CN116942200A - 一种非复用式超声多模态成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非复用式超声多模态成像系统及方法，涉及生物医学影像技术领域。该系统包括脉冲光源、多维度信号收发模块、时序控制系统、信号放大模块、信号激发模块、数据采集模块、图像重建模块、空间扫描模块、图像信息提取与融合模块；光声与超声成像模态共用多维度信号收发模块和数据采集模块，在时序控制系统的调控下分时交替工作，在同一图像坐标系下融合光声与超声成像信息；多维度信号收发模块中集成有自聚焦超声换能器阵列与非聚焦超声换能器阵列，实现二维与三维成像模式的集成；通过采取不均一尺寸超声换能器排布，提高成像系统对目标成像区域信号的灵敏度。

Description

一种非复用式超声多模态成像系统及方法

技术领域

本发明涉及生物医学影像技术领域，尤其涉及一种非复用式超声多模态成像系统及方法。

背景技术

光声成像技术作为一项新兴生物医学影像技术，具备丰富的光学对比度和较高的声学分辨率能够高清成像生物组织的结构、功能与分子信息，其快速成像能力、安全性、以及足够深的成像深度适用于成像大多人体体表器官与组织，能够应用于乳腺癌、甲状腺癌、皮肤癌、关节炎在内的体表病灶成像，具备成为体表病灶成像领域主导成像技术的潜力，并且可与现有医学影像技术在性能上形成优势互补。由于光声层析成像系统中的多维度信号收发模块与数据采集模块也可用于超声成像系统，因此光声层析成像系统易于与超声成像系统集成，形成超声多模态成像系统。

超声多模态成像系统，提供超声、光声的成像信息，能更全面地表征病灶的结构与功能特性，但是现有的光声与超声集成方案未能充分发挥光声与超声的成像性能潜力，并且现有的光声超声多模态成像系统中缺少临床需要的二维成像与三维成像模式的集成。具体的现有超声与光声集成问题如下：

（1）现有的光声与超声成像模态的集成方案存在明显的技术局限

第一种双模态集成方案在商用超声成像系统中加入脉冲光源（如光纤束），在脉冲光照射生物组织并激发光声信号后用原有的超声成像系统探测，这类设备中用于发射超声波的换能器单元也用于探测光声信号，因此用于切换光声与超声成像模态的多路复用电路或信号切换电路易于引入电噪声，进而影响了成像系统对微弱信号的探测能力。此外，由于传统超声设备不具备高性能光声成像所需要的大孔径超声探测阵列配合低噪声前置放大电路，因此无法提供信息完整、清晰的光声图像。

第二种双模态集成方案是在光声成像设备的基础上，在原有的超声换能器成像平面以外，添加独立的超声换能器，用于发射超声信号。由于所添加超声换能器超声传播方向与超声探测截面不在同一平面，因此发射超声波的换能器无法在超声探测截面内提供超声波发射，引入了更多成像平面以外的超声串扰信号，同时仅利用发射信号经组织散射形成的超声回波信号进行成像，成像信噪比、分辨率较差，这种结合方式增加了成像系统的复杂性，并且需要对独立超声换能器的位置准确校准。

以上两种光声与超声成像模态的集成方案均未充分激发超声成像、光声成像的性能潜力。

（2）现有的超声光声多模态成像系统不兼备二维与三维成像

现有的超声光声多模态成像系统通常仅具备二维成像或三维成像其中一种成像模式，系统设计也通常仅针对一种成像模式优化。然而在临床应用中，操作者通常需要实时二维成像模式对病灶进行定位和初步评估，需要三维成像模式提供更清晰全面的病灶信息。

（3）现有的超声光声多模态成像系统的超声换能器阵列设计不贴合成像目标形状

现有的超声光声多模态成像系统所采用的超声换能器单元尺寸一致，提供了均一的超声衍射角，并不贴合体表病灶成像的椭球形的下表面形状，这样的设计通常无法提供适合体表病灶表面形状的成像范围。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种非复用式超声多模态成像系统及方法。

本发明第一方面提供一种非复用式超声多模态成像系统，该系统包括时序控制系统、多维度信号收发模块、图像重建模块、图像信息提取与融合模块、脉冲光源、空间扫描模块、信号放大模块、信号激发模块、数据采集模块。

所述时序控制系统用于控制二维光声成像、二维超声成像、三维光声成像、三维超声成像同时或分时进行；具体的，所述时序控制系统通过完成下列控制中的一种或多种，控制二维光声成像、二维超声成像、三维光声成像、三维超声成像同时或分时进行：发送控制信号给脉冲光源来控制发射脉冲光的时间；发送控制信号给信号激发模块来控制信号激发模块向仅用于信号发射的超声换能器单元输出第三电信号的时间；发送控制信号给数据采集模块来控制数据采集模块对放大后的第一电信号和放大后的第二电信号进行采集的时间；发送控制信号给空间扫描模块，控制其使脉冲光源和多维度信号收发模块与待测体发生相对运动，扩大待测体成像范围。

