CN109363636B

CN109363636B - 一种基于同轴时域分辨光声成像的检测方法

Info

Publication number: CN109363636B
Application number: CN201811268164.7A
Authority: CN
Inventors: 万雄; 王泓鹏; 袁汝俊; 何强
Original assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date: 2018-10-29
Filing date: 2018-10-29
Publication date: 2021-08-06
Anticipated expiration: 2038-10-29
Also published as: CN109363636A

Abstract

本发明公开了一种基于同轴时域分辨光声成像的检测方法，该方法包括系统初始定位、单点测试、时域分辨光声定位分析、光声单点血管测量、光声三维血管重建等五个步骤。本发明的有益效果是，采用同轴激光发射兼超声接收光路，实现了光学焦点与声学焦点的重合以及同顶点的激发立体角激发和接收立体角接收，可减少测量误差；以血管内血流光声回波为空间分析基准，采用时域分辨光声回波信号分析，可分析出同一时刻主轴路径上穿过的血流、血管内部组织、血管壁各分层物质对应的光声回波信号，可实现光声对血管的外部形貌及内部组织形态分布的同时探测。

Description

一种基于同轴时域分辨光声成像的检测方法

技术领域

本发明涉及一种人体血管检测方法，尤其涉及一种基于同轴时域分辨光声成像的检测方法，适用于人体动静脉内外部三维结构的检测，属于光电检测领域。

背景技术

血管造影是一种用于对血管健康情况进行监测的辅助检查技术，普遍用于临床各种疾病的诊断与治疗当中，有助于医生及时发现病情，控制病情进展，有效地提高了患者的生存率。血管造影属于介入检测方法，它需将显影剂注入被检者的血管里，因为X光无法穿透显影剂，血管造影可以准确地反映血管病变的部位和程度。但是血管造影在临床实际应用中也有许多不足。例如，它只能显示管腔的情况，不能显示病变所在的管壁和粥样斑块，不能提供粥样斑块形态和性质的详细情况，有可能使医生低估冠脉狭窄的程度。为了探测血管内部的情况，血管内超声等新技术被发明出来。血管内超声是将微型超声探头通过导管导进血管内进行探测，再经电子成像系统来显示血管内的几何形态和结构等细微解剖信息。血管内超声的探头是直接置于血管腔内探测，因此该技术不仅可准确测量管腔、粥样斑块及纤维斑块的大小，还可提供粥样斑块及纤维斑块的大体组织信息，在显示因心血管疾病或介入治疗等所致的血管内复杂病变形态时明显优于造影。

虽然血管内超声技术可进行血管内部形态的探测，但由于它与血管造影一样都属于介入检测，要在局部麻醉的情况下把探头插入血管，存在许多血管检测的盲区以及可能造成对待检者的不良副作用。因此，非介入式的血管健康监测技术有着巨大的需求和市场前景。

光声成像(Photoacoustic Imaging,PAI)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，可以避免血管内超声等介入式检测方法的问题。其原理是当脉冲激光照射到生物组织中时，组织的光吸收域将产生超声信号，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。光声成像技术可以实现血管分布探测，即外部形貌探测，但同时对血管的外部形貌及内部组织形态分布进行探测是一个待攻克的难题。

发明内容

针对以上的光声技术对血管的外部形貌及内部组织形态分布同时探测的难题，本发明提供一种基于同轴时域分辨光声成像的检测方法，采用同轴激光发射兼超声接收光路，通过以血管内血流光声回波为空间分析基准，通过时域分辨光声回波信号的分析，在单个扫描点可分析出同一时刻主轴路径上穿过的血流、血管内部组织、血管壁各分层物质对应的光声回波信号，从而实现了光声对血管的外部形貌及内部组织形态分布同时探测。

本发明是这样来实现的：

本发明提出的基于激光光声的人体血管检测方法是在一种基于激光光声的人体血管检测系统上实现的，该系统主要由主控制器、扫描头部、三维电动平台和辅助部件组成；

其中，辅助部件包括级联放大器、探测器电路、激光器控制器、信号采集卡、三向电机控制器及三向步进电机；

扫描头部内有光声探测头、带孔反射镜、激光器、激光扩束镜、比例分光片、光电探测器、超声探头、激光器线缆、探测器线缆以及超声线缆；扫描头部上开有窗口，方便激光器线缆、探测器线缆以及超声线缆穿出扫描头部，并分别与激光器控制器、探测器电路及级联放大器相连；光声探测头由同轴装配的平凸聚焦镜和超声透镜组成，两者的中心轴均为主轴，平凸聚焦镜开有中心圆孔，超声透镜同轴嵌入装配进中心圆孔中，平凸聚焦镜的光学焦点与超声透镜的声学焦点重合于聚焦点；扫描头部装配在三维电动平台上，在三向步进电机的带动下做三维运动，三向步进电机由三向电机控制器进行精确控制；

