CN107692975B - 三维光声层析成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
三维光声层析成像装置及方法，属于光声层析成像技术领域。本发明利用激光器产生激光照射在生物组织表面，生物组织膨胀收缩产生超声信号，再通过超声传感器探测超声信号并传送至成像装置存储和计算，同时通过改变超声传感器的高度和水平位置得到生物组织不同高度和不同角度的吸收分布信息，最后利用重建算法重建出生物组织的三维图像。本发明提供的装置和方法测量误差小，成像范围大，适应性强，且结构简单易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及光声层析成像技术领域，特别涉及一种三维光声层析成像装置及方法。
背景技术
光声成像是近年来发展起来的一种非入侵式和非电离式的新型生物医学成像方法。当脉冲激光照射到(热声成像则特指用无线电频率的脉冲激光进行照射)生物组织中时，组织吸收光将产生超声信号，我们称这种由光激发产生的超声信号为光声信号。生物组织产生的光声信号携带了组织的光吸收特征信息，通过探测光声信号能重建出组织中的光吸收分布图像。光声成像结合了纯光学组织成像中高分辨率特性和纯超声组织成像中深穿透特性的优点，可得到高分辨率和高对比度的组织图像，从原理上避开了光散射的影响，突破了高分辨率光学成像深度"软极限"(～1mm)，可实现50mm的深层活体内组织成像。
光声技术采用非电离波段，是无创检测手段，产生的光声信号和组织生理状态关系易界定，能获得更多诊断信息，成像深度和分辨率可调。近年来，对于光声生物组织成像的技术研究不断有新的突破，利用短脉冲激光激发生物组织内的吸收体，通过探测扩散到组织表面的超声信号从而重建出生物组织内的吸收体分布。这种成像方式与传统的X射线CT、核磁共振成像、超声成像相比，不仅是非电离辐射，对人体完全无害，而且对病变组织具有非常好的对比度。
目前通过光声成像研究生物组织的装置中电机扫描会使生物组织产生微小的移动，降低了成像的质量；且目前在活体生物组织成像中可成像范围较小。
发明内容
针对上述不足之处，本发明提供一种三维光声层析成像装置及方法，利用多个波长成像及定量算法得到成像组织的结构信息和功能性参数。
本发明的技术方案为：
三维光声层析成像装置，包括激光器1、分光镜2、聚焦透镜3、光纤束4、检测装置、数据采集装置和成像装置8，所述激光器1发出脉冲激光并通过所述分光镜2后分为多束单色激光，所述单色激光依次分别通过各自的聚焦透镜3和光纤束4后进入所述检测装置与目标物体5-7反应生成超声信号，所述光纤束4包括一个进光口和多个出光口，用于将进入所述光纤束4的一束单色激光分为多束单色激光，所述数据采集装置采集所述超声信号并传送至所述成像装置8进行保存和处理；
其特征在于，所述检测装置包括底座、升降电机5-1、旋转电机5-2、超声传感器5-6、支撑件5-9、第一连接件5-11、第二连接件和内部充满超声波传输介质的水槽，所述升降电机5-1通过所述第二连接件与所述水槽连接并带动所述水槽上下移动；所述支撑件5-9设置在所述底座上并穿过所述水槽的底板进入所述水槽内，目标物体5-7固定在所述水槽内的支撑件5-9的上方；所述水槽包括相互独立的水槽上部5-5、水槽中部5-4和水槽底部5-3，所述水槽底部5-3通过所述第一连接件5-11与所述水槽上部5-5连接；所述旋转电机5-2能够带动所述水槽底部5-3和水槽上部5-5同步转动；所述水槽中部5-4的外侧壁通过夹持件固定在所述第二连接件上，使得所述水槽中部5-4在水槽底部5-3和水槽上部5-5同步转动时保持不动；所述光纤束4的出光口分别均匀设置在所述水槽中部5-4的侧壁上，通过所述光纤束4的激光以从下往上的角度照射到目标物体5-7的表面；所述超声传感器5-6固定在所述水槽上部5-5的侧壁，与照射在目标物体5-7表面的激光处于同一水平面。