所述多维度信号收发模块用于光声成像和超声成像，该模块包括自聚焦超声换能器阵列和非聚焦超声换能器阵列，所述自聚焦超声换能器阵列用于二维光声成像和二维超声成像；所述非聚焦超声换能器阵列用于三维光声成像和三维超声成像。

所述自聚焦超声换能器阵列和非聚焦超声换能器阵列中均包括若干仅用于信号发射的超声换能器单元和若干仅用于信号接收的超声换能器单元；所述仅用于信号发射的超声换能器单元，在时序控制系统的控制下向待测体发射超声波；所述仅用于信号接收的超声换能器单元，用于对经待测体反射和透射产生的超声信号以及光声信号分时交替进行探测；将超声信号转换为第一电信号；将光声信号转换为第二电信号。

所述自聚焦超声换能器阵列和非聚焦超声换能器阵列中的超声换能器单元均为非复用式，仅用于信号接收的超声换能器单元不用于发射超声波；仅用于信号发射的超声换能器单元不用于探测光声信号和超声信号。

所述自聚焦超声换能器阵列中的所有超声换能器单元的超声衍射角度在特定截面内大于在垂直于所述特定截面的方向上的超声衍射角度；所述非聚焦超声换能器阵列中的所有超声换能器单元在三维空间中的各方向上均具备大于等于30度的超声衍射角度。

所述自聚焦超声换能器阵列和非聚焦超声换能器阵列中的任意两个不同的超声换能器单元之间形成的成像区域内任意一点的超声传播方向的最大角度差异可达到60度及以上。

所述图像重建模块，用于重建光声图像和超声图像。

所述图像重建模块接收所述数据采集模块发送的第一数字信号和第二数字信号，并根据第一数字信号和第二数字信号中的电压信息和时间信息、脉冲光照射时间以及第三电信号的有效输出时间，重建光声图像和超声图像。

所述图像信息提取与融合模块基于图像重建模块重建的光声图像和超声图像，提取光声图像和超声图像包含的图像信息，融合光声图像与超声图像的图像信息并得到最终图像。

所述脉冲光源，用于接收时序控制系统发送的控制信号并发射脉冲光照射待测体。

所述空间扫描模块用于使脉冲光源和多维度信号收发模块与待测体发生相对运动，扩大待测体成像范围。

所述信号放大模块包括若干信号放大电路，用于接收多维度信号收发模块发送的第一电信号及第二电信号，对第一电信号和第二电信号进行信号放大得到放大后的第一电信号和放大后的第二电信号，并将放大后的第一电信号和放大后的第二电信号发送至数据采集模块；所述若干信号放大电路的通道与所述多维度信号收发模块中仅用于信号接收的超声换能器单元一一对应并直接连接。

所述信号激发模块，基于时序控制系统发送的控制信号，产生第三电信号并发送给多维度信号收发模块中仅用于信号发射的超声换能器单元。

所述数据采集模块在时序控制系统的控制下分时交替采集放大后的第一电信号和放大后的第二电信号，使光声成像与超声成像分时交替进行；对放大后的第一电信号和放大后的第二电信号分时进行模数转换，分别得到第一数字信号和第二数字信号；将第一数字信号和第二数字信号存储、传输并分别输出第一数字信号和第二数字信号至图像重建模块。

进一步地，所述多维度信号收发模块中的所有超声换能器单元均采用不均一的尺寸，依据所需超声信号衍射角的覆盖范围以及超声换能器单元的空间采样密度排布成自聚焦超声换能器阵列和\或非聚焦超声换能器阵列。

所述仅用于信号发射的超声换能器单元与仅用于信号接收的超声换能器单元在两种超声换能器阵列的非聚焦成像维度内的尺寸服从或近似服从公式：

其中，为超声换能器单元在非聚焦成像维度内的宽度；/>为超声换能器单元最高截止频率所对应的超声波波长；/>为超声换能器单元与目标成像区域的直线距离；/>为目标成像区域在面向超声换能器单元方向上所对应的宽度。

本发明第二方面提供一种非复用式超声多模态成像方法，包括如下步骤：

S1： 在时序控制系统的控制下，脉冲光源将脉冲光照射至待测体，信号激发模块向所述多维度信号收发模块中仅用于信号发射的超声换能器单元发射第三电信号，仅用于信号发射的超声换能器单元向待测体发射超声波； 所述空间扫描模块在时序控制系统的控制下使脉冲光源和多维度信号收发模块与待测体发生相对运动，从而实现多维度信号收发模块和脉冲光源对待测体的扫描，扩大待测体成像范围。

S2： 仅用于信号接收的超声换能器单元对待测体受脉冲光照和超声波激发后产生的光声信号以及超声信号分时交替进行探测，并将所述超声信号转换为第一电信号，通过信号放大模块对第一电信号进行信号放大、存储、并传输至数据采集模块，将所述光声信号转换为第二电信号，通过信号放大模块对第二电信号进行信号放大、存储并传输至数据采集模块。

S3：数据采集模块在时序控制系统的控制下分时交替采集放大后的第一电信号和放大后的第二电信号，并对放大后的第一电信号和放大后的第二电信号分时进行模数转换、存储、传输，并分别输出第一数字信号和第二数字信号至图像重建模块。

