CN111067482B - 磁控偏振光声成像方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁控偏振光声成像方法和系统，该方法为：构建外场，并向生物体内引入可对外场响应的具有各向异性光学吸收的光声探针；利用偏振激光照射生物体，通过外场对光声探针的光声信号强度进行调节，获取光声探针的光声信号为最强时和最弱时的光声图像，通过图像减法扣除背景，获得最终光声图像。本发明在成像系统中整合可以精确控制方向、强度的高强度外磁场，从而构建磁控光声成像系统；利用具有各向异性光学吸收的磁响应光声探针，实现外磁场对探针偏振光声信号强度变化的精确调控；通过磁响应光声探针的偏振光声成像信号随磁场变化产生的增益实现生物组织自身光声背景的有效扣除，实现具有高检测灵敏度的“无背景”活体光声成像。

Description

磁控偏振光声成像方法和系统

技术领域

本发明涉及光声成像技术领域，特别涉及一种磁控偏振光声成像方法和系统。

背景技术

光声成像技术是近年来生物医学领域快速发展的一种分子影像手段，其成像原理是利用超声波探测器检测吸光物质因吸收脉冲激光后产热发生热弹性膨胀而形成的宽带超声波，能够兼具光学成像的高对比度特性和超声成像的高穿透深度特性的优点。

偏振光声成像利用生物体内弹性纤维蛋白、胶原蛋白、神经纤维等结构的光学各向异性吸收特征，通过将光声成像技术与线偏振激光相结合，构建了基于偏振光源的光声显微镜，可以检测各项异性微观结构的排列有序。该技术克服了普通偏振光显微镜载体成像深度受限的局限性，为组织的光学偏振特性测量提供了一个直观、定量的方法及成像策略，有望用于材料检测和活体生物组织结构特性检测等多个方面。

然而，在包括肿瘤等在内的大部分生物组织中，各向异性规整排列的生物大分子结构并不常见，因而难以利用偏振光声成像技术直接实现高灵敏检测，偏振光声成像在大部分生物组织中的应用依然具有较大的局限。因此，通过向生物体内引入外场(如磁场)响应的各向异性光学探针作为偏振光吸收体，有望利用外场实现探针偏振光声信号的精确调控，从而提高现有光声成像技术的成像灵敏度，并大幅拓展偏振光声成像技术在各种类型生物组织中高灵敏成像检测方面的应用。但现有技术中缺少可靠的方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种磁控偏振光声成像方法和系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种磁控偏振光声成像方法，该方法为：

构建外场，并向生物体内引入可对外场响应的具有各向异性光学吸收的光声探针；

利用偏振激光照射生物体，通过外场对光声探针的光声信号强度进行调节，获取光声探针的光声信号为最强时的第一光声图像和光声探针的光声信号为最弱时的第二光声图像，将第一光声图像减去第二光声图像以扣除背景，获得最终光声图像。

优选的是，所述外场为磁场，所述光声探针为可对磁场响应的具有各向异性光学吸收的磁响应光声探针；

其中，通过改变磁场的方向实现所述磁响应光声探针的光声信号强度的调节。

本发明还提供一种磁控偏振光声成像系统，其采用如上所述的方法进行光声成像。

优选的是，所述磁控偏振光声成像系统包括：用于提供线偏振激光的偏振激励光源、用于提供可调节磁场的磁场调控模块、用于引入生物体内的所述磁响应光声探针、用于采集光声信号的光声探头以及用于对所述光声探头接受的光声信号进行处理以实现光声的光声成像模块。

优选的是，所述偏振激励光源包括激光光源和线偏振片，所述激光光源为可调谐脉冲激光器、Nd：YAG脉冲激光器、半导体脉冲激光器、LED脉冲光源中的一个或多个的组合光源。

优选的是，还包括用于调节所述线偏振片的角度的夹具、用于调节线偏振激光强度的可变分束器和用于对线偏振激光强度进行监控的光功率计。

优选的是，所述磁场调控模块包括用于产生磁场的磁体以及用于调节磁场的位置和方向的姿态调节机构。

优选的是，所述光声探头包括探头外壳、设置在所述探头外壳上的探头本体以及连接在所述探头外壳上的的照射单元；

所述照射单元的输入端通过光纤与所述偏振激励光源连接，所述探头本体通过探头线缆与所述光声成像模块连接。

优选的是，所述光声成像模块包括电源模块、用于脉冲发射的多通道高压脉冲发射模块、用于多通道光声信号回波接收的增益采集模块、中央控制模块、接口通信模块以及内嵌于所述光声成像模块中的系统软件控制模块；