具体的，所述数据采集装置包括信号放大器6和数据采集卡7，所述超声传感器5-6检测到的超声信号经过信号放大器6放大后被所述数据采集卡7采集并传送至所述成像装置8。
具体的，所述水槽上部5-5与水槽中部5-4，以及所述水槽中部5-4与水槽底部5-3的连接处设置有防漏材料，所述防漏材料不影响所述水槽上部5-5、水槽中部5-4和水槽底部5-3之间的相互运动。
具体的，所述支撑件5-9与水槽的接触面、所述光纤束4与水槽的接触面、以及所述超声传感器5-6与水槽的接触面设置有橡胶圈，用于防止水槽内的超声波传输介质外漏。
具体的，所述检测装置还包括固定件5-12，所述第一连接件5-11有多个，分别通过所述固定件5-12连接。
具体的，所述支撑件5-9上设置有远端固定件5-10和近端固定件5-8，目标物体5-7固定在所述远端固定件5-10和近端固定件5-8之间。
具体的，所述成像装置8为计算机，所述计算机连接所述升降电机5-1、旋转电机5-2和数据采集卡7。
具体的，其特征在于，所述脉冲激光波长为400-1000nm。
三维光声层析成像方法，包括如下步骤：
步骤一：利用脉冲激光入射到生物组织表面使得生物组织产生超声信号；
步骤二：利用超声传感器采集所述超声信号并保存；
步骤三：将所述超声传感器以生物组织为中心旋转一个角度；
步骤四：重复步骤二和步骤三直到采集到所述生物组织在该水平面的360度的超声信号；
步骤五：改变所述超声传感器的水平高度，重复步骤二至步骤四，采集不同高度不同角度的所述生物组织的超声信号；
步骤六：通过重建算法利用采集到的超声信号重建出所述生物组织的三维图像。
本发明的原理及工作过程为：本发明提供的三维光声层析成像装置及方法，利用光照射在生物组织，生物组织膨胀收缩产生超声信号，再通过超声传感器探测时域超声信号，获得生物组织的层析图像，进而通过升降电机改变探测的高度获取生物组织不同层面的吸收体分布信息。
本发明的有益效果为：本发明利用光声信号进行生物组织的三维成像，不仅是非电离辐射，而且包含更多的信息；通过将生物组织固定的方法使得生物组织在实验过程不受电机运动影响，减小了测量误差；通过将激光自下往上照射目标物体得到更大的成像区域；通过改变激光的波长可以得到不同吸收体的信息；通过简单的更换超声传感器可以获得不同分辨率的装置，无需对装置结构进行更改，适应性强；结构简单，造价低廉，易于实现，具有较大的市场推广前景。
附图说明
图1为本发明提供的一种三维光声层析成像装置的实施例示意图。
图2为实施例中提供的检测装置的详细结构图。
图3为本发明实施例中提供的手指光声层析图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例详细描述本发明。
如图1所示，本发明提供的三维光声层析成像装置，其包括激光器1、分光镜2、聚焦透镜3、光纤束4、检测装置、数据采集装置和成像装置8，本实施例中成像装置8为计算机，计算机内装有图像重建和处理软件，可以用来图像重建和图像后期处理，例如Matlab。计算机内同时安装了电机的运动控制软件，用于驱动升降电机5-1和旋转电机5-2的运动，例如基于National Instruments公司开发的LabVIEW平台开发的的电机驱动软件。
下面以生物组织为手指5-7为例。激光器1发出的激光经分光镜2入射到聚焦透镜3，通过聚焦透镜3入射至光纤束4；光纤末端以一定角度固定在水槽中部5-4，使得激光从光纤4末端从下往上以入射到手指5-7表面，手指5-7吸收激光产生超声信号。超声传感器5-6固定在水槽上部5-5与激光照射在手指5-7层面相同。超声信号传输到超声传感器5-6，转化为电信号，再经信号放大器6放大后被数据采集卡7采集，送入成像装置8存储。水槽底部5-3固定在旋转电机5-2上。下面结合图2对本发明提供的三维光声层析成像装置的工作原理分别进行说明。
