CN106725348A - 一种吸收体吸收系数测量和同时光声成像的无损检测方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种吸收体吸收系数测量和同时光声成像的无损检测方法及其装置，检测方法使用光纤经由组织通道在体内进行光声激发；利用长焦区的聚焦式超声换能器无损得到吸收体上下边界光声信号P1、P2以及时间间隔Dt；借助吸收体的吸收系数a和吸收体上下两边界的光声压幅值之比P2/P1与厚度l的关系反演出吸收系数a；结合换能器的线性扫描同时得到吸收体的光声图像；检测装置包括基于弥散光纤的光声激发部分、电控机械扫描部分、基于水浸式长焦区聚焦超声换能器的超声采集与处理部分。该检测方法能无损的光声激发和光声信号采集，克服了波长相关的能流率的影响，结果无需校正，能同时进行吸收体二维光声成像；该检测装置简易，操作简便，便于临床推广。
Description
技术领域
本发明涉及医学光子诊断方法及设备，特别是涉及一种生物组织的吸收体吸收系数测量和同时光声成像的无损检测方法及其装置。
背景技术
组织的光学吸收系数在反映组织生理状态及光动力疗法的计量确定中非常重要。由于组织对光传播的强散射作用，传统的组织光学还没有完全解决组织体光学吸收系数的无损测量。光声技术以光致超声的物理效应为基础，通过检测光声信号来反映组织体的光能量吸收的差异，因此探测到的光声信号包含大量的组织内吸收体的光学吸收系数信息。在光声成像技术中，由于探测的是超声信号，而组织体对超声信号的散射作用相对于光信号要弱2到3个数量级，可避免生物组织对光的强散射带来的光穿透深度和空间分辨率不足的问题。因此，自组织光声成像技术提出以来许多的研宄工作试图从探测的光声信号中挖掘出组织的光吸收系数。可以将目前形成的方法归纳为：一种是基于光声信号时域分布的测量方法，二是基于迭代算法的频域光声的测量方法。另外的基于在不同声波频率的相对变化的光声信号光谱信息也用于测量光吸收系数，但是这种方法需要采用两个不同波长，并忽略了波长相关的能流率的影响。一种结合光传输模型并利用小波变换修正光声信号多频率的传播衰减测量组织光学吸收系数的方法，由于采用外部光辐照和前向声探测并不适用于活体检测，且无法进行二维成像。因此，如何对深部活体组织吸收体展开无损、在体的快速测量吸收系数及成像对于组织光学和光热治疗等具有十分重要的意义。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种吸收体吸收系数测量和同时光声成像的无损检测方法及其装置，所述检测方法能够无损的光声激发和光声信号采集，克服了波长相关的能流率的影响，结果无需校正，另外的容易同时进行吸收体的二维光声成像；所述检测装置简易，操作简便，便于临床推广。
本发明采用以下方案实现：一种吸收体吸收系数测量和同时光声成像的无损检测方法，包括以下步骤：
步骤S1：多光谱脉冲激光器输出的一定波长短脉冲激光经二维可调光纤耦合器至柱状弥散光纤；所述柱状弥散光纤经由嵌有纯吸收体的组织样品通道插入样品内部适当位置，在内部对样品进行无损全方位光辐照；
步骤S2：在柱状弥散光纤光源的激发下，样品内部多个空间位置的吸收体产生光声信号；光声信号经组织体与超声耦合液外传后由置于超声耦合液的水浸式长焦区聚焦超声换能器在样品外部无损接收，所述超声换能器受控于二维电控平移台；
步骤S3：水浸式长焦区聚焦超声换能器所接收的光声信号由低噪声脉冲超声收发器进行限幅、整形、滤波和放大后送入多通道数字荧光示波器，利用光电二极管同步接收脉冲激光并转化为光电信号触发示波器，进行信号监测与采集，所得信号经示波器取多次平均之后，通过GPIB卡把数据传给计算机以保存和处理；
步骤S4：利用计算机控制的步进电机精确控制并驱动二维电控可调平移台对水浸式长焦区聚焦超声换能器做直线平移实现扫描获取光声数据，逐点生成的光声信号数据依次进行接收调理放大和采集保存；
