CN117257238A - 一种基于随机访问扫描的光声显微成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于随机访问扫描的光声显微成像装置及方法。该装置包括脉冲激光模块、光束传输模块、光束扫描模块、反射式成像模块、信号探测模块、电机传动模块、同步控制模块、激光随机访问扫描与超声同步探测模块，以及采集控制与数据处理模块。该方法利用生成的外部调制信号同步调控激光器随机间隔发射脉冲激光、振镜随机偏转进行光束扫描和旋转电机变速运动探测光声信号，结合旋转式扫描方法实现超快速、低激发能量和高对比度的随机获取光声成像。采用本发明的装置设计及成像方法，通过外部调制信号，能够让光束随机访问扫描和超声探测器变速转动探测光声信号，达到无过采样、高速和高对比度随机获取感兴趣区域血管网络的技术效果。

Description

一种基于随机访问扫描的光声显微成像装置及方法

技术领域

本发明属于光学医疗成像领域，具体涉及一种基于随机访问扫描的光声显微成像装置及方法。

背景技术

光声成像是一种高灵敏度无损的新型医学成像技术，能够突破生物组织对光子的扩散限制，调和纯光学成像空间分辨率与穿透深度的矛盾，实现对比度来源丰富的多尺度成像。在光声成像中，光激发和声探测是两个关键步骤，通过光束扫描器件和超声探测器的有机结合，能够实现生物组织中血红蛋白、黑色素、蛋白质、脂质和DNA/RNA等内源性物质及无机材料、有机材料和基因编码发色团等外源性造影剂的多对比度来源的光声成像，并广泛应用生物医学成像研究和临床成像诊断。其中，光声显微成像利用光学聚焦和高频超声探测，能够获得光学衍射极限的高分辨率，被广泛应用于生物组织血管网络结构及功能成像研究中。

光声显微成像是一种对成像目标物进行逐点扫描的成像方式，目前光声显微成像的扫描方式主要分为两类：光栅式扫描成像方式和旋转式扫描成像方式。光栅式扫描成像方式采用单一的机械逐点扫描进行光激励和声探测，受到高精度步进电机的速度、尺寸和成本等限制，对目标物的成像速度慢且便携性差。旋转式扫描成像方式采用光学扫描与机械扫描相结合的光机电协同思路，通过振镜进行光学扫描和旋转电机进行声学扫描，实现了对目标物的高速、大视野和便携式成像。但是利用这两类逐点扫描方式对血管网络成像时，目标物血管所在区域和血管外的背景区域均受到光焦点的扫描，使得在使用高重复频率激光器进行超快速成像时将面临激光能量密度过高导致的组织热损伤风险。此外，虽然采用旋转式扫描机制进行光声显微成像具有显著成像优势，但是这种扫描机制会引入中心成像区域光焦点分布密集造成的过采样问题，该问题会加剧成像组织的热损伤风险，且会造成图像对比度和分辨率分布不均匀。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明提出了一种通过感兴趣区域生成外部调制信号来同步调控激光器发射脉冲激光模式、振镜驱动光束扫描模式和旋转电机驱动超声探测器转动模式的随机访问扫描光声显微成像装置及方法，解决了光声显微成像难以避免扫描背景区域的问题和旋转式光声显微成像存在过采样的问题，降低了成像组织的激光能量密度，避免了组织的热损伤风险，提高了光声显微成像的安全性，有效抑制了成像组织的背景信号，提高了光声图像的对比度。通过本发明，可以进行任意感兴趣区域的光声显微成像，满足生物医学研究对成像技术安全性、成像范围、图像对比度和分辨率等方面的需求。

另一方面，基于随机访问扫描的光声显微成像装置及方法大幅降低了传统光声显微成像所需的光焦点数量，从而显著提高了传统光声显微成像的速度。本发明为研究活体动物组织和器官成像研究提供了一种超快光声成像新方法。

（二）技术方案

本发明为解决其技术问题，提供了一种基于随机访问扫描的光声显微成像装置及方法，具体技术方案如下。

一种基于随机访问扫描的光声显微成像装置，其特征在于：该装置包括脉冲激光模块、光束传输模块、光束扫描模块、反射式成像模块、信号探测模块、电机传动模块、同步控制模块、激光随机访问扫描与超声同步探测模块，以及采集控制与数据模块；