如图2所示，检测装置包括底座、升降电机5-1、旋转电机5-2、超声传感器5-6、支撑件5-9、第一连接件5-11和内部充满超声波传输介质(如水)的水槽，水槽包括能够分别绕水槽中心轴转动的水槽上部5-5和水槽底部5-3，水槽底部5-3以及固定的不随水槽底部5-3转动的水槽中部5-4，通过第一连接件5-11与水槽上部5-5连接，固定件5-12把多根第一连接件5-11连接成一个整体，减少传动误差。旋转电机5-2连接水槽底部5-3，旋转电机5-2带动水槽底部5-3绕水槽中心轴旋转，水槽底部5-3通过第一连接件5-11带动水槽上部5-5绕水槽中心轴旋转，水槽中部5-4不会随着旋转；升降电机5-1设置在底座上，通过第二连接件连接水槽带动整个水槽上下移动，一些实施例中旋转电机5-2设置在第二连接件上，升降电机5-1通过旋转电机5-2带动水槽上下移动；超声传感器5-6固定在水槽上部5-5的侧壁；光纤束4的出光口均匀设置在水槽中部5-4的侧壁上，使得通过光纤束4后照射在目标物体上的激光与超声传感器5-6处于同一水平面。其中水槽底部5-3、水槽中部5-4、水槽上部5-5是三个单独的部分，水槽上部5-5与水槽中部5-4，以及水槽中部5-4与水槽底部5-3的连接处设置有防漏材料，如橡胶圈，防漏材料不影响水槽上部5-5、水槽中部5-4和水槽底部5-3之间的相互运动。支撑件5-9设置在底座上并穿过水槽的底板进入水槽内，目标物体5-7固定在水槽内的支撑件5-9的上方。
超声信号在水槽中通过传输介质(如水)传输至放置在水槽上部5-5的超声传感器5-6，超声传感器5-6接收到的信号经放大器6放大后被数据采集卡7采集后送入成像装置8，一些实施例中成像装置8为计算机，由计算机驱动旋转电机5-2通过水槽底部5-3带动水槽上部5-5绕水槽中心轴旋转，从而带动超声传感器5-6扫描360度得到手指一个层面的数据。支撑件5-9固定在底座上，使得手指5-7不随升降电机5-1运动。远端固定件5-10为圆环槽，固定手指远指端，近端固定件5-8为支撑板，固定手指近指端。升降电机5-1通过水槽控制超声传感器5-6上升或下降，旋转电机5-2控制超声传感器绕水槽中心轴旋转，从而获得手指的三维吸收体分布图象。
利用本实施例提供的一种三维光声层析成像装置扫描手指三维图像的方法包括以下步骤：
步骤1、通过激光器1发射一束短脉冲激光并分别经过分光镜2、聚焦透镜3、光纤束4入射到手指组织5-7从而手指组织5-7吸收能量温度升高膨胀收缩产生超声信号。
步骤2、利用超声传感器5-6探测超声信号，并经过信号放大器6被数据采集卡7采集并传送到计算机。
步骤3、通过计算机控制旋转电机5-2带动超声传感器5-6以手指5-7为中心旋转一定角度。
步骤4、重复步骤2、3采集到同一层面不同角度的手指组织5-7的数据。
步骤5、通过升降机5-1带动超声传感器上升一定距离，重复步骤2、3、4采集到不同层面的手指组织5-7的数据。
步骤6、通过重建算法重建出手指5-7的三维图像。
如图3所示为本发明实施例提供的手指光声层析图。利用本发明的成像装置可以得到手指内部血管的形状，大小及位置分布，根据图像的强弱可以得到手指内部吸收体分布，通过不同波长可以得到不同吸收体的含量。
本发明利用光声信号进行生物组织的三维成像，不仅是非电离辐射，而且包含更多的信息。
本发明利用光声成像得到手指的光声图像，得到手指内部血管的位置分布及形态大小，通过不同波长可以得到不同吸收体的信息。
本发明提供的光纤自下往上照射至手指，能对手指更大区域成像。
本发明提供的手指近指端，远指端固定装置及整个装置的构造，使得手指在实验过程不受电机运动影响。
本发明利用超声信号重建生物组织内部信息，通过简单的更换超声传感器可以获得不同分辨率的装置，无需对装置结构进行更改，适应性强。
