CN106769877A - 一种生物组织频域光声成像检测方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物医学领域，具体涉及一种生物组织频域光声成像检测方法与系统。所述方法具体步骤如下：（1）将待测生物组织样本预处理后置于容器7中；（2）用水浸没上述样本，并将液体耦合声波传感器探头放入水中预浸润25~35min；（3）启动计算机，计算机运行预编程控制软件；（4）调节激光光斑焦点，使其位于生物组织样本表层；（5）设置激光器功率，设置函数发生器参数；（6）运行控制程序；（7）运行不同的工作模式。本发明的有益效果是：一种生物组织频域光声成像检测方法与系统，克服了传统光声检测方法的不足，采用频域光声方法，信噪比高，检测深度大，对比度高；系统设备成本低，检测效果好，操作简单，使用方便。

Description

一种生物组织频域光声成像检测方法与系统

技术领域

本发明属于生物医学无损检测领域，具体涉及一种生物组织频域光声成像检测方法与系统。

背景技术

生物医学成像方法在临床诊断，实验研究等领域有着重要的意义。传统光学成像方法凭借其分辨率高，无电离辐射等优势，在生物一些成像领域已被深入研究与广泛应用。但是由于生物组织对光的散射作用，传统光学成像方法的成像深度一般小于光子在组织中的平均自由程，对深层生物组织的检测能力较低。光声成像方法利用散射光子进行声信号激发，采用声探测器对组织深层的声信号进行采集，由于声波在组织中的衰减小于光波，其成像深度突破了光子在生物组织中的平均自由程，可以对深层组织的结构与各项参数进行有效描绘。因此光声成像检测方法在生物医学检测领域有着重要的意义。

目前生物医学光声成像检测通常采用时域方法，以脉冲激光作为光源，通过对光声信号飞行时间与幅值的测量反演生物组织内光学吸收体的位置及各项参数。其具有以下的不足：（1）时域光声成像的深度方向分辨率取决于声波传感器的带宽，而目前的技术难以制造带宽大且信噪比低的声波传感器；（2）脉冲激光器的抖动误差和声波传感器的瞬态响应误差较大，因此会对吸收体结构及物理参数的反演精度产生不利影响；（3）脉冲激光具有很高的峰值功率，虽然其功率会被限定于热损伤阈值之内，但仍可能对生物组织造成潜在的不良影响；（4）高功率纳秒脉冲激光器的成本较高，设备重量及体积大。

发明内容

本发明的目的在于克服克服现有光声成像技术的不足，提供一种生物组织频域光声成像检测方法与系统。

本发明的频域光声成像检测方法采用线性频率扫描调制的连续近红外激光照射被检测体，通过相关信号处理方法对光声信号进行处理从而提高信噪比。通过对频域光声信号的傅里叶逆变换可以将频域结果转化为时域，从而对生物组织的内部结构进行成像。

本发明为实现上述目的，采取的技术方案如下：

一种生物组织频域光声成像检测的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：将待测量的生物组织5进行预处理并制成样本，并将生物组织样本置入容器7中；

步骤二：在所述的容器7中加入水6作为耦合液，浸没生物组织样本5mm，将液体耦合声波传感器16的探头置入容器7内的水6中，对液体耦合声波传感器16的探头预浸润25~35min；

步骤三：启动计算机12，所述的计算机12内运行预编程的控制软件；

步骤四：调节准直镜3及聚焦物镜4的位置，并调节手动升降台8，使激光光斑焦点位于生物组织样本表层；

步骤五：设置激光器1的功率为95~105mw，在所述的控制软件中设置函数发生器14的参数，所述的参数包括波形、幅值、扫描起止频率与扫描速率；

步骤六：在计算机12上运行控制程序，所述程序是基于LabVIEW平台的频域光声成像检测程序，该程序包含频率扫描与位置扫描两个子程序；

步骤七：若进行单点的频率扫描，则运行频率扫描程序，计算机12将获取的幅值与相位数据生成幅频与相频特性曲线，并通过傅里叶逆变换生成时域光声信号幅值-时间波形，从而完成单点频域扫描检测；

若进行二维位置扫描，则需先设置调制信号的波形、幅值与频率并运行位置扫描程序，计算机12将控制电控二维位移平台9进行逐点移动，在每个扫描点采集幅值与相位数据，并将数据存入矩阵，生成幅值与相位的位置分布图像。