S4：图像重建模块基于所述第一数字信号和第二数字信号，并根据所述脉冲光照射时间和第三电信号的有效输出时间，重建光声图像和超声图像。

S5：将重建后的光声图像输入图像信息提取与融合模块并提取光声图像的图像信息；将重建后的超声图像输入图像信息提取与融合模块并提取超声图像的图像信息；若仅使用光声成像模态，输出光声图像及其图像信息；若仅使用超声成像模态则输出超声图像及其图像信息；若同时使用光声成像模态和超声成像模态，则执行步骤S6。

S6：调整不同图像信息的表征颜色或透明度，在同一图像坐标系下融合光声成像与超声成像模态的图像信息并得到最终图像，输出最终图像及其图像信息。

本发明的优势和有益效果在于：

（1）本发明中，在成像系统复杂性增加较少的情况下，实现了光声与超声成像模态的集成。相比于现有的光声成像模块与超声成像模块相对独立的集成方式，本发明通过设置时序控制系统控制多维度信号收发模块分时交替进行超声信号和光声信号探测、设置非复用式的超声换能器单元以及相适应的信号激发模块、信号放大模块、数据采集模块，避免了由于使用多路复用电路或信号切换电路而引入电噪声，从而使用同一套多维度信号收发模块实现了光声信号的探测与超声信号的发射和探测，减小了成像系统的复杂性。

（2）本发明中，通过在一个具备大孔径的多维度信号收发模块中集成用于三维成像的非聚焦超声换能器阵列以及用于实时二维成像的自聚焦超声换能器阵列，并配合空间扫描模块，在一个光声超声双模态成像系统中同时实现二维成像和三维成像功能。从而在临床应用中，操作者可以通过实时二维光声成像与超声成像模式对病灶进行定位和初步评估，也可通过三维光声成像与超声成像模式获取更清晰全面的病灶信息。

（3）本发明提出基于目标成像区域，根据超声信号衍射范围与空间采样密度，设计超声换能器单元非均一的尺寸和排布，提供了更适合目标成像区域的成像范围，从而对目标成像区域的光声信号和超声信号提供更灵敏有效的探测，改进了超声多模态成像系统中超声换能器模块的探测性能。

附图说明

图1 为本发明的一种非复用式超声多模态成像系统模块关系框图；

其中，1-脉冲光源；2-多维度信号收发模块；3-信号放大模块；4-信号激发模块；5-数据采集模块；6-时序控制系统；7-图像重建模块；8-空间扫描模块；9-图像信息提取与融合模块；10-待测体；

图2 为一种非复用式超声多模态成像系统中信号放大模块与信号激发模块连接超声换能器单元并一一对应的示意图；

其中，202-非聚焦超声换能器阵列；203-仅用于信号发射的超声换能器单元；204-仅用于信号接收的超声换能器单元；

图3 为一种非复用式超声多模态成像系统中时序控制系统通过发射控制信号使得超声和光声成像同步进行的示意图；

图4 为本发明实施例中一种非复用式超声多模态成像系统的第一种扫描方式的示意图；

其中，201-自聚焦超声换能器阵列；

图5 为本发明实施例中一种非复用式超声多模态成像系统的第二种扫描方式的示意图；

图6 为本发明实施例中一种非复用式超声多模态成像系统的第三种扫描方式的示意图；

图7 为本发明实施例中一种非复用式超声多模态成像系统的第四种扫描方式的示意图；

图8 为本发明中一种非复用式超声多模态成像方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种实施方式作详细说明。

本实施方式中提供的一种非复用式超声多模态成像系统，如图1所示，该系统包括脉冲光源1、多维度信号收发模块2、信号放大模块3、信号激发模块4、数据采集模块5、时序控制系统6、图像重建模块7、空间扫描模块8、图像信息提取与融合模块9。

本实施方式中的脉冲光源1用于接收时序控制系统6发送的控制信号并发射脉冲光照射待测体10；本实施方式中所述脉冲光源为Nd:YAG 纳秒脉冲激光器。

本实施方式中的多维度信号收发模块2用于光声成像和超声成像，该模块包括自聚焦超声换能器阵列201和非聚焦超声换能器阵列202；所述自聚焦超声换能器阵列201，用于实时二维光声成像和实时二维超声成像；所述非聚焦超声换能器阵列202，用于实时或高速的三维光声成像以及实时或高速的三维超声成像。

所述自聚焦超声换能器阵列201和非聚焦式超声换能器阵列202均包括若干仅用于信号发射的超声换能器单元203和仅用于信号接收的超声换能器单元204，自聚焦超声换能器阵列201和非聚焦超声换能器阵列202中的任意两个不同的超声换能器单元之间形成的成像区域内任意一点的超声传播方向的最大角度差异可达到60度及以上。

所述仅用于信号发射的超声换能器单元203，用于通过接收信号激发模块4发送的第三电信号，并向待测体10发射超声波；所述仅用于信号接收的超声换能器单元204，用于对经待测体10反射和透射产生的超声信号以及光声信号分时交替进行探测；将超声信号转换为第一电信号；将光声信号转换为第二电信号；并将第一电信号及第二电信号发送给信号放大模块3。