所述系统软件模块包括用于对所述偏振激励光源、磁场调控模块、光声探头和光声成像模块进行控制的系统控制模块以及用于进行用于对所述光声探头接受的光声信号进行处理以获得最终的光声图像的图像处理模块。

优选的是，所述图像处理模块的处理步骤包括：获取第一光声图像和第二光声图像，然后利用图像减法将第一光声图像减去第二光声图像得到去除背景信号的第三光声图像，再进行滤波去噪处理，得到最终光声图像。

本发明的有益效果是：本发明利用脉冲线偏振激光作为激发光源，并在成像系统中整合可以精确控制方向、强度的高强度外磁场，从而构建磁控光声成像系统；利用具有各向异性光学吸收的磁响应光声探针，实现外磁场对探针偏振光声信号强度变化的精确调控；通过磁响应光声探针的偏振光声成像信号随磁场变化产生的增益实现生物组织自身光声背景的有效扣除，实现具有高检测灵敏度的“无背景”活体光声成像；其在体内高灵敏细胞示踪、肿瘤等疾病分子影像及磁控分子探针研制等方面都具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的磁控偏振光声成像系统的结构示意图；

图2为本发明的偏振激励光源的光路结构示意图；

图3为本发明的磁场调控模块的结构示意图；

图4为本发明的光声探头的结构示意图；

图5为本发明的原理论证试验的结果。

附图标记说明：

1—偏振激励光源；2—磁场调控模块；3—光声探头；4—光声成像模块；5—显示器；10—激光光源；11—波分复用器；12—连续可变中性密度滤光片；13—分光镜；14—光功率计；15—线偏振片；16—耦合器；17、34—光纤；20—姿态调节机构；21—永磁体；22—线圈磁体；23—实验台；30—探头外壳；31—探头本体；32—照射单元；33—卡扣；35—探头线缆。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

实施例1

一种磁控偏振光声成像方法，该方法为：

构建外场，并向生物体内引入可对外场响应的具有各向异性光学吸收的光声探针；

利用偏振激光照射生物体，通过外场对光声探针的光声信号强度进行调节，获取光声探针的光声信号为最强时的第一光声图像和光声探针的光声信号为最弱时的第二光声图像，将第一光声图像减去第二光声图像以扣除背景，获得最终光声图像，从而实现具有高检测灵敏度的“无背景”活体光声成像。

其中，具有各向异性光学吸收的光声探针作为偏振光吸收体，用外场实现光声探针偏振光声信号的精确调控，从而提高现有光声成像技术的成像灵敏度，并大幅拓展偏振光声成像技术在各种类型生物组织中高灵敏成像检测方面的应用。

在更为优选的实施例中，所述外场为磁场，所述光声探针为可对磁场响应的具有各向异性光学吸收的磁响应光声探针，如铁磁性氧化铁纳米棒、磁性金纳米棒等；其中，通过改变磁场的方向实现所述磁响应光声探针的光声信号强度的调节。

实施例2

一种磁控偏振光声成像系统，其采用实施例1的方法进行光声成像。参照图1，该磁控偏振光声成像系统包括：用于提供线偏振激光的偏振激励光源1、用于提供可调节磁场的磁场调控模块2、用于引入生物体内的磁响应光声探针、用于采集光声信号的光声探头3以及用于对光声探头3接受的光声信号进行处理以实现光声的光声成像模块4。

在优选的实施例中，偏振激励光源1包括激光光源10、线偏振片15、用于调节线偏振片15的角度的夹具、用于调节线偏振激光强度的可变分束器和用于对线偏振激光强度进行监控的光功率计14。针对磁控分子探针的特征吸收光谱，激光光源10为可调谐脉冲激光器、Nd：YAG脉冲激光器、半导体脉冲激光器、LED脉冲光源中的一个或多个的组合光源；通过控制激光激励电源，选择所需波长的激光；当采用组合光源时，通过保偏波分复用器11，可以确保光路系统的统一，而无需为每个光源单独配置光路。利用线偏振片15产生线偏振光，并通过自动旋转的夹具，实现不同角度的偏振光的提供。通过可变分束器(如分光镜13)实现对线偏振光的强度调节。进一步的该偏振激励光源1还包括连续可变中性密度滤光片12和耦合器16。参照图2，两个激光光源10出射的激光经过波分复用器11合束，再依次经过续可变中性密度滤光片、分光镜13(可变分束器)线偏振片15和耦合器16后，经光纤17射出。

