CN111631685A - 一种光声pet系统及成像方法 - Google Patents

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CN111631685A CN202010407607.7A CN202010407607A CN111631685A CN 111631685 A CN111631685 A CN 111631685A CN 202010407607 A CN202010407607 A CN 202010407607A CN 111631685 A CN111631685 A CN 111631685A
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Abstract

本发明提供一种光声PET系统及成像方法，包括：将激光发射模块发射的激光照射到生物组织，通过探测器模块检测生物组织的光吸收的原位处产生的光声信号；信号处理模块对探测器模块传递的光声信号进行处理后并提取图像重建所需信号的信息；通过图像重建模块对图像进行重建并在显示模块上可视化。本发明声梯度光折射率镜模块有效焦距可以根据信号发生器模块驱动信号同步变化，提高了系统的成像景深(DoF)，使装置能够对表面不平整和具有一定深度的样品进行高分辨率的快速成像，水槽固定模块对待测生物进行固定，降低了图像的运动伪影，系统具有低剂量、低成本、生化灵敏度高等特点。

Description

一种光声PET系统及成像方法
技术领域
本发明涉及光声成像技术领域，更具体地涉及一种光声PET系统及成像方法。
背景技术
为了探测生物组织内部的结构，并进而探测人体的内部组织和器官，早期的科学家研究出了四种医学成像技术，通过借助某种介质(如X线\波、放射性核素等)与人体之间的相互作用，从而把人体的内部组织和器官以图像的形式表示出来，提供给诊断医生，使医生能够根据自己所学的知识及经验对图像提供的信息进行判断，以此诊断病人身体状况的一门技术。这四种医学成像技术分别是：超声成像技术、X射线成像技术和核磁共振成像(MRI)技术。X射线成像技术是根据人体组织的密度和厚度的不同，使组织能在荧光屏或胶片上形成影像，因此有些组织病变无法判断，并且长期频繁使用x射线成像将有损于人们健康。MRT技术是利用人体组织中氢原子核在磁场中受到激励而发生核磁共振现象产生磁现象的一种成像技术。它具有辐射并却设备昂贵等特点。超声成像是一种对生物组织的无损检测，但是它的成像方法依赖与生物组织的声阻抗，由于有些肿瘤组织的声抗无明显的差异，这就限制超声成像技术的运用范围并却它的重组图像的对比度较低。由于患者对健康的强烈需求和医学对人体某些疾病的检测传统的开刀有创伤的检测模式转向对患者无创伤的无损检测模式，所以人们期待一种对人体健康无损害，高穿透力，高分辨率，高对比度的成像技术的出现。由于肿瘤组织和正常组织对光吸收的差异(在近红外激光的照射下，癌变组织和周围正常组织的光吸收差异至少5倍以上)和不同生理状态的生物组织对光的吸收不同，利用光声成像就可以反映了组织的结构特征，同时还可能反映组织的代谢状态、病变特征、甚至神经活动。因此光声成像技术被认为是一种很有发展潜力的生物组织无损检测方法，它结合了光学成像和超声成像的优点，正在逐步成为医学无损检测的一个新的研究方向。
光声成像技术结合了纯光学成像和纯声学成像的优点，不仅具有超声成像技术非浸入式、穿透性强、使用成本低、不具有放射性等特点，还具有光学成像高对比度、可实时成像的特点，同时提供了待检测目标物的光学吸收信息和声学信息，它被认为将发展为新一代对生物组织无害的医学成像技术，也为生物医学成像领域中的临床诊断提供了一种新的研究方法。
与早期的医学成像技术相比，光声成像具有以下特征：
(1)不使用电离辐射，使用对人体无害的激光作为激励源；
(2)生物组织的光吸收特性起决定作用，具有高对比度；
(3)分辨率为微毫级，分辨率高；
(4)对象广泛，只要满足光可到达且能激发光声信号两个条件，就可以实现光声成像；
(5)声波在软组织中具有低散射特性，以声波作信息载体，可以实现高精度成像。
正电子发射断层(Positron Emission Tomography，以下简称PET)是一种非侵入性的新型医学技术，能无创、定量、动态地评估动物或者人体活体内各种器官和组织的代谢水平、生化反应和功能活动，在疾病的早期检测、病理生理机制研究、疗效监测和预后评估等方面发挥着独特的作用。
