功能信息。进一步，透声反光镜的材料采用低密度聚乙烯LDPE，LDPE具有与水相近的声阻抗，在水-介质界面处不会有显著的超声反射，并且选取材料的厚度非常薄，进一步减少超声的反射和其在材料内部的衰减，透声反光镜对超声波的损耗很小，从而更有利于超声波透过。

传感器用于探测透过透声反光镜的超声波，可采用圆柱聚焦点传感器、线聚焦点传感器、球聚焦点传感器等中的一种或相应的传感器阵列。

进一步，动物台安装在微调升降架上，微调升降架能够带动动物台在垂直方向上上下移动，从而完成对动物体的纵向逐层扫描。

水槽安装在升降台上，通过调节升降台的高度，带动水槽在垂直方向上上下移动，以便于系统的搭建。

本发明的另一个目的在于提供一种结合透声反光镜的光声层析成像系统的成像方法。

本发明的结合透声反光镜的光声层析成像系统的成像方法包括以下步骤：

1）激光光源发出脉冲激光，竖直入射到圆锥镜体，经反射形成半径沿传播方向随传播距离不断增大的圆环状光束；

2）圆环状光束经透声反光镜反射，在水平面内聚光照射至放置在动物台上的动物体上；

3）动物体接受水平面内聚光照射后产生超声波，经透声反光镜透射，超声波被探测器接收；

4）对动物体进行360°的旋转扫描，当传感器完成一周的扫描采样后，传感器将声信号转换为电信号传输至计算机，计算机处理电信号，得到重构图像。

其中，在步骤4）中，对动物体进行360°的旋转扫描可采用：传感器的探测位置不变，通过旋转动物台3600来实现；或者，采用动物台固定不动，而通过探测器围绕动物体作360°的旋转扫描来实现。也可以采用在透声反光镜的周围安装环形的传感器阵列来实现。

本发明的有益效果：

本发明通过利用透声反光镜，采用LDPE材料作为透声反光镜的材料，具有与水相近的声阻抗，从而在水-介质界面处不会有显著的超声反射，而且由于材料的厚度较小，超声波在材料内部的衰减较小，透声反光镜对超声波的损耗很小，更加有利于超声波透过。进一步，圆锥镜体与倒圆台形的透声反光镜结合，在水平面内聚光照射至动物体上，形成对动物体360°的水平均匀照射，能够在不影响传感器工作情况下对动物体形成一个均匀稳定的照射光场，从而在传感器探测时，重构的图像更能准确地反映动物体内的生理结构功能信息。

附图说明

图1为本发明的结合透声反光镜的光声层析成像系统的结构示意图；

图2为本发明的入射光经圆锥镜体反射的光路的示意图，其中，（a）为圆锥反射镜的示意图，（b）为圆锥透镜的示意图；

图3为本发明的透声反光镜的示意图，其中，（a）为透声反光镜的剖面图，（b）为透声反光镜的立体图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本发明的结合透声反光镜的光声层析成像系统包括：激光光源1、圆锥镜体2、透声反光镜3、动物台4、水槽5、探测器6和计算机7。水槽5安装在升降台51上。

图2本发明的入射光经圆锥镜体反射的光路的示意图。如图2（a）所示，圆锥镜体2采用圆锥反射镜，脉冲激光入竖直入射到圆锥反射镜，被圆锥反射镜的外侧表面反射，形成圆环状的光束，圆环状的光束的半径沿传播方向随传播距离不断增大，且圆环状的光束的宽度d保持不变。如图2（b）所示，圆锥镜体采用圆锥透镜，脉冲激光垂直于圆锥透镜的圆面透射至圆锥透镜内，在入射角i大于或等于临界角θ_c的情况下，即圆锥透镜的顶角α满足α≤π-2θ_c，θ_c为圆锥透镜所用介质的临界角，在圆锥透镜的内侧表面产生全反射，形成圆环状的光束，圆环状的光束的半径沿传播方向随传播距离不断增大，且圆环状的光束的宽度d保持不变。

图3为本发明的透声反光镜的示意图。如图3（b）所示，透声反光镜3的形状为倒圆台的侧面，在其内表面镀有反光膜31，从而对入射到其表面的光产生反射；如图3（a）所示，改变倒圆台的侧面的倾斜角，可以调整从透声反光镜反射的光入射到动物体的入射角，使入射光经反射后平行出射。

在本实施例中，激光光源1发出脉冲激光，经平面镜反射，竖直入射到圆锥镜体2，经反射形成半径沿传播方向随传播距离不断增大的圆环状光束，经透声反光镜3反射，在水平面内聚光照射至放置在动物台4上的动物体上，产生超声波，经透声反光镜3透射，探测器6接收超声波，将声信号转换为电信号传输至计算机7进行分析。