所述脉冲激光源模块包括激光器，用于发射脉冲激光到光束传输模块；

所述光束传输模块包括反射镜、空间光滤波器、光纤和准直透镜，用于整形、准直和传输脉冲激光源模块发射的脉冲激光到光束扫描模块；

所述光束扫描模块包括振镜、扫描透镜，用于扫描和聚焦脉冲激光束；

所述反射式成像模块包括透光反声器件，透光反声器件内部倾斜插入玻璃片、填满纯水作为耦合介质，并置于光束扫描模块上方，用于传输光束扫描模块的聚焦脉冲激光束到目标物，并反射目标物发出的光声信号到信号探测模块；

所述信号探测模块包括依次连接的超声探测器、放大器、滤波器及数据采集卡，用于接收、放大、滤波和采集超声探测器检测到的光声信号；其中，超声探测器与透声反光器件连接，用于接收玻璃片反射的光声信号；

所述电机传动模块包括旋转电机、升降电机、振镜固定器、电机限位装置和传动齿轮装置；其中，旋转电机通过传动齿轮装置与超声探测器连接，升降电机与电机限位装置连接、并通过振镜固定器与光束扫描模块的振镜连接，用于旋转超声探测器进行光声信号探测、调整光束聚焦位置和防止升降电机卡死；

所述同步控制模块包括函数发生器，函数发生器分别与脉冲激光源模的激光器、信号探测模块的采集卡和激光随机访问扫描和超声同步探测模块的同步控制卡连接，用于生成和输出激光器、振镜和数据采集卡之间的同步信号；

所述激光随机访问扫描与超声同步探测模块包括同步控制卡、电机控制卡及外部调制信号；其中，同步控制卡分别与脉冲激光源模的激光器、振镜和电机控制卡连接，电机控制卡分别与电机传动模块的旋转电机和升降电机连接；用户根据感兴趣成像区域在采集控制与数据处理模块的计算机中生成外部调制信号，在光声成像点扫描过程中，用户通过计算机中的采集控制软件输入外部调制信号并通过同步控制卡和电机控制卡分别调控激光器为随机间隔发射脉冲激光模式、调控振镜为随机跳跃扫描方式和调控旋转电机为变速运动，用于实现振镜偏转光束进行随机访问扫描和旋转电机带动超声探测器变速转动进行光声信号探测的同步控制；

所述采集控制与数据处理模块包括计算机，计算器分别与光束扫描模块、信号探测模块、电机传动模块和激光随机访问扫描与超声同步探测模块连接，用于操控同步信号和外部调制信号的输出、启动数据采集卡进行数据采集与存储、重建光声信号及图像处理与显示。

优选地，该光声显微成像装置的工作方式为，针对以旋转式扫描方式进行成像的光声显微成像，在光焦点数量已知的情形下，提前通过计算机的数据处理软件计算圆形成像平面的过采样光焦点个数，生成不包含过采样光焦点的外部调制信号；在扫描成像过程中，通过同步控制卡和电机控制卡同步控制激光器、振镜和旋转电机，对于每个重合的光焦点，通过计算器的采集控制软件输入不包含过采样光焦点的外部调制信号给同步控制卡来快速调控激光器关闭脉冲激光输出并控制振镜跳过重合光焦点位置，以此避免光焦点扫描出现过采样问题，同时将完成每个路径扫描作为电机控制卡控制旋转电机带动超声换探测器转动一次的反馈控制信号，直到振镜和超声探测器同步完成光焦点在最后一个路径上的扫描和该路径上光焦点扫描处激发的光声信号探测，即可获取包含成像目标物血管网络信息的光声图像；然后根据已知目标物血管网络信息，通过计算机的数据处理软件计算成像平面上覆盖血管网络所需的有效成像光焦点数量，在有效成像光焦点数量基础上去除过采样光焦点个数，得到无过采样且仅包含目标物血管网络信息的外部调制信号；最后，通过计算机的采集控制软件输入无过采样且仅包含目标物血管网络信息的外部调制信号给同步控制卡，重复光声显微的扫描成像过程，通过同步控制卡和电机控制卡调控激光器和振镜进行光的焦点的随机访问扫描以及超声探测器进行变速转动探测光声信号，用于实现对目标物血管网络的随机访问扫描成像。