本发明专利提出了一种光声PET系统及成像方法，通过声梯度折射率镜模块能够根据入射激光所需的聚焦度同步调整有效焦距，提高了系统的成像景深(DoF)，使装置能够对表面不平整和具有一定深度的样品进行高分辨率的快速成像；采用PET探测器模块能够更加准确、动态地评器官和组织的代谢水平、生化反应和功能活动并提高成像的分辨率；水槽固定模块大大降低了成像运动伪影和光声信号的损失；整个系统具有低剂量、低成本、生化灵敏度高等特点。
发明内容
本发明的目的是提供一种光声PET系统及成像方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供，包括激光发射模块、计算机模块、信号处理模块、信号反馈模块、水槽固定模块、PET探测器模块，激光发射模块与控制模块、活体水槽模块电性连接，用于发射激光照射到生物组织上；所述激光发射模块包括激光器模块、声梯度折射率镜模块、激光扩束模块、聚物镜模块；所述激光扩束模块包括扩束镜模块和毛玻璃模块；所述计算机模块与信号处理模块电性连接，用于对接收的数字信号进行信息提取和图像重建及可视化；计算机模块包括信息提取模块、图像重建模块、图像显示模块；信息提取模块包括深度信息模块、位置信息模块、能量信息模块和时间信息模块；所述显示模块用于将重建后的图像进行可视化；所述信号处理模块与PET探测器模块和计算机模块电性连接，用于对接收的光声信号进行放大和滤波并将模拟信号转化为数字信号；所述信号处理模块包括放大滤波模块和模数转换模块；所述信号反馈模块与PET探测器模块、声梯度折射率镜模块电性连接，用于将采集的光声信号转化为驱动信号使声梯度光折射率镜有效焦距根据驱动信号同步变化；所述信号反馈模块包括信号发生模块、信号采集模块；所述信号发生模块，通过将采集同步信号转化为驱动信号传送给声梯度折射率镜；所述信号采集模块，通过对采集经放大处理后的所述光声信号并输出采集同步信号；所述水槽固定模块与PET探测器模块、激光发射模块电性连接，用于固定生物组织和盛放超声耦合液；所述PET探测器模块与水槽固定模块、信号处理模块电性连接，用于探测组织的光吸收的原位处产生的光声信号。
一种运用光声PET系统的成像方法，包括以下步骤：
S1：声梯度折射率镜模块有效焦距随信号发生器模块发出的驱动信号同步；
S2：激光器模块发射的激光经过声梯度折射率镜模块、激光扩束模块和聚物镜模块照射水槽固定模块中的生物组织；
S3：PET探测器模块将接收光声信号发送给信号处理模块；
S4：信号处理模块将提取的信号的信息运用重建算法进行图像重建并通过显示器模块进行可视化。
优选的，所述重建算法采用FBP算法(先滤波再反投影)与时间反演算法进行图像重建。
优选的，所述声梯度折射率镜有效焦距随接收到的驱动信号同步。
优选的，所述声梯度折射率镜包括圆柱体压电壳，圆柱体压电壳两端为光学窗口，圆柱体压电壳内的光学透明液体。
优选的，所述圆柱体压电壳为压电陶瓷圆管，压电陶瓷圆管经过极化后形成内电极和外电极；所述光学透明液体为折射率和声速满足要求的硅油。
优选的，所述水槽中的液体为超声耦合液，能够大大减少光声信号的损失。
优选的，所述水槽固定模块中的固定装置在水槽底部，对生物组织采用吸附式固定。
优选的，所述激光器模块采用高重复频率的激光器或激光二极管代替低重复频率的激光器，工作激光波长为532nm,脉宽为7ns，重复频率是15Hz。
优选的，所述PET探测器模块底部由透明聚乙烯薄膜密封，其间装有耦合液，用于光声信号与探测器耦合。
有益效果
本申请将激光发射模块发射的激光照射到生物组织，通过探测器模块检测生物组织的光吸收的原位处产生的光声信号；信号处理模块对探测器模块传递的光声信号进行处理后并提取图像重建所需信号的信息；通过图像重建模块对图像进行重建并在显示模块上可视化。本发明声梯度光折射率镜模块有效焦距可以根据信号发生器模块驱动信号同步变化，提高了系统的成像景深(DoF)，使装置能够对表面不平整和具有一定深度的样品进行高分辨率的快速成像，水槽固定模块对待测生物进行固定，降低了图像的运动伪影，系统具有低剂量、低成本、生化灵敏度高等特点。
附图说明
图1为本发明系统结构框图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明的探测器探测光声信号的示意图。
图4为光声重建图像沿x＝8.5mm处的像素值分布曲线。
图中：
1、激光器模块 2、声梯度折射率镜模块 3、扩束镜模块 4、毛玻璃模块