其中，激发光源1采用532nm Nd:YAG激光，脉宽为10ns，光斑半径为8mm，重复频率为10Hz的脉冲激光；圆锥镜体2采用圆锥反射镜，顶角为33.84°；圆锥反射镜3的材料采用硬铝，其外表面的反光膜为金属膜；透声反光镜3的材料采用低密度聚乙烯LDPE，倾斜角为57.34°；传感器6采用中心频率为10MHz的圆柱聚焦点传感器。

进一步，在激光光源1和圆锥镜体2之间放置凸透镜，从激光光源出射的平行光束被凸透镜聚焦，从凸透镜透射经圆锥镜体2和透声反光镜3的反射至动物体所经过的距离为凸透镜的焦距，在动物体上聚焦成直径很小的光点，圆锥镜体与倒圆台形的透声反光镜结合，动物体上形成360°的直径很小的光圈，从而提高了照明效果。并且探测器的焦点也位于动物体上，从而透镜与探测器形成共聚焦。

本实施例中，动物台通过巧妙的设计绑定在升降台上。水槽5的底部设置有通孔，水槽的通孔处设置有橡胶皮，用以密封防水。动物台从水槽5的通孔处经橡胶皮绑定在升降台上。动物台包括基底和动物固定体，基底安装在升降台上，动物固定体安装在基地上，用于固定动物。基底的尺寸与通孔相匹配，基底的材料采用磁铁，从水槽的通孔经橡胶皮吸附在金属的升降台51上。动物固定台的形状为具有一定厚度的圆筒，尺寸与基底相匹配，材料采用琼脂（agar）或者琼脂糖（agarose），从而可以使被探测的小动物束缚在其内部，以便扫描探测。

最后应说明的是：虽然本说明书通过具体的实施例详细描述了本发明使用的参数，结构及其成像方法，但是本领域的技术人员应该理解，本发明的实现方式不限于实施例的描述范围，在不脱离本发明实质和精神范围内，可以对本发明进行各种修改和替换，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。

Claims

1.一种光声层析成像系统，其特征在于，所述成像系统包括：成像系统包括：激光光源（1）、圆锥镜体（2）、透声反光镜（3）、动物台（4）、水槽（5）、探测器（6）和计算机（7）；其中，所述动物台（4）放置在透声反光镜（3）的中央，与所述探测器（6）一起放置在水槽内；所述激光光源（1）发出脉冲激光，竖直入射到所述圆锥镜体（2），经反射形成半径沿传播方向随传播距离不断增大的圆环状光束，经所述透声反光镜（3）反射，在水平面内聚光照射至放置在所述动物台（4）上的动物体上，产生超声波，经所述透声反光镜（3）透射，所述探测器（6）接收超声波，将声信号转换为电信号传输至所述计算机（7）。

2.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述圆锥镜体（2）采用圆锥反射镜或者圆锥透镜，且圆锥透镜的顶角α满足α≤π-2θ_e，θ_e为圆锥透镜所用介质的临界角。

3.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述透声反光镜（3）采用能够透过超声波的材料，在其内表面镀有反光膜（31）。

4.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述透声反光镜（3）的形状为倒圆台的侧面。

5.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述传感器（6）采用圆柱聚焦点传感器、线聚焦点传感器、球聚焦点传感器等中的一种或相应的传感器阵列。

6.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述动物台安装在微调升降架上，微调升降架能够带动动物台在垂直方向上上下移动，从而完成对动物体的纵向逐层扫描。

7.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述水槽（5）安装在升降台（51）上，通过调节所述升降台（51）的高度，带动所述水槽（5）在垂直方向上上下移动。

8.如权利要求3所述的成像系统，其特征在于，所述透声反光镜的材料采用低密度聚乙烯LDPE。

9.一种光声层析成像系统的成像方法，其特征在于，所述控制方法，包括以下步骤：

4）对动物体进行3600的旋转扫描，当传感器完成一周的扫描采样后，传感器将声信号转换为电信号传输至计算机，计算机处理电信号，得到重构图像。

10.如权利要求9所述的成像方法，其特征在于，在步骤4）中，对动物体进行3600的旋转扫描采用：传感器的探测位置不变，通过旋转动物台3600来实现；或者，采用动物台固定不动，而通过探测器围绕动物体作3600的旋转扫描来实现；或者，采用在透声反光镜的周围安装环形的传感器阵列来实现。