在优选的实施例中，磁场调控模块2包括用于产生磁场的磁体以及用于调节磁场的位置和方向的姿态调节机构20。参照图3，磁体可采用永磁体21和线圈磁体22两套方案，以满足不同磁场强度和实验条件的需要。姿态调节机构20主要包括移动导轨和可滑动设置在移动导轨上的旋转底座，磁体和实验台23设置在旋转底座，通过旋转底座的转动及俯仰调节可实现磁场方向的多维调节，通过移动导轨使磁体和实验台23的位置能方便调节，以适应试体不同部位和体态，获取最佳的成像质量。通过磁场方向和强度的变化实现磁响应光声成像探针信号的信号强度的精确调控。在优选的实施例中，还配置微型磁力检测仪，可对磁场进行实时监测。

在优选的实施例中，参照图4，光声探头3包括探头外壳30、设置在探头外壳30上的探头本体31以及连接在探头外壳30上的的照射单元32；探头本体31可以为线阵、面阵、3D超声探头，也可以是线阵、凸阵、凹阵、相控阵探头。

照射单元32的输入端通过光纤34与偏振激励光源1连接，探头本体31通过探头线缆35与光声成像模块4连接。进一步优选的实施例中，在探头外壳30的两侧，分别设置卡槽，照射单元32上设置相应的卡扣33，卡扣33配合卡设在卡槽中，使照射单元32能方便地固定到探头外壳30的两侧。对应不同波长的激光时，可采用不同的光纤和光照结构，而无需更换探头，可便捷地实现在不同波长下的光声成像。

在优选的实施例中，光声成像模块4用于完成多通道光声回波信号接收采集、传输和处理的功能，同时具备超声成像的功能。光声成像模块4包括电源模块、用于脉冲发射的多通道高压脉冲发射模块、用于多通道光声信号回波接收的增益采集模块、中央控制模块、接口通信模块以及内嵌于光声成像模块4中的系统软件控制模块；

其中，电源模块用于系统整体供电，进一步选择可匹配多类型探头和用途的数字化可编程电源。多通道高压脉冲发射模块采用独立通道控制模式(每个通道发射可单独进行调节)，该模块优选使用重复可用的卡式设计。增益采集模块主要包括低噪声放大模块、可变增益放大模块、可编程增益放大模块、低通滤波器、模数转换器和用于调节增益放大的TGC控制模块。中央控制模块用于控制各个模块，可采用FPGA核心控制卡。接口通信模块用于光声成像模块4和上位机之间的通信。进一步的，为了保证设计重用以及设计效率，各个功能模块物理结构上采用单独子卡方法，简化多通道系统设计与调试的复杂程度。

进一步优选的实施例中，系统软件模块主要实现系统控制、图像处理、用户实验数据管理和软件界面等功能，系统软件模块包括用于对偏振激励光源1、磁场调控模块2、光声探头3和光声成像模块4进行控制的系统控制模块以及用于进行用于对光声探头3接受的光声信号进行处理以获得最终的光声图像的图像处理模块。

系统控制模块用于对各硬件模块进行整体控制，主要包括：①光声激发偏振光源的设置与调控；②磁场配置与调控，包括控制选取磁场工作磁体，设置线圈电流调控磁场强度，监测磁场强度，控制姿态调节器控制磁场方向等；③探头配置，为后续信号和图像处理提供参数；④成像设置与调控，主要包括成像模式的选取，成像增益和动态范围选择、内外部触发时序控制等。

图像处理模块用于实现光声图像的获取，图像处理模块的处理步骤包括：获取第一光声图像和第二光声图像，然后利用图像减法将第一光声图像减去第二光声图像得到去除背景信号的第三光声图像，再进行滤波去噪处理优化图像质量，得到最终光声图像。图像处理模块还可对光声图像进行后期统计分析，主要包括提取光声信号强度和图像测量与标记：主要是对图像中特征结构和感兴趣区域进行长度、直径、周长、面积、灰度直方图等测量。

在进一步优选的实施例中，图像处理模块还可实现光声/超声双模图像融合，主要实现对系统光声成像与超声成像的图像融合，实现多模态成像。光声/超声双模双模融合的基本思路是基于系统探测所用的光声探头3，既可以作为光声成像的接收探头用于光声成像，自身也可以发射/接收超声波进行超声成像。因此，对同一目标位置，在极短时间内，先后进行光声成像和超声成像，然后将目标的光声图像和超声图像进行融合。这种双模图像的融合，既可利用光声成像的功能成像信息如血氧、光吸收情况，又兼有超声图像的结构和深度组织信息。