本发明结构简单，造假低廉，易于实现，具有较大的市场推广前景。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的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，其均应覆盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.三维光声层析成像装置，包括激光器(1)、分光镜(2)、聚焦透镜(3)、光纤束(4)、检测装置、数据采集装置和成像装置(8)，所述激光器(1)发出脉冲激光并通过所述分光镜(2)后分为多束单色激光，所述单色激光依次分别通过各自的聚焦透镜(3)和光纤束(4)后进入所述检测装置与目标物体(5-7)反应生成超声信号，所述光纤束(4)包括一个进光口和多个出光口，用于将进入所述光纤束(4)的一束单色激光分为多束单色激光，所述数据采集装置采集所述超声信号并传送至所述成像装置(8)进行保存和处理；
其特征在于，所述检测装置包括底座、升降电机(5-1)、旋转电机(5-2)、超声传感器(5-6)、支撑件(5-9)、第一连接件(5-11)、第二连接件和内部充满超声波传输介质的水槽，所述升降电机(5-1)通过所述第二连接件与所述水槽连接并带动所述水槽上下移动；所述支撑件(5-9)设置在所述底座上并穿过所述水槽的底板进入所述水槽内，目标物体(5-7)固定在所述水槽内的支撑件(5-9)的上方；所述水槽包括相互独立的水槽上部(5-5)、水槽中部(5-4)和水槽底部(5-3)，所述水槽底部(5-3)通过所述第一连接件(5-11)与所述水槽上部(5-5)连接；所述旋转电机(5-2)能够带动所述水槽底部(5-3)和水槽上部(5-5)同步转动；所述水槽中部(5-4)的外侧壁通过夹持件固定在所述第二连接件上，使得所述水槽中部(5-4)在水槽底部(5-3)和水槽上部(5-5)同步转动时保持不动；所述光纤束(4)的出光口分别均匀设置在所述水槽中部(5-4)的侧壁上，通过所述光纤束(4)的激光以从下往上的角度照射到目标物体(5-7)的表面；所述超声传感器(5-6)固定在所述水槽上部(5-5)的侧壁，与照射在目标物体(5-7)表面的激光处于同一水平面；所述旋转电机(5-2)带动所述水槽底部(5-3)和水槽上部(5-5)同步转动360度，控制所述超声传感器(5-6)对目标物体(5-7)进行360度扫描。
2.根据权利要求1所述的三维光声层析成像装置，其特征在于，所述数据采集装置包括信号放大器(6)和数据采集卡(7)，所述超声传感器(5-6)检测到的超声信号经过信号放大器(6)放大后被所述数据采集卡(7)采集并传送至所述成像装置(8)。
3.根据权利要求1所述的三维光声层析成像装置，其特征在于，所述水槽上部(5-5)与水槽中部(5-4)，以及所述水槽中部(5-4)与水槽底部(5-3)的连接处设置有防漏材料，所述防漏材料不影响所述水槽上部(5-5)、水槽中部(5-4)和水槽底部(5-3)之间的相互运动。
4.根据权利要求1所述的三维光声层析成像装置，其特征在于，所述支撑件(5-9)与水槽的接触面、所述光纤束(4)与水槽的接触面、以及所述超声传感器(5-6)与水槽的接触面设置有橡胶圈，用于防止水槽内的超声波传输介质外漏。
5.根据权利要求1所述的三维光声层析成像装置，其特征在于，所述检测装置还包括固定件(5-12)，所述第一连接件(5-11)有多个，分别通过所述固定件(5-12)连接。
6.根据权利要求1所述的三维光声层析成像装置，其特征在于，所述支撑件(5-9)上设置有远端固定件(5-10)和近端固定件(5-8)，目标物体(5-7)固定在所述远端固定件(5-10)和近端固定件(5-8)之间。
7.根据权利要求2所述的三维光声层析成像装置，其特征在于，所述成像装置(8)为计算机，所述计算机连接所述升降电机(5-1)、旋转电机(5-2)和数据采集卡(7)。
8.根据权利要求1所述的三维光声层析成像装置，其特征在于，所述脉冲激光波长为400-1000nm。
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