优选地，所述脉冲激光模块向目标物发射重复频率可调节的脉冲激光；在不进行随机访问扫描成像时，激光器为等间隔连续发射脉冲激光模式；在进行随机访问扫描成像时，通过施加外部调制信号将激光器改变为随机间隔发射脉冲激光模式。

优选地，所述光束传输模块与光束扫描模块的工作方式为，激光器发射的光束经反射镜、空间光滤波器、光纤和准直透镜的整形和准直后，依次经振镜、扫描透镜和透光反声器件后汇聚成直径为微米尺度的光焦点，并照射在目标物上；在进行随机访问扫描成像时，通过施加的外部调制信号来驱动振镜控制光焦点沿成像区域初始路径进行高速跳跃扫描，直至完成最后一个路径以覆盖整个成像平面中目标物的血管网络，光焦点扫描结束。

优选地，所述电机传动模块的工作方式为，通过升降电机移动调节光焦点在目标物中的聚焦位置，通过电机限位装置控制升降电机上移和下移的距离来避免出现超过移动量程造成的卡死问题，通过旋转电机和传动齿轮装置配合带动超声探测器旋转探测光声信号；在进行随机访问扫描成像时，输入的外部调制信号决定了每个扫描路径上光焦点的数量以及光焦点遍历每个扫描路径所需的时间，旋转电机带动超声探测器进行变速转动来实现光声信号接收面始终重合于光焦点扫描面。

优选地，光焦点扫描和光声信号探测是通过激光随机访问扫描与超声同步探测模块进行时序同步控制的；在光声点扫描过程中，同步控制卡将外部调制信号输出给激光器来调制激光器执行随机间隔发射脉冲激光模式，同时驱动振镜进行光焦点随机访问扫描，电机控制卡根据光焦点在每个扫描路径上随机访问扫描所需时间的反馈同步控制旋转电机带动超声探测器旋转的速度，以实现在随机扫描过程中进行光声信号的同步探测。

优选地，所述透光反声器件中的纯水与玻璃片的折射率接近，使垂直入射到透光反声装置中的脉冲激光束透过装置辐射到目标成像物上，纯水与玻璃片的声阻抗差异显著，使成像物吸收脉冲激光产生的超声波反射到超声探测器上，超声探测器接收光声信号并转换为电信号，通过放大、滤波、采集后存储在计算机中，通过计算机进行光声信号重建及图像处理与显示。

本发明还公开了一种基于随机访问扫描的光声显微成像方法，其采用前述的基于随机访问扫描的光声显微成像装置来获得光声成像，具体步骤如下：

步骤S1，针对旋转式光声成像光焦点数量已知的情况下，计算成像平面的过采样光焦点个数，生成不包含过采样光焦点的外部调制信号；

步骤S2，准备成像组织，在组织表面涂抹超声耦合剂，并紧贴于透光反声器件的透明保鲜膜表面，调整成像组织位于成像视场中，将成像组织固定在光声显微成像装置上；

步骤S3，通过步骤S1中的外部调制信号调制激光器发射脉冲激光模式，发射的脉冲激光依次经过反射镜、空间光滤波器、光纤、准直透镜、振镜、扫描透镜、透光反声器件和透明保鲜膜，聚焦到成像组织中，组织血管网络中的血红蛋白吸收光能量后激发出超声波即光声信号，被透光反声器件中倾斜固定的玻璃片反射到超声探测器上并被接收；其中，每个光焦点在组织中都会产生具有深度信息可分辨的光声信号，并被称为“A-line”；在外部调制信号作用下，振镜控制光焦点沿着成像区域的初始扫描路径进行跳跃扫描，产生包含多个“A-line”信息的二维光声数据，并被称为“B-scan”；

步骤S4，步骤S3获取初始角度“B-scan”数据后，振镜控制光焦点轨迹沿逆时针或顺时针方向旋转一个微小角度，旋转电机带动超声探测器沿相同方向同步旋转一个微小角度，获取下一个扫描路径上的“B-scan”数据；