一种实现权利要求1所述的生物组织频域光声成像检测方法的系统，所述系统包括激光器1、光纤2、准直镜3、聚焦物镜4、水6、容器7、手动升降台8、电控二维位移平台9、光学平台10、电控二维位移平台控制器11、计算机12、锁相放大器13、函数发生器14、声波传感器电源15、液体耦合声波传感器16及其前置放大器17；

所述的容器7内加入水6作为耦合液，所述的液体耦合声波传感器16的探头置入容器7内的水6中，所述的声波传感器电源15分别给液体耦合声波传感器16及前置放大器17供电，所述的锁相放大器13、计算机12、函数发生器14及激光器1均分别设有内置电源，所述的函数发生器14的线性调频信号输出端与激光器1的信号输入端相连，所述的激光器1的输出光通过光纤2导入至准直镜3，所述的准直镜3发射的平行光通过聚焦物镜4聚焦，液体耦合声波传感器16的信号输出端与前置放大器17的信号输入端相连，所述的前置放大器17的放大信号输出端与锁相放大器13的信号输入端相连，所述的锁相放大器13的参考信号输入端与函数发生器14的参考信号输出端相连，所述的锁相放大器13与计算机12采用双向信号传输，所述的计算机12与电控二维位移平台控制器11采用双向信号传输（即锁相放大器13与电控二维位移平台控制器11均由计算机12控制），电控二维位移平台控制器11用于控制电控二维位移平台9，所述的电控二维位移平台9设置在光学平台10上，所述的手动升降台8设置在二维位移平台9上，容器7设置在手动升降台8上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明可广泛应用于生物医学无损检测领域。例如临床医学诊断中皮肤、大脑、乳腺组织的成像检测，肿瘤的早期诊断等。科学研究中可对小动物进行高分辨的结构与功能成像。

（2）本发明的生物组织频域光声成像检测方法，与传统光学检测方法相比，突破了生物组织中光子运动平均自由程的限制，成像深度可达50mm。与传统声学检测方法相比，可对传统声学检测方法难以区分的声学特性相似组织进行成像检测，成像对比度高，分辨率可达0.5mm。

（3）本发明采用无辐射电离的激光作为激发源，与采用X射线作为激发源的传统生物医学检测方法相比，频域光声成像检测不会对生物组织造成不良影响，安全度更高。

（4）本发明采用连续激光作为光源，与采用脉冲激光作为光源的时域光声成像方法相比有着显著优势。首先，低功率激光不会对组织造成潜在的不良影响，安全度更高。其次，系统抖动误差与瞬态误差小，输出与响应更加稳定。最后，系统的成本较低，仅为同水平脉冲时域光声成像系统的五分之一至十分之一。

（5）本发明的生物组织频域光声成像检测系统，所采用的设备成本低，检测效果好，操作简单，使用方便。

综上，本发明适用生物医学无损检测，可对生物组织表层与内部结构参数以及光学参数进行检测。

附图说明

图1为本发明的生物组织频域光声成像检测系统的示意图；

图2为本发明的系统对生物组织中阶梯状预置异物的幅值（a）与相位（b）成像及对应异物的位置（c）的示意图。

图3为相位成像对生物组织中阶梯状预置异物的三维表征示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：如图1所示，一种生物组织频域光声成像检测的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：将待测量的生物组织5进行预处理（即将待检测的生物组织5进行去除毛发，预置异物处理）并制成样本，并将生物组织样本置入容器7中；

步骤二：在所述的容器7中加入水6作为耦合液，浸没生物组织样本5mm，将液体耦合声波传感器16的探头置入容器7内的水6中，对液体耦合声波传感器16的探头预浸润25~35min；

步骤三：启动计算机12，所述的计算机12内运行预编程的控制软件；

步骤四：调节准直镜3及聚焦物镜4的位置，并调节手动升降台8，使激光光斑焦点位于生物组织样本表层；

步骤五：设置激光器1的功率为95~105mw，在所述的控制软件中设置函数发生器14的参数，所述的参数包括波形、幅值、扫描起止频率与扫描速率；

步骤六：在计算机12上运行控制程序，所述程序是基于LabVIEW平台的频域光声成像检测程序，该程序包含频率扫描与位置扫描两个子程序；

步骤七：若进行单点的频率扫描，则运行频率扫描程序，计算机12将获取的幅值与相位数据生成幅频与相频特性曲线，并通过傅里叶逆变换生成时域光声信号幅值-时间波形，从而完成单点频域扫描检测；