本实施方式中的信号放大模块3包括若干信号放大电路，具备阻抗变换与信号放大功能，能够提高光声信号的信噪比；所述信号放大电路通道与所述多维度信号收发模块2中仅用于信号接收的超声换能器单元204一一对应并直接连接，用于接收多维度信号收发模块2中仅用于信号接收的超声换能器单元204发送的第一电信号和第二电信号；对第一电信号和第二电信号进行信号放大得到放大后的第一电信号和放大后的第二电信号，并将放大后的第一电信号和放大后的第二电信号发送至数据采集模块5。

本实施方式中的信号激发模块4包括高压电源、高速串行接口、高压脉冲发生电路，用于接收时序控制系统6发送的控制信号，产生第三电信号并将第三电信号发送给多维度信号收发模块2。

如图2所示，以非聚焦超声换能器阵列202为例，其中的仅用于信号发射的超声换能器单元203连接信号激发模块4，接收信号激发模块4在时序控制系统6的控制下发送的第三电信号后向待测体10发射超声波；各个仅用于信号接收的超声换能器单元204与信号放大模块3的信号放大电路通道一一对应，向信号放大模块3输出第一电信号与第二电信号，第一电信号与第二电信号经信号放大模块3放大后，成为放大后的第一电信号和放大后的第二电信号，并发送至数据采集模块5；本实施方式中所述数据采集模块5采用PST 的LEGION ADC。

本实施方式中的数据采集模块5，接收时序控制系统6发送的控制信号，用于分时交替采集信号放大模块3发送的放大后的第一电信号和放大后第二电信号；对放大后的第一电信号和放大后的第二电信号分别进行模数转换得到第一数字信号和第二数字信号；将第一数字信号和第二数字信号存储、传输，分别输出第一数字信号和第二数字信号至图像重建模块7。

所述时序控制系统6，如图3所示，在100 ms的一次扫描时间内，时序控制系统6通过向脉冲光源1、超声激发模块4、数据采集模块5、空间扫描模块8分时发射控制信号实现光声成像和超声成像分时交替进行，时序控制系统6由Verilog语法实现，能够达到纳秒级的时序控制，实现超声与光声的融合成像，且不互相干扰。

如图3所示，脉冲光激发时间与信号激发模块4触发US#i的时间间隔Δt 满足条件：Δt≥。

C₀ 是超声波的声速，R是超声换能器阵列的半径。

US#i与US#i+1触发时间间隔满足Δt ≥

C₀ 是超声波的声速，r(i,j)是超声波从仅用于信号发射的超声换能器单元203发射到被仅用于信号接收的超声换能器单元204接收经过的最长传播路径，其中i是仅用于信号发射的超声换能器单元的位置编号，j是仅用于信号接收的超声换能器单元的位置编号，r(i,j)与i、j 以及图像重建范围相关。

进一步的，时序控制系统6 将脉冲光源1发射脉冲光的时间与数据采集模块5对放大后的第一电信号进行采集的时间进行同步或控制其延时一段时间。

进一步的，时序控制系统6将信号激发模块4向仅用于信号发射的超声换能器单元203输出第三电信号的时间与数据采集模块5对放大后的第二电信号进行采集的时间进行同步或控制其延时一段时间，并在一个光声超声扫描周期，即100ms的时间里进行30次超声信号激发和超声信号采集。

本实施方式中的图像重建模块7，用于接收数据采集模块5发送的第一数字信号和第二数字信号；基于第一数字信号和第二数字信号中的电压信息和时间信息，并根据脉冲光照射时间和第三电信号的有效输出时间，重建光声图像和超声图像；将重建后的光声图像和超声图像发送给图像信息提取与融合模块9。

本实施方式中的空间扫描模块8，用于接收时序控制系统6发送的控制信号，在垂直于成像平面的方向上，通过滑轨或旋转轴/台，使脉冲光源1和多维度信号收发模块2与待测体发生相对运动，增加成像范围；本实施方式中的图像信息提取与融合模块9用于接收图像重建模块7发送的重建完成的光声图像和超声图像；提取光声图像包含的血管密度、血管形态、血氧饱和度等图像信息；提取超声图像包含的待测生物组织尺寸、形态等图像信息；调整不同图像信息的表征颜色或透明度，由于光声图像与超声图像均通过多维度信号收发模块2完成，两种成像模态的图像信息可在同一坐标系下配准，在同一图像坐标系下融合光声成像模态与超声成像模态的图像信息并得到最终图像；向用户提供最终图像和其中的各项指标，所述各项指标包括病灶尺寸、供血特性、血氧饱和度特性等。

本实施方式中的待测体10，用于接收脉冲光和超声波；利用色团在吸收脉冲光的能量后产生局部压强变化，并将压强变化以光声信号的形式向外传播；通过反射、透射将超声波转换为超声信号向外传播。

进一步地，本实施方式中多维度信号收发模块2中用于探测光声信号和超声信号的仅用于信号接收的超声换能器单元204不用于发射超声波；用于发射超声波的仅用于信号发射的超声换能器单元203不用于探测光声信号和超声信号，所述仅用于信号发射的超声换能器单元203的数量不应超过两种超声换能器单元总和数量的1/2。