步骤S5，重复步骤S3和S4，直到旋转角度达到180°，完成一次对成像组织的旋转扫描成像，并取得一幅无过采样的光声图像；

步骤S6，对无过采样问题的成像组织的光声图像进行二值化处理，获取仅包含组织中血管网络信息的外部调制信号，并将步骤S1中的外部调制信号与当前步骤中的外部调制信号进行点乘运算，得到实现随机访问扫描的外部调制信号；

步骤S7，通过同步控制卡和电机控制卡将步骤S6中的实现随机访问扫描的外部调制信号输入给激光器、振镜和旋转电机，调控激光器执行任意间隔发射脉冲激光模式，同时同步控制振镜和旋转电机分别进行光焦点随机访问扫描和变速旋转超声探测器进行光声信号探测，重复步骤S3-S5，完成一次组织的随机访问扫描成像，获取一幅无过采样且仅包含组织血管信息的光声图像。

（三）有益效果

相对于现有技术而言，本发明具备显著积极的技术效果，其有益效果至少体现在以下几个方面。

（1）利用光学扫描与机械扫描相结合的方式，并通过将感兴趣成像区域生成外部调制信号用于同步调控激光器发射脉冲激光的模式、振镜扫描光束的模式和旋转电机运动速度，本发明提出的基于随机访问扫描光声显微成像装置能够对任意感兴趣区域进行随机访问扫描成像。相比于传统的光声显微成像，在保持大成像范围、高成像分辨率的基础上，本发明提出的随机访问扫描光声显微成像实现了对脉冲激光发射模式、光学扫描和声学扫描的任意调制。

（2）现有光声显微成像技术采用逐点扫描进行超快连续成像时，会面临激光能量密度过高引起组织热损伤的风险，通过本发明提出基于随机访问扫描的光声显微成像装置，在利用随机访问扫描机制进行活体生物组织光声成像时，可以调制激光器在非感兴趣区域（成像平面中的背景区域）关闭脉冲激光输出，调制振镜进行光束随机获取扫描，降低了光焦点照射到背景组织区域而引起激光能量沉积，显著减少了生物组织所在成像平面的光焦点数量，进而降低了照射在生物组织中的激光能量密度，而且有效抑制了背景区域的信号，提高了光声成像的图像对比度。

（3）利用本发明提出的随机访问扫描机制，可以解决传统旋转式光声显微成像因中心成像区域光焦点分布密集引起的过采样问题，从而降低了中心成像区域的光焦点数量和组织损伤风险，使旋转式光声显微成像能够获得均匀分布的图像对比度和分辨率。

（4）将本发明提出的随机访问扫描机制应用于光声显微成像，可以大幅度减少成像平面所需光焦点的数量，这就意味着在激光器的脉冲重复频率已知的情况下，基于随机访问扫描的光声显微成像能够将大幅度提升成像速度。以传统旋转式光声显微成像为例，其成像速度取决于成像范围、光焦点扫描步长、旋转扫描步长和激光器的脉冲重复频率，在直径为10 mm成像范围、10 μm扫描扫描步长、0.18°旋转扫描步长和200 kHz激光重复频率下，传统旋转式光声显微成像获取三维小鼠脑皮层血管网络图像所需时间为5 s，而采用基于随机访问扫描的光声显微成像仅需几百毫秒就能获得三维小鼠脑皮层血管网络图像。

附图说明

图1为本发明的基于随机访问扫描的光声显微成像装置的系统结构示意图。

图2为本发明的光学扫描和声学扫描机制示意图。

图3（a）为本发明的无过采样的旋转式扫描示意图，图3（b）为本发明的随机访问扫描机制示意图。

图4为本发明的基于随机访问扫描的光声显微成像装置在进行随机访问扫描成像时获取的小鼠脑血管网络成像结果图（a）和不进行随机访问扫描时获取的小鼠脑血管网络成像结果图（b）。

图中，对应技术部件名称及其附图标记分别为：激光器1，激光耦合器2-1，准直透镜2-2，振镜3-1，扫描透镜3-2，聚焦光束3-3，透光反声器件4，超声探测器5-1，放大器5-2，滤波器5-3，数据采集卡5-4，升降电机6-1，旋转电机6-2，传动齿轮装置6-3，函数发生器7，同步控制卡8-1，电机控制卡8-2，计算机9，成像平面10-1，光焦点10-2，光焦点扫描路径10-3，声焦区10-4，旋转路径10-5，激光器打开脉冲激光输出11-1，激光器关闭脉冲激光输出11-2，生物组织中的血管网络12-1，激光器在血管区域打开脉冲激光输出12-2，激光器在除血管外的背景组织区域关闭激光脉冲输出12-3。