若进行二维位置扫描，则需先设置调制信号的波形、幅值与频率并运行位置扫描程序，计算机12将控制电控二维位移平台9进行逐点移动，在每个扫描点采集幅值与相位数据，并将数据存入矩阵，生成幅值与相位的位置分布图像（如图2所示），可以通过相位延迟数据对生物组织5内的强吸收体做出三维表征（如图3所示）。

至此，完成了生物组织频域光声成像检测系统对生物组织内部检测与成像。

具体实施方式二：如图1所示，一种实现权利要求1所述的生物组织频域光声成像检测方法的系统，所述系统包括激光器1、光纤2、准直镜3、聚焦物镜4、水6、容器7、手动升降台8、电控二维位移平台9、光学平台10、电控二维位移平台控制器11、计算机12、锁相放大器13、函数发生器14、声波传感器电源15、液体耦合声波传感器16及其前置放大器17；

所述的容器7内加入水6作为耦合液，所述的液体耦合声波传感器16的探头置入容器7内的水6中，所述的声波传感器电源15分别给液体耦合声波传感器16及前置放大器17供电，所述的锁相放大器13、计算机12、函数发生器14及激光器1均分别设有内置电源，所述的函数发生器14的线性调频信号输出端与激光器1的信号输入端相连，所述的激光器1的输出光通过光纤2导入至准直镜3，所述的准直镜3发射的平行光通过聚焦物镜4聚焦，液体耦合声波传感器16的信号输出端与前置放大器17的信号输入端相连，所述的前置放大器17的放大信号输出端与锁相放大器13的信号输入端相连，所述的锁相放大器13的参考信号输入端与函数发生器14的参考信号输出端相连，所述的锁相放大器13与计算机12采用双向信号传输，所述的计算机12与电控二维位移平台控制器11采用双向信号传输（即锁相放大器13与电控二维位移平台控制器11均由计算机12控制），电控二维位移平台控制器11用于控制电控二维位移平台9，所述的电控二维位移平台9设置在光学平台10上，所述的手动升降台8设置在二维位移平台9上，容器7设置在手动升降台8上。

实施例1：

一种生物组织频域光声成像检测的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：将待测量的生物组织5进行预处理（即将待检测的生物组织5进行去除毛发，预置异物处理）并制成样本，并将生物组织样本置入容器7中；

步骤二：在所述的容器7中加入水6作为耦合液，浸没生物组织样本5mm，将液体耦合声波传感器16的探头置入容器7内的水6中，对液体耦合声波传感器16的探头预浸润25min；

步骤三：启动计算机12，所述的计算机12内运行预编程的控制软件；

步骤四：调节准直镜3及聚焦物镜4的位置，并调节手动升降台8，使激光光斑焦点位于生物组织样本表层；

步骤五：设置激光器1的功率为95mw，在所述的控制软件中设置函数发生器14的参数，所述的参数包括波形、幅值、扫描起止频率与扫描速率；

步骤六：在计算机12上运行控制程序，所述程序是基于LabVIEW平台的频域光声成像检测程序，该程序包含频率扫描与位置扫描两个子程序；

步骤七：若进行单点的频率扫描，则运行频率扫描程序，计算机12将获取的幅值与相位数据生成幅频与相频特性曲线，并通过傅里叶逆变换生成时域光声信号幅值-时间波形，从而完成单点频域扫描检测；

若进行二维位置扫描，则需先设置调制信号的波形、幅值与频率并运行位置扫描程序，计算机12将控制电控二维位移平台9进行逐点移动，在每个扫描点采集幅值与相位数据，并将数据存入矩阵，生成幅值与相位的位置分布图像（如图2所示），可以通过相位延迟数据对生物组织5内的强吸收体做出三维表征（如图3所示）。

实施例2：

一种生物组织频域光声成像检测的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：将待测量的生物组织5进行预处理（即将待检测的生物组织5进行去除毛发，预置异物处理）并制成样本，并将生物组织样本置入容器7中；

步骤二：在所述的容器7中加入水6作为耦合液，浸没生物组织样本5mm，将液体耦合声波传感器16的探头置入容器7内的水6中，对液体耦合声波传感器16的探头预浸润30min；