进一步地，本实施方式中信号放大模块3的输入阻抗高于与其连接的仅用于信号接收的超声换能器单元204的输出阻抗；信号放大模块3的输出阻抗与连接的数据采集模块5的输入阻抗相等；信号激发模块4的输出阻抗低于相连接的仅用于信号发射的超声换能器单元203的输入阻抗。

进一步地，本实施方式中所述数据采集模块5在时序控制系统6的控制下分时交替采集放大后的第一电信号和放大后的第二电信号，使光声成像与超声成像分时交替进行。在进行二维光声成像时或三维光声成像时，时序控制系统6将脉冲光源1发射脉冲光的时间与数据采集模块5对放大后的第二电信号进行采集的时间进行同步或控制其延时一段时间；在进行二维超声成像或三维超声成像时，时序控制系统6将信号激发模块4向仅用于信号发射的超声换能器单元203输出第三电信号的时间与数据采集模块5对放大后的第一电信号进行采集的时间进行同步或控制其延时一段时间。

进一步地，本实施方式中图像重建模块7使用配置文件设置参数，配置文件包括滤波反投影、延时求和、迭代重建、深度学习基于不同机理的光声图像重建算法和超声图像重建算法。

本实施方式中，仅用于信号发射的超声换能器单元203和仅用于信号接收的超声换能器单元204，采用不均一的尺寸，以符合目标成像范围的尺寸与形状为目标，依据所需超声信号衍射角的覆盖范围以及仅用于信号发射的超声换能器单元203和仅用于信号接收的超声换能器单元204的空间采样密度排布成自聚焦超声换能阵列201和\或非聚焦式超声换能阵列202，从而对目标成像区域进行光声信号探测、超声信号探测。

本实施方式中仅用于信号发射的超声换能器单元203与仅用于信号接收的超声换能器单元204在上述两种超声换能器阵列的非聚焦成像维度内的尺寸服从或近似服从公式：

其中，为仅用于信号发射的超声换能器单元和仅用于信号接收的超声换能器单元在非聚焦成像维度内的宽度；/>为仅用于信号发射的超声换能器单元和仅用于信号接收的超声换能器单元最高截止频率所对应的超声波波长；/>为仅用于信号发射的超声换能器单元和仅用于信号接收的超声换能器单元与目标成像区域的直线距离；/>为目标成像区域在面向仅用于信号发射的超声换能器单元和仅用于信号接收的超声换能器单元方向上所对应的宽度。

本实施方式中目标成像区域在所述两种超声换能器阵列的非聚焦成像维度内为一椭圆形区域，正对椭圆长轴的超声换能器单元在非聚焦成像维度内的宽度为：

其中为椭圆长轴长度。

正对椭圆短轴的超声换能器单元在非聚焦成像维度内的宽度为：

其中为椭圆短轴长度。

所述一种非复用式超声多模态成像系统共有两个成像维度：

（1）在二维超声成像和二维光声成像时，本实施方式中所述自聚焦超声换能器阵列201中的全部超声换能器单元在特定截面内的超声衍射角大于在垂直于所述特定截面的方向上的超声衍射角度，其中的仅用于信号发射的超声换能器单元203发射的超声波的能量主要分布在所述特定截面内；其中的仅用于信号接收的超声换能器单元204对在所述特定截面内传播的光声信号和超声信号的探测灵敏度高于对在所述特定截面以外传播的光声信号和超声信号探测灵敏度；所述自聚焦超声换能器阵列201中的仅用于信号发射的超声换能器单元203用于发射所述二维超声成像所需的超声波；所述自聚焦超声换能器阵列201中的仅用于信号接收的超声换能器单元204用于对所述超声信号和光声信号分时交替进行探测并用于二维超声成像和二维光声成像。

（2）三维超声成像和三维光声成像时，本实施方式中所述非聚焦式超声换能器阵列202中的全部超声换能器单元在三维空间中的各方向上均具备较大的超声衍射角度，其中的仅用于信号发射的超声换能器单元203发射的超声波的能量主要分布在超声衍射角覆盖的三维空间内；仅用于信号接收的超声换能器单元204在三维空间中的各方向上均具备大于等于30度的超声衍射角度，能够有效探测在三维空间内超声衍射角覆盖范围内传播的光声信号和超声信号。所述非聚焦式超声换能器阵列202中的仅用于信号发射的超声换能器单元203用于发射所述三维超声成像所需的超声波；所述非聚焦式超声换能器阵列202中的仅用于信号接收的超声换能器单元204用于对所述超声信号和光声信号分时交替进行探测并用于三维超声成像和三维光声成像。