激光器控制器通过激光器线缆启动或关闭激光器，并可设置激光器的工作参数；光电探测器可将接收的光转换成电信号，通过探测器线缆送至探测器电路进行放大，放大后的电信号作为控制信号送至信号采集卡的触发端口，触发启动信号采集卡进行信号采集工作；超声探头可将接收的超声转换为电信号，并通过超声线缆送至级联放大器进行多级串联放大，放大后的信号送至信号采集卡进行信号采样，模数转换并送至主控制器中的主控软件进行分析；

激光器沿发射光轴发出的中频脉冲激光经比例分光片后分为透射脉冲光与反射脉冲光两部分；其中反射脉冲光沿监测光轴行进，被光电探测器接收并转化为电信号，经探测器电路放大，送至信号采集卡的触发端口；而透射脉冲光继续沿发射光轴行进，经激光扩束镜扩束准直后，再经带孔反射镜反射，沿主轴向下行进，经平凸聚焦镜聚焦于聚焦点；聚焦点处激发的超声信号沿主轴向上行进，经中心圆孔中的超声透镜穿过带孔反射镜的通孔聚焦至超声探头上，超声探头将超声转换为电信号，经级联放大器多级放大后，至信号采集卡；

主控制器用于启动激光器控制器，接收信号采集卡输出的信号并由内部的主控软件进行分析；主控制器还用于给三向电机控制器发送控制指令以及三向步进电机所需的三个方向的行进步数；

发射光轴、监测光轴、主轴三者共面，发射光轴与主轴平行，并与监测光轴垂直；

本发明提出的基于激光光声的人体血管检测方法包括以下步骤：

(1)系统初始定位

人体待测区域内包括皮肤、皮下组织、血管壁、粥样斑块、流动血液等不同组织及成分，将人体血管检测系统靠近人体待测区域的待检测血管的起始血流位置；主控制器给三向电机控制器发送控制指令，设定三向步进电机的z方向(皮下的深度方向为z向，沿血流的方向为x向，垂直血流的方向为y向)的行进步数，带动三维电动平台上的扫描头部运动，使光声探测头大致位于皮肤上方一厘米左右；主控制器启动激光器控制器，激光器控制器按照设定好的工作参数启动激光器；

(2)单点测试

激光脉冲部分能量穿过比例分光片，经带孔反射镜反射，再经平凸聚焦镜聚焦于聚焦点，形成以聚焦点为顶点的激发立体角，该激发立体角穿过皮肤下不同深度的不同组织，只有单位面积的能量密度超过光声产生阈值的那些组织才能产生超声回波信号；位于以聚焦点为顶点的接收立体角的超声回波信号经超声透镜聚焦至超声探头上转换为电信号；同时，该激光脉冲另一部分能量经比例分光片反射，被光电探测器接收并转化为电信号，经探测器电路放大，送至信号采集卡的触发端口，瞬时开启信号采集卡，此时，超声探头输出的电信号经级联放大器多级放大后，至信号采集卡进行高频采样，模数转换并送至主控制器中的主控软件进行分析；

(3)时域分辨光声定位分析

通常情况下，激发立体角中的激光脉冲能量依次经过皮下组织、血管壁、粥样斑块、流动血液，在聚焦良好的情况下，以上四种不同成分的单位面积的激光能量将达到光声阈值，将依次激发出皮下组织光声信号、血管壁光声信号、粥样斑块光声信号、流动血液光声信号；主控制器中的主控软件接收到的时域分辨光声信号中，首先在t₁时刻接收到强度为I₁时间宽度为T₁的皮下组织光声信号，然后依次在t₂时刻接收到强度为I₂时间宽度为T₂的血管壁光声信号，t₃时刻接收到强度为I₃时间宽度为T₃的粥样斑块光声信号，t₄时刻接收到强度为I₄时间宽度为T₄的流动血液光声信号；

其中，光声信号的时间宽度的倒数即近似为超声频率的2倍，不同组织成分由激光激发的超声频率是不同的，相同组织成分由激光激发的超声频率是相同的，因此，根据时间宽度的测量即可判断组织成分；光声信号的强度代表组织成分密度的大小，相同的组织成分，光声信号越强代表该处的组织密度更大；