5、聚物镜模块 6、PET探测器模块 7、水槽固定模块 8、信号反馈模块
9、放大滤波模块 10、模数转换模块 11、计算机模块
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1-2所示，本实施例利用激光照射生物组织，通过PET探测器检测生物组织的光吸收的原位处产生的光声信号，并进行信号的处理与提取将三维图像进行重建。
本申请提供了一种光声PET系统，其特征在于：包括激光发射模块100、计算机模块200、信号处理模块300、信号反馈模块400)水槽固定模块500、PET探测器模块600；激光发射模块100与控制模块200、活体水槽模块400电性连接，用于发射激光照射到生物组织上；激光发射模块100包括激光器模块110、声梯度折射率镜模块120、激光扩束模块130、聚物镜模块140；激光器模块110，用于发射不同聚焦度、波长、重复频率的光线；声梯度折射率镜模块120，用于通过接收反馈的驱动信号同步有效焦距；激光扩束模块130，包括扩束镜模块131和毛玻璃模块132；扩束镜模块131，用于将激光机发射的光线进行倍数放大；毛玻璃模块132，用于将经过倍数放大的光线均匀的发射出去；聚物镜模块140，用于将扩束后的光线聚焦在待测生物组织上；计算机模块200与信号处理模块300电性连接，用于对接收的数字信号进行信息提取和图像重建及可视化；计算机模块200包括信息提取模块210、图像重建模块220、图像显示模块230，信息提取模块210包括深度信息模块211、位置信息模块212、能量信息模块213和时间信息模块214，其中深度信息模块211，通过对激光脉冲及反射脉冲计算，提取待测生物组织的脉冲深度信息，位置信息模块212，通过对脉冲复原，提取待测生物组织的脉冲位置信息，能量信息模块213，通过计算脉冲能量，提取待测生物组织的脉冲能量值分布，时间信息模块214，通过时间甄别算法提取待测生物组织的脉冲到达时间信息；图像重建模块220，用于将接收的待测生物组织的深度、位置、能量、时间信息进行三维图像重建；显示模块230，用于将重建后的图像进行可视化；信号处理模块300与PET探测器模块600和计算机模块200电性连接，用于对接收的光声信号进行放大和滤波并将模拟信号转化为数字信号；信号处理模块300包括放大滤波模块310和模数转换模块320，放大滤波模块310通过对接收的光声信号进行幅值放大和滤波处理，模数转换模块320通过对放大后的光声信号转化为数字信号；信号反馈模块400与PET探测器模块600、声梯度折射率镜模块120电性连接，用于将采集的光声信号转化为驱动信号使声梯度光折射率镜有效焦距根据驱动信号同步变化；信号反馈模块400包括信号发生模块410、信号采集模块420，信号发生模块410，通过将采集同步信号转化为驱动信号传送给声梯度折射率镜，信号采集模块420，通过对采集经放大处理后的所述光声信号并输出采集同步信号；水槽固定模块500与PET探测器模块600、激光发射模块100电性连接，用于固定生物组织和盛放超声耦合液；PET探测器模块600与水槽固定模块500、信号处理模块300电性连接，用于探测组织的光吸收的原位处产生的光声信号。
一种运用光声PET系统的成像方法包括以下步骤：
S1：声梯度折射率镜模块有效焦距随信号发生器模块发出的驱动信号同步；
S2：激光器模块发射的激光经过声梯度折射率镜模块、激光扩束模块和聚物镜模块照射水槽固定模块中的生物组织；
S3：PET探测器模块将接收光声信号发送给信号处理模块；
S4：信号处理模块将提取的信号的信息运用重建算法进行图像重建并通过显示器模块进行可视化。
具体实施例一
将待测生物组织固定在装有超声耦合液的水槽固定模块500中，激光发射模块100发射的激光照射在生物组织上产生的光声信号被信号采集模块420采集，经放大处理后输出采集同步信号给信号发生模块410，信号发生模块410通过将采集同步信号转化为驱动信号传送给声梯度折射率镜模块120，声梯度折射率镜模块120有效焦距随信号发生器模块发出的驱动信号同步。
信号发生器模块410用于向声梯度折射率镜模块120发出驱动信号为正弦射频信号，其中有效焦距为f(t)，计算公式如下：
Figure BDA0002491911780000061
其中L为声梯度折射率镜等效的透镜的长度，ω表示驱动信号频率，t表示时间，v表示光学透明液体中的声速，na表示声波对光学透明液体折射率的调制常数。