本实施方式中，在三维光声成像时，所述脉冲光光照的范围与角度不与所述待测体10发生相对位置变化。

所述一种非复用式超声多模态成像系统共有两个成像模态：

（1）在光声成像模态中，脉冲光源1照射脉冲光至待测体10，待测体10中的吸光色团吸收脉冲光能量后发生局部压强变化，并将局部压强变化以光声信号的形式向待测体外传播，该光声信号被多维度信号收发模块2中的仅用于信号接收的超声换能器单元204探测并转化为第二电信号发送给信号放大模块3，信号放大模块3对第二电信号进行放大，放大后的第二电信号被数据采集模块5转换为第二数字信号并传输、存储，图像重建模块7接收第二数字信号并计算待测体中吸光色团的浓度与分布，进而实现图像重建并得到重建后的光声图像，图像信息提取与融合模块9对重建后的光声图像信息进行分析。

（2）在超声成像模态中，信号激发模块4输出第三电信号至多维度信号收发模块2中的仅用于信号发射的超声换能器单元203，然后仅用于信号发射的超声换能器单元203向待测体10发射超声波，超声波在经过待测体10反射或透射后被多维度信号收发模块2中的仅用于信号接收的超声换能器单元204探测并转化为第一电信号，第一电信号经信号放大模块3进行信号放大，放大后的第一电信号被数据采集模块5转换为第一数字信号并传输、存储，图像重建模块7接收第一数字信号并计算待测体10的结构形态，进而实现图像重建并得到重建后的超声图像，图像信息提取融合模块9则对重建后的超声图像信息进行分析。

所述一种非复用式超声多模态成像系统共有四种扫描方式：

（1）如图4所示，一种非复用式超声多模态成像系统的一种扫描方式为空间扫描模块8带动多维度信号收发模块2和脉冲光源1相对于待测体10进行相对移动，多维度信号收发模块2和脉冲光源1的相对位置保持不变。

多维度信号收发模块2由一个半环型的自聚焦超声换能器阵列201和一个与之并排的半环型非聚焦式超声换能器阵列202组成，两种超声换能器阵列均包括若干仅用于信号发射的超声换能器单元203和仅用于信号接收的超声换能器单元204。多维度信号收发模块2的两侧放置脉冲光源1，对待测体10进行照明，多维度信号收发模块2和脉冲光源1的相对位置保持不变。

空间扫描模块8在垂直于成像平面的方向上，带动多维度信号收发模块2和脉冲光源1相对于待测体10移动，多维度信号收发模块2和脉冲光源1的相对位置保持不变，从而达到扩大待测体成像范围的目的，在一次扫描中操作者可自主选择同时完成以下成像模态中的一种或几种：实时二维光声成像、实时二维超声成像、三维光声成像、三维超声成像。

在二维光声成像模态中，成像平面与半环型的自聚焦超声换能器阵列201所在的平面平行，在成像平面内传播的光声信号被半环型的自聚焦超声换能器阵列201中的仅用于信号接收的超声换能器单元204探测，用于重建二维光声图像；在二维超声成像模态中，半环型自聚焦超声换能器阵列201中的仅用于信号发射的超声换能器单元203在成像平面内发射超声波，经待测体10反射或透射后，在同一平面内传播的超声信号被半环型的自聚焦超声换能器阵列201中的仅用于信号接收的超声换能器单元204探测，用于重建二维超声图像。

在三维光声成像模态中，脉冲光源 1在固定的位置和角度对待测体10提供光照，半环形非聚焦超声换能器阵列202中的仅用于信号接收的超声换能器单元204在三维空间内的各方向提供大视角探测，提供一半圆柱面的光声探测阵列，用于成像待测体10在三维空间内的光声图像；在三维超声成像模态中，半环型的非聚焦式超声换能器阵列202中的仅用于信号发射的超声换能器单元203向三维空间内的多个角度发射超声波，经待测体反射或透射后，仅用于信号接收的超声换能器单元204在三维空间内的各方向提供大视角探测，提供一半圆柱面超声探测矩阵，用于成像待测体在三维空间内的超声图像。

（2）如图5所示，一种非复用式超声多模态成像系统的另一种扫描方式为空间扫描模块8带动待测体10相对于多维度信号收发模块2和脉冲光源1进行相对移动，多维度信号收发模块2和脉冲光源1的相对位置保持不变。

空间扫描模块8在垂直于成像平面的方向上，带动待测体10相对于多维度信号收发模块2和脉冲光源1移动，多维度信号收发模块2和脉冲光源1的相对位置保持不变，从而达到扩大待测体成像范围的目的。在一次扫描中操作者可自主选择同时完成以下成像模态中的一种或几种：实时二维光声成像、实时二维超声成像、三维光声成像、三维超声成像。

（3）如图6所示，一种非复用式超声多模态成像系统的另一种扫描方式为旋转，旋转轴为多维度信号收发模块2的直径。自聚焦超声换能器阵列201在绕旋转轴扫描过程中提供对待测体中经过旋转轴的各个截面的实时二维光声成像和\或超声成像，非聚焦式超声换能器阵列202在绕旋转轴扫描过程中提供一球面探测矩阵，用于成像待测体10在三维空间内的光声成像和\或超声成像。