定义传输时间Δt₁＝t₂-t₁；Δt₂＝t₃-t₂；Δt₃＝t₄-t₃；用传输时间乘以声音在组织成分中的传输速度，即可求出该组织成分的厚度；

(4)光声单点血管测量

主控制器中的主控软件记录下此时聚焦点的x坐标；主控制器给三向电机控制器发送控制指令，三向步进电机带动三维电动平台上的扫描头部沿z轴及y轴运动扫描，同时，重复步骤(2)(3)；主控制器中的主控软件不断分析，直至达到最高值，此时，聚焦点即为血液浓度最高点，记录下聚焦点的y及z坐标；用Δt₃乘以声速得到聚焦点处主轴经过的粥样斑块的厚度，根据I₃记录粥样斑块的密度，用Δt₂乘以声速得到焦点处主轴经过的血管壁的厚度，根据I₂记录血管壁的密度；

(5)光声三维血管重建

主控制器给三向电机控制器发送控制指令，三向步进电机带动三维电动平台上的扫描头部沿x轴步进一个步长，重复步骤(4)，得到第二点的血液中心点坐标，以及该坐标下对应的粥样斑块的厚度及密度，血管壁的厚度及密度；然后，扫描头部沿x轴再步进一个步长，得到第三个点的血液中心点坐标，以及该坐标下对应的粥样斑块的厚度及密度，血管壁的厚度及密度；类似地，不断完成第四点、第五点、…、第N点的血液中心点坐标，以及该坐标下对应的粥样斑块的厚度及密度，血管壁的厚度及密度；直至完成整个人体待测区域内的血管三维测量，将所有测量点的信息汇总，即可完成人体待测区域内的血管的三维形貌(包括坐标、组织成分、厚度、密度)的重建。

本发明的有益效果是，采用同轴激光发射兼超声接收光路，实现了光学焦点与声学焦点的重合以及同顶点的激发立体角激发和接收立体角接收，可减少测量误差；以血管内血流光声回波为空间分析基准，采用时域分辨光声回波信号分析，可分析出同一时刻主轴路径上穿过的血流、血管内部组织、血管壁各分层物质对应的光声回波信号，可实现光声对血管的外部形貌及内部组织形态分布的同时探测。

附图说明

图1为本发明系统及工作示意图(包含光声信号示意图)，图中：1——扫描头部；2——激光器；3——发射光轴；4——监测光轴；5——光电探测器；6——激光器线缆；7——激光扩束镜；8——探测器线缆；9——平凸聚焦镜；10——光声探测头；11——超声透镜；12——带孔反射镜；13——超声探头；14——超声线缆；15——窗口；16——主轴；17——级联放大器；18——探测器电路；19——激光器控制器；20——信号采集卡；21——主控制器；22——三维电动平台；23——三向电机控制器；24——接收立体角；25——激发立体角；26——皮下组织；27——血管壁；28——粥样斑块；29——流动血液；30——聚焦点；31——比例分光片；32——皮下组织光声信号；33——血管壁光声信号；34——粥样斑块光声信号；35——流动血液光声信号；36——通孔；37——三向步进电机；38——中心圆孔；39——人体待测区域；40——皮肤。

具体实施方式

本发明具体实施方式如图1所示。

本发明提出的基于激光光声的人体血管检测方法是在一种基于激光光声的人体血管检测系统上实现的，该系统主要由主控制器21、扫描头部1、三维电动平台22和辅助部件组成；

其中，辅助部件包括级联放大器17、探测器电路18、激光器控制器19、信号采集卡20、三向电机控制器23及三向步进电机37；

扫描头部1内有光声探测头10、带孔反射镜12、激光器2、激光扩束镜7、比例分光片31、光电探测器5、超声探头13、激光器线缆6、探测器线缆8以及超声线缆14；扫描头部1上开有窗口15，方便激光器线缆6、探测器线缆8以及超声线缆14穿出扫描头部1，并分别与激光器控制器19、探测器电路18及级联放大器17相连；光声探测头10由同轴装配的平凸聚焦镜9和超声透镜11组成，两者的中心轴均为主轴16，平凸聚焦镜9开有中心圆孔38，超声透镜11同轴嵌入装配进中心圆孔38中，平凸聚焦镜9的光学焦点与超声透镜11的声学焦点重合于聚焦点30；扫描头部1装配在三维电动平台22上，在三向步进电机37的带动下做三维运动，三向步进电机37由三向电机控制器23进行精确控制；