步骤S5：在计算机上对采集的光声信号进行处理，直接在计算机上用灰度变化呈现光声信号的时辨变化和空间变化，得到扫描平面样品内部光学吸收体的二维灰度光声图像；
步骤S6：计算机利用吸收体上下边界的光声信号P1、P2的时间间隔Δt和声速V的乘积获得吸收体厚度l，利用上下边界的光声信号幅值之比P2/P1与吸收体系数α和厚度l的关系P2/P1＝exp(αl)，计算出吸收体的光学吸收系数α；
步骤S7：返回步骤S1，采用多光谱脉冲激光器输出新的一定波长短脉冲激光，获得不同波长下的光声图像及光学吸收系数α(λ)。
所述步骤S6中，所述计算机获得吸收体光学吸收系数所采用的技术原理是：
光声成像中利用纳秒级脉冲激光照射生物样品，样品中吸收体吸收光能量，发生热弹性膨胀，随后产生超声信号。由于光声信号直接与内部光吸收相关，在忽略热传导的情况下，光声压满足方程：
式中，p表示光声压，是空间位置，t表示时间，c是超声声速，β为介质的体元热膨胀系数，Cp是定容比热，是热源的时空分布，设为光吸收能量密度的空间分布，入射脉冲激光的时间分布函数为I(t)，超声探测器的脉冲响应为h(t)，则探测到的光声压表示为：
式中*表示卷积运算，式中I(t)*h(t)为整个探测系统的脉冲响应；
对于给定的光声探测系统，探测系统的脉冲响应是固定的，因此光声压与光吸收能量密度成正比，
K为与超声参数，格日尼森系数以及热转换效率有关的比例系数；
光吸收能量密度是吸收系数与局部光能流率的乘积，
对于光在散射介质中的能流分布F，用漫射理论来描述，在柱弥散光源照射时吸收体下表面位置的能流率表示为：
其中P0是激光功率(w/cm2)，μeff为有效衰减系数，D为背景散射介质漫射系数(cm-1),其中μeff＝(μa/D)1/2；
由于吸收体尺度远比光纤光源大得多，在纯吸收体内部能流率随深度z的分布服从比尔定律，
因此吸收体上下边界处的光声信号P1和P2可分别表示为：
将上面两式相除，得到
P2/P1＝exp(αl)
(9)
上式说明了，吸收体上下两边界的光声压幅值之比P2/P1只与吸收体系数α和厚度l有关。利用下述方程可以反演计算出吸收体的吸收系数α。
本发明还提供一种吸收体吸收系数测量和同时光声成像的无损检测装置，包括光声激发光源部分、电控机械扫描部分、超声采集与处理部分；所述光声激发光源部分包括脉冲激光器、二维可调光纤耦合器以及光纤；所述电控扫描部分包括二维电控可调平移台以及与其相连的通过计算机控制的步进电机，用以进行水平面的二维机械扫描；所述超声采集与处理部分包括水槽、超声耦合液、超声换能器、低噪声脉冲超声收发器、多通道数字荧光示波器以及计算机；所述超声换能器置于二维电控可调平移台上，并浸没于充有超声耦合液的水槽内，获取一维时间分辨超声信号。
进一步地，所述脉冲激光器为多光谱脉冲激光器，所述脉冲激光器的输出端经所述二维可调光学耦合器耦入所述光纤输入端。
进一步地，所述光纤为多模柱状弥散光纤，末端带有一定长度弥散发光段。
进一步地，所述超声换能器为水浸式长焦区聚焦超声换能器。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、利用柱状弥散光纤可实现体内全方位无损光辐照，有利于深部吸收体的光声激发；
2、利用长焦区的聚焦式超声换能器覆盖大深度的光声信号，可同时得到深部吸收体上下边界光声信号P1、P2幅度变化以及时间间隔信息Δt；
3、利用吸收体的吸收系数α和吸收体上下两边界的光声压幅值之比P2/P1与厚度l的方程式可以反演计算出吸收体吸收系数α，所得结果无需校正。
4、容易结合二维扫描同时得到吸收体的二维光声图像；
5、特别的对于前列腺等深部组织的临床无损监测和治疗有重要意义；
附图说明
图1是本发明的检测装置示意图。
图2是本发明的光声实验模型截面示意图。
图3是本发明的典型时辨光声信号示意图。
图4是本发明的实验样品示意图。