（4）如图7所示，多维度信号收发模块2由一半环型自聚焦超声换能器阵列201与一半球面非聚焦式超声换能器阵列202组成，环状的脉冲光源 1位于多维度信号收发模块2上方提供对待测体10的照明。空间扫描模块8带动多维度信号收发模块2和脉冲光源1相对于待测体10发生相对旋转或平面移动，从而完成对待测体10的旋转扫描和平面内扫描，在旋转扫描时，旋转轴为半环型自聚焦超声换能器阵列201与球面非聚焦式超声换能器阵列202的半径，实现对待测体10的实时二维成像和高速三维成像；在平面内扫描时，脉冲光源1与多维度信号收发模块2相对位置不变，进行同步移动，提供对待测体更大范围的成像。

如图8所示，采用上述一种非复用式超声多模态成像系统的一种非复用式超声多模态成像方法包括如下步骤：

S1：在时序控制系统的控制下，脉冲光源将脉冲光照射至待测体，信号激发模块向所述多维度信号收发模块中仅用于信号发射的超声换能器单元发射第三电信号，仅用于信号发射的超声换能器单元向待测体发射超声波； 所述空间扫描模块在时序控制系统的控制下使脉冲光源和多维度信号收发模块与待测体发生相对运动，从而实现多维度信号收发模块和脉冲光源对待测体的扫描，扩大待测体成像范围。

S2：仅用于信号接收的超声换能器单元对待测体受脉冲光照和超声波激发后产生的光声信号以及超声信号分时交替进行探测，并将所述超声信号转换为第一电信号，通过信号放大模块对第一电信号进行信号放大、存储、并传输至数据采集模块，将所述光声信号转换为第二电信号，通过信号放大模块对第二电信号进行信号放大、存储并传输至数据采集模块。

S3：数据采集模块在时序控制系统的控制下分时交替采集放大后的第一电信号和放大后的第二电信号，并对放大后的第一电信号和放大后的第二电信号分时进行模数转换、存储、传输，并分别输出第一数字信号和第二数字信号至图像重建模块。

S4：图像重建模块基于所述第一数字信号和第二数字信号，并根据所述脉冲光照射时间和第三电信号的有效输出时间，重建光声图像和超声图像。

S5：将重建后的光声图像输入图像信息提取与融合模块并提取光声图像的图像信息；将重建后的超声图像输入图像信息提取与融合模块并提取超声图像的图像信息；若仅使用光声成像模态，输出光声图像及其图像信息；若仅使用超声成像模态则输出超声图像及其图像信息；若同时使用光声成像模态和超声成像模态，则执行步骤S6。

S6：调整不同图像信息的表征颜色或透明度，在同一图像坐标系下融合光声成像与超声成像模态的图像信息并得到最终图像，输出最终图像及其图像信息。

以上所述仅仅是本发明较佳的实施例，因此不限制本发明的实施方式和保护范围。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有创造性劳动的情况下获得的所有其它实施方式均在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种非复用式超声多模态成像系统，其特征在于，该系统包括时序控制系统、多维度信号收发模块、图像重建模块、图像信息提取与融合模块；

所述时序控制系统用于控制二维光声成像、二维超声成像、三维光声成像、三维超声成像同时或分时进行；

所述多维度信号收发模块用于光声成像和超声成像，该模块包括自聚焦超声换能器阵列和非聚焦超声换能器阵列，所述自聚焦超声换能器阵列用于二维光声成像和二维超声成像；所述非聚焦超声换能器阵列用于三维光声成像和三维超声成像；

所述图像重建模块，用于重建光声图像和超声图像；

所述图像信息提取与融合模块基于图像重建模块重建的光声图像和超声图像，提取光声图像和超声图像包含的图像信息，融合光声图像与超声图像的图像信息并得到最终图像。

2.根据权利要求1所述的非复用式超声多模态成像系统，其特征在于，所述自聚焦超声换能器阵列和非聚焦超声换能器阵列中均包括若干仅用于信号发射的超声换能器单元和若干仅用于信号接收的超声换能器单元；所述仅用于信号发射的超声换能器单元，在时序控制系统的控制下向待测体发射超声波；所述仅用于信号接收的超声换能器单元，用于对经待测体反射和透射产生的超声信号以及光声信号分时交替进行探测；将超声信号转换为第一电信号；将光声信号转换为第二电信号。

3.根据权利要求2所述的非复用式超声多模态成像系统，其特征在于，所述自聚焦超声换能器阵列和非聚焦超声换能器阵列中的超声换能器单元均为非复用式，仅用于信号接收的超声换能器单元不用于发射超声波；仅用于信号发射的超声换能器单元不用于探测光声信号和超声信号。

4.根据权利要求2所述的非复用式超声多模态成像系统，其特征在于，所述非复用式超声多模态成像系统还包括脉冲光源、空间扫描模块、信号放大模块、信号激发模块、数据采集模块；

所述脉冲光源，用于接收时序控制系统发送的控制信号并发射脉冲光照射待测体；

所述空间扫描模块用于使脉冲光源和多维度信号收发模块与待测体发生相对运动，扩大待测体成像范围；

所述信号放大模块包括若干信号放大电路，用于接收多维度信号收发模块发送的第一电信号及第二电信号，对第一电信号和第二电信号进行信号放大得到放大后的第一电信号和放大后的第二电信号，并将放大后的第一电信号和放大后的第二电信号发送至数据采集模块；所述若干信号放大电路的通道与所述多维度信号收发模块中仅用于信号接收的超声换能器单元一一对应并直接连接；