激光器控制器19通过激光器线缆6启动或关闭激光器2，并可设置激光器2的工作参数；光电探测器5可将接收的光转换成电信号，通过探测器线缆8送至探测器电路18进行放大，放大后的电信号作为控制信号送至信号采集卡20的触发端口，触发启动信号采集卡20进行信号采集工作；超声探头13可将接收的超声转换为电信号，并通过超声线缆14送至级联放大器17进行多级串联放大，放大后的信号送至信号采集卡20进行信号采样，模数转换并送至主控制器21中的主控软件进行分析；

激光器2沿发射光轴3发出的中频脉冲激光经比例分光片31(本实施例为九一分光片，即透射光与反射光的比为九比一)后分为透射脉冲光与反射脉冲光两部分；其中反射脉冲光沿监测光轴4行进，被光电探测器5接收并转化为电信号，经探测器电路18放大，送至信号采集卡20的触发端口；而透射脉冲光继续沿发射光轴3行进，经激光扩束镜7扩束准直后，再经带孔反射镜12反射，沿主轴16向下行进，经平凸聚焦镜9聚焦于聚焦点30；聚焦点30处激发的超声信号沿主轴16向上行进，经中心圆孔38中的超声透镜11穿过带孔反射镜12的通孔36聚焦至超声探头13上，超声探头13将超声转换为电信号，经级联放大器17多级放大后，至信号采集卡20；

主控制器21用于启动激光器控制器19，接收信号采集卡20输出的信号并由内部的主控软件进行分析；主控制器21还用于给三向电机控制器23发送控制指令以及三向步进电机37所需的三个方向的行进步数；

发射光轴3、监测光轴4、主轴16三者共面，发射光轴3与主轴16平行，并与监测光轴4垂直；

(1)系统初始定位

人体待测区域39内包括皮肤40、皮下组织26、血管壁27、粥样斑块28、流动血液29等不同组织及成分，将人体血管检测系统靠近人体待测区域39的待检测血管的起始血流位置；主控制器21给三向电机控制器23发送控制指令，设定三向步进电机37的z方向(本实施例，皮下的深度方向为z向，沿血流的方向为x向，垂直血流的方向为y向)的行进步数，带动三维电动平台22上的扫描头部1运动，使光声探测头10大致位于皮肤10上方一厘米左右(本实施例平凸聚焦镜9的焦距为3厘米)；主控制器21启动激光器控制器19，激光器控制器19按照设定好的工作参数启动激光器2(本实施例激光重频为1kHz，激光脉冲宽度为10ns，波长为785nm，单脉冲能量30微焦)；

(2)单点测试

激光脉冲部分能量穿过比例分光片31，经带孔反射镜12反射，再经平凸聚焦镜9聚焦于聚焦点30，形成以聚焦点30为顶点的激发立体角25，该激发立体角25穿过皮肤40下不同深度的不同组织，只有单位面积的能量密度超过光声产生阈值的那些组织才能产生超声回波信号；位于以聚焦点30为顶点的接收立体角24的超声回波信号经超声透镜11聚焦至超声探头13上转换为电信号；同时，该激光脉冲另一部分能量经比例分光片31反射，被光电探测器5接收并转化为电信号，经探测器电路18放大，送至信号采集卡20的触发端口，瞬时开启信号采集卡20，此时，超声探头13输出的电信号经级联放大器17多级放大后，至信号采集卡20进行高频采样(本实施例，采样频率为40MHz)，模数转换(本实施例为12bit模数转换)并送至主控制器21中的主控软件进行分析；

(3)时域分辨光声定位分析

通常情况下，激发立体角25中的激光脉冲能量依次经过皮下组织26、血管壁27、粥样斑块28、流动血液29，在聚焦良好的情况下，以上四种不同成分的单位面积的激光能量将达到光声阈值，将依次激发出皮下组织光声信号32、血管壁光声信号33、粥样斑块光声信号34、流动血液光声信号35；主控制器21中的主控软件接收到的时域分辨光声信号(见图1中的光声信号示意图)中，首先在t₁时刻接收到强度为I₁时间宽度为T₁的皮下组织光声信号32，然后依次在t₂时刻接收到强度为I₂时间宽度为T₂的血管壁光声信号33，t₃时刻接收到强度为I₃时间宽度为T₃的粥样斑块光声信号34，t₄时刻接收到强度为I₄时间宽度为T₄的流动血液光声信号35；