步骤三：启动计算机12，所述的计算机12内运行预编程的控制软件；

步骤四：调节准直镜3及聚焦物镜4的位置，并调节手动升降台8，使激光光斑焦点位于生物组织样本表层；

步骤五：设置激光器1的功率为100mw，在所述的控制软件中设置函数发生器14的参数，所述的参数包括波形、幅值、扫描起止频率与扫描速率；

步骤六：在计算机12上运行控制程序，所述程序是基于LabVIEW平台的频域光声成像检测程序，该程序包含频率扫描与位置扫描两个子程序；

步骤七：若进行单点的频率扫描，则运行频率扫描程序，计算机12将获取的幅值与相位数据生成幅频与相频特性曲线，并通过傅里叶逆变换生成时域光声信号幅值-时间波形，从而完成单点频域扫描检测；

若进行二维位置扫描，则需先设置调制信号的波形、幅值与频率并运行位置扫描程序，计算机12将控制电控二维位移平台9进行逐点移动，在每个扫描点采集幅值与相位数据，并将数据存入矩阵，生成幅值与相位的位置分布图像（如图2所示），可以通过相位延迟数据对生物组织5内的强吸收体做出三维表征（如图3所示）。

实施例3：

一种生物组织频域光声成像检测的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：将待测量的生物组织5进行预处理（即将待检测的生物组织5进行去除毛发，预置异物处理）并制成样本，并将生物组织样本置入容器7中；

步骤二：在所述的容器7中加入水6作为耦合液，浸没生物组织样本5mm，将液体耦合声波传感器16的探头置入容器7内的水6中，对液体耦合声波传感器16的探头预浸润35min；

步骤三：启动计算机12，所述的计算机12内运行预编程的控制软件；

步骤四：调节准直镜3及聚焦物镜4的位置，并调节手动升降台8，使激光光斑焦点位于生物组织样本表层；

步骤五：设置激光器1的功率为105mw，在所述的控制软件中设置函数发生器14的参数，所述的参数包括波形、幅值、扫描起止频率与扫描速率；

步骤六：在计算机12上运行控制程序，所述程序是基于LabVIEW平台的频域光声成像检测程序，该程序包含频率扫描与位置扫描两个子程序；

步骤七：若进行单点的频率扫描，则运行频率扫描程序，计算机12将获取的幅值与相位数据生成幅频与相频特性曲线，并通过傅里叶逆变换生成时域光声信号幅值-时间波形，从而完成单点频域扫描检测；

若进行二维位置扫描，则需先设置调制信号的波形、幅值与频率并运行位置扫描程序，计算机12将控制电控二维位移平台9进行逐点移动，在每个扫描点采集幅值与相位数据，并将数据存入矩阵，生成幅值与相位的位置分布图像（如图2所示），可以通过相位延迟数据对生物组织5内的强吸收体做出三维表征（如图3所示）。

至此，完成了生物组织频域光声成像检测系统对生物组织内部检测与成像。

本发明的一种生物组织频域光声成像检测方法，基于一维频域散射介质中光激发声波数学模型，此模型由辐射传输一阶近似方程、热传导方程及弹性波动理论为基础。采用幅值调制的激光器1作为激光源，激光源幅值调制信号为线性调频（chirp）信号，该信号由函数发生器14提供。采用函数发生器14的输出线性调频信号对激光器1进行幅值调制，激光器1的输出光经过光纤2导入至准直镜3进行准直，形成1mm直径光斑。采用光纤2、准直镜3、聚焦物镜4对激光器1的输出光进行耦合与聚焦。采用手动升降台8对焦点位置进行调节。采用液体耦合的方式，将生物组织样本浸没在水6中。采用液体耦合声波传感器16对激光激发的光声信号进行声电换能，将声信号转化为电信号。水听器探头的输出信号经前置放大器17放大后输入到锁相放大器13中进行相敏运算，锁相放大器13采用外触发的工作模式，参考信号为函数发生器14输出的线性调频信号。锁相放大器13将参考信号与水听器输出信号进行相关运算计算的幅值与相位信息，并上传至计算机12进行存储。计算机12通过对采集的幅值-频率与相位-频率数据进行逆傅里叶变换，得到光声信号幅值随时间变化的函数。通过该函数，可以得到生物组织样本内部的光学吸收系数随深度变化的函数，从而对生物组织的内部特征进行描绘。通过计算机12控制电控二维位移平台9进行逐点扫描，可以得到生物组织5内部光吸收的三维图像。整个过程中，函数发生器14、锁相放大器13及电控二维位移平台9均由计算机12控制。电控二维位移平台9由电控二维位移平台控制器11驱动。