激光发生器发射激光，激光垂直入射进声梯度折射率镜模块120的中心位置。激光从声梯度折射率镜模块120出射之后通过由构成扩束镜模块131和毛玻璃模块132的放大倍率为8.3的激光扩束模块130扩束后最终被聚物镜模块140聚焦照射在待测生物组织上。
激光照射到生物组织上，生物组织吸收脉冲光能量，从而升温膨胀，产生携带了生物组织的光吸收特征信息光声信号。物理学热传导方程可以表示为：
Figure BDA0002491911780000071
式中:ρ为密度；r为半径；t为时间；λ为波长；Cp为比热；T(r，t)为组织吸收能量后升高的温度；H(r，t)为单位面积、时间内吸收的光能量。
P(r，t)为实际得到的光声信号，然后把式(2)分解成时间和空间的函数，经过相应的变化可得：
Figure BDA0002491911780000072
式中：B为等压膨胀系数；A(r')为介质的吸收系数；r'为光声源的位置：|r-r'|为场点到原点的距离；c为声速，I(t)为入射光的时间分布函数。
如图3所示，PET探测器模块600探测生物组织产生光声信号并传送给信号处理模块300，光声信号经过放大滤波模块310对光声信号进行放大，为了消除探测器脉冲响应函数对图像重建的影响以及运算的准确性，在进行图像重建时先对信号进行逆卷积运算及滤波，进而得到实现光声信号：
Figure BDA0002491911780000073
式中:IFFT表示傅里叶逆变换；j表示与点源半径有关的函数；P'(w)和H(w)分别表示P'(r,t)和h(t)的傅里叶变换；W(ω)表示滤波的窗函数；ωW(ω)则表示光声信号的滤波函数。
再通过将模数转换模块320将光生信号转化为数字信号传送给信息提取模块200。信息提取模块200中的深度信息模块211、位置信息模块212、能量信息模块213和时间信息模块214分别对数字信号的深度、位置、能量和时间信息提取传送给图像重建模块220。图像重建模块220采用FBP算法(先滤波再反投影)与时间反演算法进行图像重建，最后通过显示模块将重建后的图像进行可视化。
具体实施例二
激光器模块100采用可调谐固体脉冲激光器(1S-2134,LOTIS TII,Belaru),工作激光波长为532nm，脉宽为7ns，重复频率是15Hz，激光经过凸透镜和毛玻璃均匀照射到样品上。单脉冲能量密度控制在20mJ/cm2以下。PET探测器模块600的底部由透明聚乙烯薄膜密封，其间裝有耦合液，用于超声和探测器之间的耦合。探测器阵列用一根支架固定在一维平台上,通过步进电机上下移动来调节探测器的高度。在该实验中选用了一只重约120g的白鼠进行成像研究。在实验前，在白鼠的尾部静脉注寸浓度为2％的戊巴比妥钠，剂量按照40mg/kg注射,白鼠麻醉后,小心地将白鼠脑部的毛剃掉,而不损伤脑部的表皮和头盖骨。然后把老鼠固定在水槽固定模块500中，小鼠头部间充满医用超声耦合液,用于将脑部产生的超声信号耦合到水槽池中，是产生的光声信号能够透过耦合液被探测器接收。重建的光声脑部血管光声图像与实验后头皮和头盖骨剥离后脑部血管分布的照片能够很好对应,该实验很好地验证了该系统具有成像复杂结构的能力。
具体实施例三
为了测试系统的分辨率，首先设计了一个模拟样品光声成像实验。用13％的琼脂粉，12.5％的牛奶和74.5％的水经过加热搅拌均匀后，倒入柱状的容器内凝固后形成一柱状模拟样品，直径是4cm，厚度为2cm，其有效的衰减系数为1.2cm用来模拟人体乳房组织的光学特征。在模拟样品中插入两根铅笔芯，然后再在铅笔芯上面覆盖厚度为2mm的琼脂，用来模拟乳房中的强的吸收体；铅笔芯的直径为0.4mm，两者之间的距离为2.1mm。为了进一步计算重建图像的横向分辨率，在重建图像中沿x＝8.5mm的位置取了一条像素值分布曲线，如图4该曲线包含了两个点吸收体的吸收峰；该曲线上的振幅的半高线和四分之一高线与曲线分布相交于点A，B，C，D和A′，B′，C′，D′。根据横向分辨率计算方法进行计算，当点B′和C′相交时两个吸收峰就不能够清晰地分辨，当点B和点C相交时，两个吸收峰就会连在一起而不能分辨。通过计算得最小的距离小于0.1mm，因此该系统的横向分辨率为0.1mm。
