CN105249933A - 光声分子三维成像仪 - Google Patents

Abstract

光声分子三维成像仪，属于三维医疗成像诊断导航技术领域。本发明是为了解决现有医疗成像设备成像精度低，可靠性差的问题。它的激光器发射出连续激光，经过声光调制器调制后，经凸透镜汇聚于反射镜上，反射镜的反射光束入射至待成像组织后，使待成像组织产生压力变化，从而产生超声波；该超声波被超声换能器接收，并被前置放大器进行信号放大后，再经AD转换器转变成数字信号，传递给多通道信号采集单元；多通道信号采集单元将采集的数字信号传递给数字信号处理单元，保留待成像组织的特征数据；该特征数据采用三维图像重构单元进行振幅及相位的处理，获得调制振幅及相位数据并保存。本发明用于待成像组织的三维成像。

Description

光声分子三维成像仪

技术领域

本发明涉及光声分子三维成像仪，属于三维医疗成像诊断导航技术领域。

背景技术

现有用于医疗诊断的成像设备，常采用X射线成像，它能获得人体组织的灰度照片，这种照片只是人机体的一个稀疏替代品，其成像技术在成像深度与分辨率上不能兼顾，因此，将成像结果作为医疗辅助，存在成像精度低，可靠性差的问题。

发明内容

本发明目的是为了解决现有医疗成像设备成像精度低，可靠性差的问题，提供了一种光声分子三维成像仪。

本发明所述光声分子三维成像仪，它包括激光器、声光调制器、凸透镜、反射镜、超声换能器、前置放大器、AD转换器、多通道信号采集单元、数字信号处理单元和三维图像重构单元，

激光器发射出连续激光，该连续激光为在激光器内部经过高频脉冲波形信号调制后形成的光强度按调制信号曲线变化的连续激光；该连续激光经过声光调制器调制后，经凸透镜汇聚于反射镜上，反射镜的反射光束入射至待成像组织后，使待成像组织产生压力变化，从而产生超声波；该超声波被超声换能器接收，并被前置放大器进行信号放大后，再经AD转换器转变成数字信号，传递给多通道信号采集单元；

多通道信号采集单元将采集的数字信号传递给数字信号处理单元，数字信号处理单元将接收的数字信号依次进行滤波、鉴频、卷积和快速傅里叶变换处理后，保留待成像组织的特征数据；该特征数据采用三维图像重构单元进行振幅及相位的处理，获得调制振幅及相位数据并保存；

改变反射镜的反射光束在待成像组织上的入射点，获得不同的调制振幅及相位数据；三维图像重构单元将所有调制振幅及相位数据进行重构，生成待成像组织的三维图像。

它还包括调制信号发生器和驱动器，

调制信号发生器用于产生同步调制信号，该同步调制信号连接多通道信号采集单元的驱动信号输入端和驱动器的驱动信号输入端，驱动器的驱动信号输出端连接声光调制器的驱动信号输入端。

本发明的优点：本发明成像所依据数据源为待成像组织的超声信号，超声信号的获取克服了现有成像技术在成像深度与分辨率上不可兼得的不足。因此，光声成像能够获得高对比度和高分辨率的组织影像。

光声成像基本粒子能直达待成像组织7厘米的深处，大约3英寸，它依据探测到的光声信号来重建组织内光能量吸收分布的图像，很好地结合了光学和超声两种成像技术的优点，能够更加精确的辅助医生进行诊断和手术导航。

附图说明

图1是本发明所述光声分子三维成像仪的结构框图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述光声分子三维成像仪，它包括激光器1、声光调制器2、凸透镜3、反射镜4、超声换能器5、前置放大器6、AD转换器7、多通道信号采集单元8、数字信号处理单元9和三维图像重构单元10，

激光器1发射出连续激光，该连续激光为在激光器1内部经过高频脉冲波形信号调制后形成的光强度按调制信号曲线变化的连续激光；该连续激光经过声光调制器2调制后，经凸透镜3汇聚于反射镜4上，反射镜4的反射光束入射至待成像组织后，使待成像组织产生压力变化，从而产生超声波；该超声波被超声换能器5接收，并被前置放大器6进行信号放大后，再经AD转换器7转变成数字信号，传递给多通道信号采集单元8；

多通道信号采集单元8将采集的数字信号传递给数字信号处理单元9，数字信号处理单元9将接收的数字信号依次进行滤波、鉴频、卷积和快速傅里叶变换处理后，保留待成像组织的特征数据；该特征数据采用三维图像重构单元10进行振幅及相位的处理，获得调制振幅及相位数据并保存；

改变反射镜4的反射光束在待成像组织上的入射点，获得不同的调制振幅及相位数据；三维图像重构单元10将所有调制振幅及相位数据进行重构，生成待成像组织的三维图像。

工作过程：

1、连续激光经过高频脉冲波形信号调制后，形成光强度按调制信号曲线变化的调制激光。所述高频脉冲约为10兆。

2、调制激光经声光调制器分光、传输后，再经聚光处理，并由反射镜4反射于待成像组织的某点，在光点上的组织会产生与调制激光波形相关联的温度变化，随着组织的温度变化将产生组织的压力变化，从而产生微弱的超声波。随着组织特性的不同，产生的超声波的强度和频率会有所不同。