所述信号激发模块，基于时序控制系统发送的控制信号，产生第三电信号并发送给多维度信号收发模块中仅用于信号发射的超声换能器单元；

所述数据采集模块在时序控制系统的控制下分时交替采集放大后的第一电信号和放大后的第二电信号，使光声成像与超声成像分时交替进行；对放大后的第一电信号和放大后的第二电信号分时进行模数转换，分别得到第一数字信号和第二数字信号；将第一数字信号和第二数字信号存储、传输并分别输出第一数字信号和第二数字信号至图像重建模块。

5.根据权利要求4所述的非复用式超声多模态成像系统，其特征在于，所述时序控制系统通过完成下列控制中的一种或多种，控制二维光声成像、二维超声成像、三维光声成像、三维超声成像同时或分时进行：发送控制信号给脉冲光源来控制发射脉冲光的时间；发送控制信号给信号激发模块来控制信号激发模块向仅用于信号发射的超声换能器单元输出第三电信号的时间；发送控制信号给数据采集模块来控制数据采集模块对放大后的第一电信号和放大后的第二电信号进行采集的时间；发送控制信号给空间扫描模块，控制其使脉冲光源和多维度信号收发模块与待测体发生相对运动，扩大待测体成像范围。

6.根据权利要求2所述的非复用式超声多模态成像系统，其特征在于，所述自聚焦超声换能器阵列中的所有超声换能器单元的超声衍射角度在特定截面内大于在垂直于所述特定截面的方向上的超声衍射角度；所述非聚焦超声换能器阵列中的所有超声换能器单元在三维空间中的各方向上均具备大于等于30度的超声衍射角度。

7.根据权利要求2所述的非复用式超声多模态成像系统，其特征在于，所述多维度信号收发模块中的所有超声换能器单元均采用不均一的尺寸，依据所需超声信号衍射角的覆盖范围以及超声换能器单元的空间采样密度排布成自聚焦超声换能器阵列和或非聚焦超声换能器阵列；

所述仅用于信号发射的超声换能器单元与仅用于信号接收的超声换能器单元在两种超声换能器阵列的非聚焦成像维度内的尺寸服从或近似服从公式：

其中，为超声换能器单元在非聚焦成像维度内的宽度；/>为超声换能器单元最高截止频率所对应的超声波波长；/>为超声换能器单元与目标成像区域的直线距离；/>为目标成像区域在面向超声换能器单元方向上所对应的宽度。

8.根据权利要求2所述的非复用式超声多模态成像系统，其特征在于，所述自聚焦超声换能器阵列和非聚焦超声换能器阵列中的任意两个不同的超声换能器单元之间形成的成像区域内任意一点的超声传播方向的最大角度差异可达到60度及以上。

9.根据权利要求4所述的非复用式超声多模态成像系统，其特征在于，所述图像重建模块接收所述数据采集模块发送的第一数字信号和第二数字信号，并根据第一数字信号和第二数字信号中的电压信息和时间信息、脉冲光照射时间以及第三电信号的有效输出时间，重建光声图像和超声图像。

10.基于权利要求1所述的一种非复用式超声多模态成像系统实现的一种非复用式超声多模态成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1： 在时序控制系统的控制下，脉冲光源将脉冲光照射至待测体，信号激发模块向所述多维度信号收发模块中仅用于信号发射的超声换能器单元发射第三电信号，仅用于信号发射的超声换能器单元向待测体发射超声波； 所述空间扫描模块在时序控制系统的控制下使脉冲光源和多维度信号收发模块与待测体发生相对运动，从而实现多维度信号收发模块和脉冲光源对待测体的扫描，扩大待测体成像范围；

S2： 仅用于信号接收的超声换能器单元对待测体受脉冲光照和超声波激发后产生的光声信号以及超声信号分时交替进行探测，并将所述超声信号转换为第一电信号，通过信号放大模块对第一电信号进行信号放大、存储、并传输至数据采集模块，将所述光声信号转换为第二电信号，通过信号放大模块对第二电信号进行信号放大、存储并传输至数据采集模块；

S3：数据采集模块在时序控制系统的控制下分时交替采集放大后的第一电信号和放大后的第二电信号，并对放大后的第一电信号和放大后的第二电信号分时进行模数转换、存储、传输，并分别输出第一数字信号和第二数字信号至图像重建模块；

S4：图像重建模块基于所述第一数字信号和第二数字信号，并根据所述脉冲光照射时间和第三电信号的有效输出时间，重建光声图像和超声图像；

S5：将重建后的光声图像输入图像信息提取与融合模块并提取光声图像的图像信息；将重建后的超声图像输入图像信息提取与融合模块并提取超声图像的图像信息；若仅使用光声成像模态，输出光声图像及其图像信息；若仅使用超声成像模态则输出超声图像及其图像信息；若同时使用光声成像模态和超声成像模态，则执行步骤S6；

S6：调整不同图像信息的表征颜色或透明度，在同一图像坐标系下融合光声成像与超声成像模态的图像信息并得到最终图像，输出最终图像及其图像信息。