图5是本发明的二维扫描光声图像。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
在本实施例中，该方法的光声激发和探测原理模型如图2所示。图2中长方体状的纯吸收体埋在方形散射介质中，令纯吸收体吸收系数为a，散射系数可忽略，周围散射介质的光学性质用散射系数μs，吸收系数μa，各向异性因子g描述。图2中Z0表示吸收体下表面至弥散光源表面的距离，l表示吸收体的厚度。
本实施例提供一种吸收体吸收系数测量和同时光声成像的无损检测装置，包括光声激发光源部分、电控机械扫描部分、超声采集与处理部分；所述光声激发光源部分包括多光谱脉冲激光器、二维可调光纤耦合器以及柱状弥散光纤；所述电控扫描部分包括二维电控可调平移台与通过计算机控制的步进电机，用以进行水平面的二维机械扫描；所述超声采集与处理部分包括水槽、超声耦合液、水浸式长焦区聚焦式超声换能器、低噪声脉冲超声收发器、多通道数字荧光示波器以及计算机；所述水浸式长焦区聚焦超声换能器置于二维电控可调平移台上，并浸没于以水作为超声耦合液的水槽内，获取一维时间分辨超声信号。
在本实施例中，脉冲光源采用倍频的Q开关Nd:YAG脉冲激光器(Surelite I-10,Continuum,West Newton,MA,USA)，波长532nm，脉宽6ns，单个脉冲能量约为6mJ，重复频率10Hz.输出激光束经光学耦合器耦合至定制的多模柱状弥散光纤进行全方位光声激发,定制的多模柱状弥散光纤传输激光波段为490～800nm，总长3m，芯径为0.6mm，外部套有保护层，总直径约1.5mm，尾部带有弥散段，长度为2cm.用水浸式长焦区聚焦超声换能器(V381,Panametrics,Hamburg,Germany)在外部接收超声信号，所用换能器中心频率3.5MHz,带宽为2.42～4.96MHz，直径19mm，聚焦长度为60.630mm，焦区长度为30.3mm，焦斑直径为1.39mm，F数为3.68.换能器所接收的信号由频带范围为0～30MHz的超声脉冲发生器/接收器(5800PR,Parametric-NDT,Hamburg,Germany)进行限幅、整形、滤波和放大后送入带宽500MHz、采样率为5Gs/s、四通道的数字示波器(TDS3054C,Tektronix,Johnston,OH,USA)进行信号监测与采集，所得信号经示波器取多次平均之后，通过GPIB卡(NI-488.2，NationalInstruments)把数据传给计算机以保存和处理，利用光电二极管PIN(ET-2030,Electro-Optics Technology,Inc)同步接收脉冲激光并转化为光电信号触发示波器。组织样品上表面滴水形成水膜后与水槽底部相接触，水槽底部开有圆孔，直径5cm并由透声膜封住.长焦区聚焦式超声换能器浸没于以水作为超声耦合液的水槽内，获取一维时间分辨超声信号。在计算机上对采集的光声信号进行处理，直接在计算机上用灰度变化呈现光声信号的时辨变化和空间变化，得到扫描平面样品内部光学吸收体的二维灰度图像；最后计算机利用吸收体上下边界的光声信号P1、P2的时间间隔Δt和声速V的乘积获得吸收体厚度l，利用上下边界的光声信号幅值之比P2/P1与吸收体系数α和厚度l的关系P2/P1＝exp(αl)，计算出532nm波长下吸收体的光学吸收系数α；
将上述装置应用于吸收体吸收系数测量和同时光声成像的无损检测方法中，采用嵌有纯吸收体的柱状散射介质为模拟样品，其中柱状散射介质由一定量的琼脂粉，20％脂肪乳和蒸馏水烧制成，脉冲光在其中的吸收系数可忽略，在其中预留一个1.5mm通道用于插入光纤。埋入的块状吸收体由不同体积的墨汁和2g琼脂粉以及100ml蒸馏水组成，并切成5mm厚度，长约1.2cm，宽约6mm，下表面距离光源约4-5mm。