进一步的，还包括显示器5，用于图像输出显示。

进一步的，系统软件模块还包括数据管理模块和软件界面模块，数据管理模块主要实现相关实验数据的输入，实验数据的保存与读取等。该软件界面模块，主要实现系统操作时的用户指引和提示，提供相关操作和工具按键，实时显示系统各个模块参数与状态、在显示器5上显示实时的成像结果以及相关测试数据的实时显示等。

参照图5，为对本发明的原理进行的论证试验的结果，其中，当偏振光源的方向与磁场平行时，光声信号最弱(图P1)；当偏振光源的方向与磁场垂直时，光声信号最强(图P2)。可见，扣除生物组织自身的背景光声信号，能实现高检测灵敏度的“无背景”活体光声成像(图P2-P1)。

在一种实施例中，该成像系统的工作过程为：

首先在实验目标固定在实验台23上，向其注射磁响应光声探针，打开磁场调控系统使目标对象处于均与磁场中，打开偏振激励光源1，产生光声成像所需偏振方向、强度可调的激励脉冲线偏振激光，利用光声探头3探测目标光声信号，控制磁场调控模块2，改变磁场方向，当光声信号最大时记录下光声图像P1(偏振光源的方向与磁场垂直)，然后，继续旋转磁场方向，当光声图像信号最小时记录下光声图像P2(偏振光源的方向与磁场平行)。然后光声成像模块4利用图像减法P1-P2，获得减去除背景信号的图像P，再对图像P进行滤波去噪等处理，获得最终成像结果，实现高信噪比高灵敏光声成像的目的。完成一个波长成像后，还可以选择激励光源，针对分子探针不同的特征谱进行光声成像。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (6)

1.一种磁控偏振光声成像系统，其特征在于，其采用如下方法进行光声成像：

构建外场，并向生物体内引入可对外场响应的具有各向异性光学吸收的光声探针；

利用偏振激光照射生物体，通过外场对光声探针的光声信号强度进行调节，获取光声探针的光声信号为最强时的第一光声图像和光声探针的光声信号为最弱时的第二光声图像，将第一光声图像减去第二光声图像以扣除背景，获得最终光声图像；

所述外场为磁场，所述光声探针为可对磁场响应的具有各向异性光学吸收的磁响应光声探针；

其中，通过改变磁场的方向实现所述磁响应光声探针的光声信号强度的调节；

所述磁控偏振光声成像系统包括：用于提供线偏振激光的偏振激励光源、用于提供可调节磁场的磁场调控模块、用于引入生物体内的所述磁响应光声探针、用于采集光声信号的光声探头、用于对所述光声探头接受的光声信号进行处理以实现光声的光声成像模块、用于调节线偏振片的角度的夹具、用于调节线偏振激光强度的可变分束器和用于对线偏振激光强度进行监控的光功率计。

2.根据权利要求1所述的磁控偏振光声成像系统，其特征在于，所述偏振激励光源包括激光光源和线偏振片，所述激光光源为可调谐脉冲激光器、Nd：YAG脉冲激光器、半导体脉冲激光器、LED脉冲光源中的一个或多个的组合光源。

3.根据权利要求1所述的磁控偏振光声成像系统，其特征在于，所述磁场调控模块包括用于产生磁场的磁体以及用于调节磁场的位置和方向的姿态调节机构。

4.根据权利要求1所述的磁控偏振光声成像系统，其特征在于，所述光声探头包括探头外壳、设置在所述探头外壳上的探头本体以及连接在所述探头外壳上的的照射单元；

所述照射单元的输入端通过光纤与所述偏振激励光源连接，所述探头本体通过探头线缆与所述光声成像模块连接。

5.根据权利要求1所述的磁控偏振光声成像系统，其特征在于，所述光声成像模块包括电源模块、用于脉冲发射的多通道高压脉冲发射模块、用于多通道光声信号回波接收的增益采集模块、中央控制模块、接口通信模块以及内嵌于所述光声成像模块中的系统软件控制模块；

所述系统软件控制模块包括用于对所述偏振激励光源、磁场调控模块、光声探头和光声成像模块进行控制的系统控制模块以及用于进行用于对所述光声探头接受的光声信号进行处理以获得最终的光声图像的图像处理模块。

6.根据权利要求5所述的磁控偏振光声成像系统，其特征在于，所述图像处理模块的处理步骤包括：获取第一光声图像和第二光声图像，然后利用图像减法将第一光声图像减去第二光声图像得到去除背景信号的第三光声图像，再进行滤波去噪处理，得到最终光声图像。

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