3、通过超声换能器5检测到微弱的超声波，并将这些微弱的超声波转换成电信号，所述微弱的超声波大约为几个毫帕。

4、将这些微弱的电信号经过放大等处理后，通过高速A/D转换，转换成数字信号。

5、所述数字信号经过数字滤波、鉴频、卷积和快速傅里叶变换FFT等算法处理后，保留那些与被调试激光照射过的组织特征有关的参数如：振幅、相位等数据。

6、改变调制激光的照射点，重复1到5步骤的操作。

7、经过采集不同位置上照射后所产生的超声波数据，将这些数据在计算机上进行三维图像重构，从而形成不同位置上的组织的不同特征，通过这些不同特征找到组织不同位置是否有病灶发生或病理改变问题。从而实现辅助诊断和手术导航。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，它还包括调制信号发生器11和驱动器12，

调制信号发生器11用于产生同步调制信号，该同步调制信号连接多通道信号采集单元8的驱动信号输入端和驱动器12的驱动信号输入端，驱动器12的驱动信号输出端连接声光调制器2的驱动信号输入端。

光声成像的主要用途是检测氧代谢，氧代谢是癌症的一大标志，所以光声成像将使癌症的诊断变得更早、更有效。本发明的实施不同于X射线成像，不会产生任何健康威胁，可配合内源性造影剂，获得彩色分子图像，是一种基于生物组织内部光学吸收差异、以超声做媒介的无损生物光子成像方法。所述成像仪具有集成化、小型化的优势，价格更便宜，使用更便捷，利于普及和推广。

工作原理：因为激光的特点是窄线宽，利用生物组织的高光谱选择性吸收差异，光声成像就能够实现高特异性光谱组织的选择激发，所以不仅可以反映组织结构特征，更能够实现功能成像，光声成像开创了一种有别于传统医学影像技术的新成像方法与技术手段。

光声成像结合了光学成像和声学成像的优点。一方面，比纯光学成像穿透更深，可突破激光共聚焦显微成像LCSM、双光子激发显微成像TPEF、光学弱相干层析成像OCT等高分辨率光学成像深度的软极限，约为1mm左右；另一方面，比传统的MRI以及PET成像拥有更高的分辨率；其图像分辨率可达到亚微米、微米量级，可实现高分辨率的分子成像。更重要的是光声成像是一种非侵入式成像技术，这对于人体成像非常重要。由于使用的激光功率密度低于生物组织损伤阈值，组织中产生的超声场强度远远低于组织的损伤阈值，所以光声成像是一种非入侵、非电离的无损伤的成像技术。

因此，无损光声成像作为一种新兴的医学影像技术，能够在一定的深度下获得足够高的分辨率和图像对比度，图像传递的信息量大，可以提供形态及功能信息，在医学应用领域具有广阔的应用前景。

光声成像能够有效的进行生物组织结构和功能成像，为研究生物组织的形态结构，生理特征，病理特征，代谢功能等提供了重要的手段，特别适合于癌症的早期检测和治疗监控，已经成为一个快速发展的研究领域。

光声成像目前可用于：

1、心血管研究：对小动物活体进行心血管疾病，比如血管生成//生长、心肌炎、血栓、心梗等的深入研究，系统可输出血红蛋白浓度和血氧饱和度的定量数据。逐步应用临床试验。

2、药物代谢研究：利用分子影像学技术，实时监测标记药物在动物体内的运动情况，从而判断该药物是否能够准确到达靶区和代谢途径，以及治疗效果评测。

3、肿瘤研究：进行直接、快速地测量和跟踪各种癌症模型中肿瘤的生长和转移，及伴随的血管生成过程，如肝癌模型、骨转移模型等；并可对肿瘤的生长和转移或癌症治疗中血红蛋白浓度和血氧饱和度的变化、血管生成抑制效果等信息进行实时成像与分析。

4、疾病早期诊断：用分子影像学可对分子水平的病变进行检测，进行以病理改变为评判基础疾病诊断，实现疾病早期诊断。

5、根据光声三维成像视频，医生可以实时全面了解病灶周围组织的解剖结构关系，提高手术效果，实现手术实时导航。

其它应用领域：如基因表达、干细胞及免疫、.细菌与病毒、分子光学、脑科学研究等。

Claims (2)

1.一种光声分子三维成像仪，其特征在于，它包括激光器(1)、声光调制器(2)、凸透镜(3)、反射镜(4)、超声换能器(5)、前置放大器(6)、AD转换器(7)、多通道信号采集单元(8)、数字信号处理单元(9)和三维图像重构单元(10)，

激光器(1)发射出连续激光，该连续激光为在激光器(1)内部经过高频脉冲波形信号调制后形成的光强度按调制信号曲线变化的连续激光；该连续激光经过声光调制器(2)调制后，经凸透镜(3)汇聚于反射镜(4)上，反射镜(4)的反射光束入射至待成像组织后，使待成像组织产生压力变化，从而产生超声波；该超声波被超声换能器(5)接收，并被前置放大器(6)进行信号放大后，再经AD转换器(7)转变成数字信号，传递给多通道信号采集单元(8)；

多通道信号采集单元(8)将采集的数字信号传递给数字信号处理单元(9)，数字信号处理单元(9)将接收的数字信号依次进行滤波、鉴频、卷积和快速傅里叶变换处理后，保留待成像组织的特征数据；该特征数据采用三维图像重构单元(10)进行振幅及相位的处理，获得调制振幅及相位数据并保存；

改变反射镜(4)的反射光束在待成像组织上的入射点，获得不同的调制振幅及相位数据；三维图像重构单元(10)将所有调制振幅及相位数据进行重构，生成待成像组织的三维图像。

2.根据权利要求1所述的光声分子三维成像仪，其特征在于，它还包括调制信号发生器(11)和驱动器(12)，

调制信号发生器(11)用于产生同步调制信号，该同步调制信号连接多通道信号采集单元(8)的驱动信号输入端和驱动器(12)的驱动信号输入端，驱动器(12)的驱动信号输出端连接声光调制器(2)的驱动信号输入端。