其中：激光器1的工作波长为808nm。

本发明中，相关设备型号和生产厂家如下：激光器1（型号：JOLD-45-CPXF-1L，生产厂家：JENOPTIK）、准直镜3（型号：F810SMA-780, 生产厂家：THORLABS）、聚焦物镜4（型号：RMS4X，生产厂家：OLYMPUS）、手动升降台8（型号：WN06VM25，生产厂家：北京微纳光科仪器有限公司）、电控二维位移平台9（型号：WN200WA20*20，生产厂家：北京微纳光科仪器有限公司）、电控二维位移平台控制器11（型号：WNSC600-2，生产厂家：北京微纳光科仪器有限公司）、锁相放大器13（型号：SR830，生产厂家：Stanford Research Systems）、函数发生器14（型号：33220A, 生产厂家：AGILENT）、液体耦合声波传感器16（型号：1.0mm针型水听器，生产厂家：Precision Acoustics）及其前置放大器17（型号：50 Ohm Preamplifier, 生产厂家：Precision Acoustics）。

Claims (2)

1.一种生物组织频域光声成像检测的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤一：将待测量的生物组织5进行预处理并制成样本，并将生物组织样本置入容器7中；

步骤二：在所述的容器7中加入水6作为耦合液，浸没生物组织样本5mm，将液体耦合声波传感器16的探头置入容器7内的水6中，对液体耦合声波传感器16的探头预浸润25~35min；

步骤三：启动计算机12，所述的计算机12内运行预编程的控制软件；

步骤四：调节准直镜3及聚焦物镜4的位置，并调节手动升降台8，使激光光斑焦点位于生物组织样本表层；

步骤五：设置激光器1的功率为95~105mw，在所述的控制软件中设置函数发生器14的参数，所述的参数包括波形、幅值、扫描起止频率与扫描速率；

步骤六：在计算机12上运行控制程序，所述程序是基于LabVIEW平台的频域光声成像检测程序，该程序包含频率扫描与位置扫描两个子程序；

步骤七：若进行单点的频率扫描，则运行频率扫描程序，计算机12将获取的幅值与相位数据生成幅频与相频特性曲线，并通过傅里叶逆变换生成时域光声信号幅值-时间波形，从而完成单点频域扫描检测；

若进行二维位置扫描，则需先设置调制信号的波形、幅值与频率并运行位置扫描程序，计算机12将控制电控二维位移平台9进行逐点移动，在每个扫描点采集幅值与相位数据，并将数据存入矩阵，生成幅值与相位的位置分布图像。

2.一种实现权利要求1所述的生物组织频域光声成像检测方法的系统，

其特征在于：所述系统包括激光器1、光纤2、准直镜3、聚焦物镜4、水6、容器7、手动升降台8、电控二维位移平台9、光学平台10、电控二维位移平台控制器11、计算机12、锁相放大器13、函数发生器14、声波传感器电源15、液体耦合声波传感器16及其前置放大器17；

所述的容器7内加入水6作为耦合液，所述的液体耦合声波传感器16的探头置入容器7内的水6中，所述的声波传感器电源15分别给液体耦合声波传感器16及前置放大器17供电，所述的锁相放大器13、计算机12、函数发生器14及激光器1均分别设有内置电源，所述的函数发生器14的线性调频信号输出端与激光器1的信号输入端相连，所述的激光器1的输出光通过光纤2导入至准直镜3，所述的准直镜3发射的平行光通过聚焦物镜4聚焦，液体耦合声波传感器16的信号输出端与前置放大器17的信号输入端相连，所述的前置放大器17的放大信号输出端与锁相放大器13的信号输入端相连，所述的锁相放大器13的参考信号输入端与函数发生器14的参考信号输出端相连，所述的锁相放大器13与计算机12采用双向信号传输，所述的计算机12与电控二维位移平台控制器11采用双向信号传输（即锁相放大器13与电控二维位移平台控制器11均由计算机12控制），电控二维位移平台控制器11用于控制电控二维位移平台9，所述的电控二维位移平台9设置在光学平台10上，所述的手动升降台8设置在二维位移平台9上，容器7设置在手动升降台8上。