(4)光声单点血管测量

主控制器21中的主控软件记录下此时聚焦点30的x坐标；主控制器21给三向电机控制器23发送控制指令，三向步进电机37带动三维电动平台22上的扫描头部1沿z轴及y轴运动扫描，同时，重复步骤(2)(3)；主控制器21中的主控软件不断分析，直至达到最高值，此时，聚焦点30即为血液浓度最高点，记录下聚焦点30的y及z坐标；用Δt₃乘以声速得到聚焦点30处主轴16经过的粥样斑块28的厚度，根据I₃记录粥样斑块28的密度，用Δt₂乘以声速得到焦点30处主轴16经过的血管壁27的厚度，根据I₂记录血管壁27的密度；

(5)光声三维血管重建

主控制器21给三向电机控制器23发送控制指令，三向步进电机37带动三维电动平台22上的扫描头部1沿x轴步进一个步长，重复步骤(4)，得到第二点的血液中心点坐标，以及该坐标下对应的粥样斑块28的厚度及密度，血管壁27的厚度及密度；然后，扫描头部1沿x轴再步进一个步长，得到第三个点的血液中心点坐标，以及该坐标下对应的粥样斑块28的厚度及密度，血管壁27的厚度及密度；类似地，不断完成第四点、第五点、…、第N点的血液中心点坐标，以及该坐标下对应的粥样斑块28的厚度及密度，血管壁27的厚度及密度；直至完成整个人体待测区域39内的血管三维测量，将所有测量点的信息汇总，即可完成人体待测区域39内的血管的三维形貌(包括坐标、组织成分、厚度、密度)的重建。

Claims

1.一种基于同轴时域分辨光声成像的检测方法，它是在一种基于同轴时域分辨光声成像系统上实现的，该系统主要由主控制器(21)、扫描头部(1)、三维电动平台(22)和辅助部件组成；其特征在于所述的检测方法包括以下步骤：

1)系统初始定位

人体待测区域内包括皮肤、皮下组织、血管壁、粥样斑块、流动血液不同组织及成分，将基于同轴时域分辨光声成像系统靠近人体待测区域的待检测血管的起始血流位置；主控制器给三向步进电机控制器发送控制指令，将皮下的深度方向设为z向，沿血流的方向设为x向，垂直血流的方向设为y向，设定三向步进电机的z方向的行进步数，带动三维电动平台上的扫描头部运动，使光声探测头大致位于皮肤上方一厘米左右；主控制器启动激光器控制器，激光器控制器按照设定好的工作参数启动激光器；

2)单点测试

3)时域分辨光声定位分析

激发立体角中的激光脉冲能量依次经过皮下组织、血管壁、粥样斑块、流动血液，在聚焦良好的情况下，以上四种不同成分的单位面积的激光能量将达到光声阈值，将依次激发出皮下组织光声信号、血管壁光声信号、粥样斑块光声信号、流动血液光声信号；主控制器中的主控软件接收到的时域分辨光声信号中，首先在t₁时刻接收到强度为I₁时间宽度为T₁的皮下组织光声信号，然后依次在t₂时刻接收到强度为I₂时间宽度为T₂的血管壁光声信号，t₃时刻接收到强度为I₃时间宽度为T₃的粥样斑块光声信号，t₄时刻接收到强度为I₄时间宽度为T₄的流动血液光声信号；

4)光声单点血管测量

主控制器中的主控软件记录下此时聚焦点的x坐标；主控制器给三向步进电机控制器发送控制指令，三向步进电机带动三维电动平台上的扫描头部沿z轴及y轴运动扫描，同时，重复步骤2)3)；主控制器中的主控软件不断分析，直至达到最高值，此时，聚焦点即为血液浓度最高点，记录下聚焦点的y及z坐标；用Δt₃乘以声速得到聚焦点处主轴经过的粥样斑块的厚度，根据I₃记录粥样斑块的密度，用Δt₂乘以声速得到焦点处主轴经过的血管壁的厚度，根据I₂记录血管壁的密度；

5)光声三维血管重建

主控制器给三向步进电机控制器发送控制指令，三向步进电机带动三维电动平台上的扫描头部沿x轴步进一个步长，重复步骤4)，得到第二点的血液中心点坐标，以及该坐标下对应的粥样斑块的厚度及密度，血管壁的厚度及密度；然后，扫描头部沿x轴再步进一个步长，得到第三个点的血液中心点坐标，以及该坐标下对应的粥样斑块的厚度及密度，血管壁的厚度及密度；类似地，不断完成第四点、第五点、…、第N点的血液中心点坐标，以及该坐标下对应的粥样斑块的厚度及密度，血管壁的厚度及密度；直至完成整个人体待测区域内的血管三维测量，将所有测量点的信息汇总，即可完成人体待测区域内的血管的三维形貌的重建，三维形貌包括坐标、组织成分、厚度和密度。