本发明提供的一种光声PET系统及成像方法，通过声梯度折射率镜模块能够根据入射激光所需的聚焦度同步调整有效焦距，提高了系统的成像景深(DoF)，使装置能够对表面不平整和具有一定深度的样品进行快速成像；采用PET探测器获取待测目标生物的功能影像，使得待测目标物体的微小运动能够被识别并用于显像，有效的提高了系统的分辨性能，并显著的缩小了成像时间；水槽中安装的固定装置有效降低了待测生物成像中的伪影，水槽中盛放的超声耦合液，能够大大减少光声信号的损失，在PET探测器探测到光声信号后不用对信号做衰减。
K-以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种光声PET系统，其特征在于：包括激光发射模块(100)、计算机模块(200)、信号处理模块(300)、信号反馈模块(400)、水槽固定模块(500)、PET探测器模块(600)；
所述激光发射模块(100)与控制模块(200)、活体水槽模块(400)电性连接，用于发射激光照射到生物组织上；
所述激光发射模块(100)包括激光器模块(110)、声梯度折射率镜模块(120)、激光扩束模块(130)、聚物镜模块(140)；
所述激光扩束模块(130)，包括扩束镜模块(131)和毛玻璃模块(132)；
所述计算机模块(200)与信号处理模块(300)电性连接，用于对接收的数字信号进行信息提取和图像重建及可视化；
计算机模块(200)包括信息提取模块(210)、图像重建模块(220)、图像显示模块(230)；
信息提取模块(210)包括深度信息模块(211)、位置信息模块(212)、能量信息模块(213)和时间信息模块(214)；
所述信号处理模块(300)与PET探测器模块(600)和计算机模块(200)电性连接，用于对接收的光声信号进行放大和滤波并将模拟信号转化为数字信号；
所述信号处理模块(300)包括放大滤波模块(310)和模数转换模块(320)；
所述信号反馈模块(400)与PET探测器模块(600)、声梯度折射率镜模块(120)电性连接，用于将采集的光声信号转化为驱动信号使声梯度光折射率镜有效焦距根据驱动信号同步变化；
所述信号反馈模块(400)包括信号发生模块(410)、信号采集模块(420)；
所述水槽固定模块(500)与PET探测器模块(600)、激光发射模块(100)电性连接，用于固定生物组织和盛放超声耦合液；
所述PET探测器模块(600)与水槽固定模块(500)、信号处理模块(300)电性连接，用于探测组织的光吸收的原位处产生的光声信号。
2.一种运用光声PET系统的成像方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
S1：声梯度折射率镜模块有效焦距随信号发生器模块发出的驱动信号同步；
S2：激光器模块发射的激光经过声梯度折射率镜模块、激光扩束模块和聚物镜模块照射水槽固定模块中的生物组织；
S3：PET探测器模块将接收光声信号发送给信号处理模块；
S4：信号处理模块将提取的信号的信息运用重建算法进行图像重建并通过显示器模块进行可视化。
3.根据权利要求2所述的一种运用光声PET系统的成像方法，其特征在于：所述重建算法采用FBP算法(先滤波再反投影)与时间反演算法进行图像重建。
4.根据权利要求2所述的一种运用光声PET系统的成像方法，其特征在于：所述声梯度折射率镜有效焦距随接收到的驱动信号同步。
5.根据权利要求2所述的一种运用光声PET系统的成像方法，其特征在于：所述声梯度折射率镜包括圆柱体压电壳，圆柱体压电壳两端为光学窗口，圆柱体压电壳内的光学透明液体。
6.根据权利要求5所述的一种运用光声PET系统的成像方法，其特征在于：所述圆柱体压电壳为压电陶瓷圆管，压电陶瓷圆管经过极化后形成内电极和外电极；
所述光学透明液体为折射率和声速满足要求的硅油。
7.根据权利要求2所述的一种运用光声PET系统的成像方法，其特征在于：所述水槽中的液体为超声耦合液，能够大大减少光声信号的损失。
8.根据权利要求2所述的一种运用光声PET系统的成像方法，其特征在于：所述水槽固定模块中的固定装置在水槽底部，对生物组织采用吸附式固定。
9.根据权利要求2所述的一种运用光声PET系统的成像方法，其特征在于：所述激光器模块采用高重复频率的激光器或激光二极管代替低重复频率的激光器，工作激光波长为532nm,脉宽为7ns，重复频率是15Hz。
10.根据权利要求2所述的一种运用光声PET系统的成像方法，其特征在于：所述PET探测器模块底部由透明聚乙烯薄膜密封，其间装有耦合液，用于光声信号与探测器耦合。
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