在本实施例中，图3为典型的深度分辨的光声信号。利用紫外一近红外分光光度计PElambda950测量与采用光声方法得到的样品在532nm波长处吸收系数的比较结果表明两种方法测量结果相近，其误差为-0.027mm-1，其相对误差为-9.54％。结合二维扫描可得到吸收体的光声图像，图4和图5为对吸收体进行扫描得到的典型二维图像，图4为实验样品，图5为扫描得到的二维光声图像，图像的灰度大小反映光声信号强度。
借助弥散光纤光源在体内进行光声激发由长焦区聚焦探头的体外声探测能够获取深度方向的全部光声信号，可同时得到吸收体上下边界光声信号幅度变化以时间间隔信息，能够进行深部吸收体吸收系数的在体无损快速测量，而且可同时获取吸收体的位置和尺寸信息，有明显的优势。
本发明的以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (5)
1.一种吸收体吸收系数测量和同时光声成像的无损检测方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤S1：多光谱脉冲激光器输出的一定波长短脉冲激光经二维可调光纤耦合器至柱状弥散光纤；所述柱状弥散光纤经由嵌有吸收体的组织样品的通道插入样品内部适当位置，在内部对样品进行无损全方位光辐照；
步骤S2：在柱状弥散光纤光源的激发下，样品内部多个空间位置的吸收体产生光声信号；光声信号经组织体与超声耦合液外传后由置于超声耦合液的水浸式长焦区聚焦超声换能器在样品外部无损接收，所述超声换能器受控于二维电控平移台；
步骤S3：水浸式长焦区聚焦超声换能器所接收的光声信号由低噪声脉冲超声收发器进行限幅、整形、滤波和放大后送入多通道数字荧光示波器，利用光电二极管同步接收脉冲激光并转化为光电信号触发示波器，进行信号监测与采集，所得信号经示波器取多次平均之后，通过GPIB卡把数据传给计算机以保存和处理；
步骤S4：利用计算机控制的步进电机精确控制并驱动二维电控可调平移台对水浸式长焦区聚焦超声换能器做直线平移实现扫描获取光声数据，逐点生成的光声信号数据依次进行接收调理放大和采集保存；
步骤S5：在计算机上对采集的光声信号进行处理，直接在计算机上用灰度变化呈现光声信号的时辨变化和空间变化，得到扫描平面样品内部光学吸收体的二维灰度光声图像；
步骤S6：计算机利用吸收体上下边界的光声信号P1、P2的时间间隔Δt和声速V的乘积获得吸收体厚度l，利用上下边界的光声信号幅值之比P2/P1与吸收系数α和厚度l的关系P2/P1＝exp(αl)，反演出吸收体的光学吸收系数α；
步骤S7：返回步骤S1，采用多光谱脉冲激光器输出新的一定波长短脉冲激光，获得不同波长下的光声图像及光学吸收系数α(λ)。
2.一种吸收体吸收系数测量和同时光声成像的无损检测装置，其特征在于：包括光声激发光源部分、电控机械扫描部分、超声采集与处理部分；所述光声激发光源部分包括脉冲激光器、二维可调光纤耦合器以及光纤；所述电控扫描部分包括二维电控可调平移台以及与其相连的通过计算机控制的步进电机，用以进行水平面的二维机械扫描；所述超声采集与处理部分包括水槽、超声耦合液、超声换能器、低噪声脉冲超声收发器、多通道数字荧光示波器以及计算机；所述超声换能器置于二维电控可调平移台上，并浸没于充有超声耦合液的水槽内，获取一维时间分辨超声信号。
3.根据权利要求2所述的一种吸收体吸收系数测量和同时光声成像的无损检测装置，其特征在于：所述脉冲激光器为多光谱脉冲激光器，所述脉冲激光器的输出端经所述二维可调光学耦合器耦入所述光纤。
4.根据权利要求2所述的一种吸收体吸收系数测量和光声成像的无损检测装置，其特征在于：所述光纤为多模柱状弥散光纤，末端带有一定长度弥散发光段。
5.根据权利要求2所述的一种吸收体吸收系数测量和光声成像的无损检测装置，其特征在于：所述超声换能器为水浸式长焦区聚焦超声换能器，并受控于二维电控平移台，其聚焦轴向与光纤光线方向平行。
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