具体实施方式

本发明为了解决其技术问题，提供了一种基于随机访问扫描的光声显微成像装置及方法。下面结合说明书附图，通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

图1为本发明提供的一种基于随机访问扫描的光声显微成像装置，该装置包括脉冲激光源模块1、光束传输模块2、光束扫描模块3、反射式成像模块4、信号探测模块5、电机传动模块6、同步控制模块7、激光随机访问扫描与超声同步探测模块8和采集控制与数据处理模块9。

如图1所示，脉冲激光源模块包括激光器1；光束传输模块包括激光耦合器2-1，准直透镜2-2；光束扫描模块包括振镜3-1，扫描透镜3-2，聚焦光束3-3；反射式成像模块包括透光反声器件4；信号探测模块包括超声探测器5-1，放大器5-2，滤波器5-3，数据采集卡5-4；电机传动模块升降电机6-1，旋转电机6-2，传动齿轮装置6-3；同步控制模块包括函数发生器7；激光随机访问扫描与超声同步探测模块包括同步控制卡8-1，电机控制卡8-2；数据处理与图像输出模块包括计算机9。此外，计算机9内装有采集控制软件和数据处理软件；采集控制软件通过激光随机访问扫描与超声同步探测模块8来控制光束扫描模块3对成像目标物进行光束扫描，以及信号探测模块5对产生的光声信号进行接收采集；数据处理软件用于对采集到的光声信号进行处理，重建处成像目标物的光声图像或根据感兴趣区域生成随机访问扫描成像所需的外部调制信号。

具体地，在函数发生器7输出的同步信号作用下，激光器1发射的脉冲激光经过反射镜、空间光滤波器和光纤组成的激光耦合器2-1和准直透镜2-2，进入振镜3-1和扫描透镜3-2，最后汇聚成聚焦光束3-3。聚焦光束3-3经过透光反声器件4照射到成像目标物上，目标物吸收光能量后因热弹性膨胀产生的超声波信号（即光声信号）经过透明保鲜膜进入到透光反声器件4中，在纯水中传输到斜插玻璃片时，被反射到超声探测器5-1，然后经放大器5-2和滤波器5-3放大、滤波后，被数据采集卡5-4采集，存储在计算机9中进行处理与重建。

如图2（a）所示，在成像平面10-1中，完成一个光焦点10-2产生的具有深度信息可分辨的光声信号（即“A-line”）采集后，光束扫描模块3控制光焦点沿成像平面的光焦点扫描路径10-3（即成像平面直径）进行扫描，产生包含多个“A-line”信息的二维光声“B-scan”数据。完成当前角度下超声探测器的声焦区10-4上“B-scan”数据采集后，光束扫描模块3和电机传动模块6分别带动光焦点扫描路径10-3和声焦区10-4旋转一个微小角度α，获取下一个扫描路径上的“B-scan”数据。直到沿旋转路径10-5转动的角度达到180°，即可覆盖整个成像平面并完成一次对成像目标物的旋转扫描成像，获取一幅光声图像。如图2（b）所示，完成一幅光声图像数据采集后，光焦点在成像平面上中心区域呈现出重叠分布的现象，这说明传统旋转式光声显微成像存在成像中心区域过采样的问题。

为了解决图2中传统旋转式光声显微成像的过采样问题，本发明根据成像范围、光焦点扫描步长和旋转扫描步长，可以计算出完成一次旋转式光声显微成像所需光焦点数量N×M，其中N表示每个成像平面上光焦点扫描路径的数量，M表示每个光焦点扫描路径上光焦点的个数；在光焦点数量已知的情况下，通过计算机9中的数据处理软件可以计算出成像平面上过采样光焦点数量，获得光焦点的重复率μ，然后生成不包含过采样光焦点的外部调制信号1。接着，外部调制信号1通过激光随机访问扫描与超声同步探测模块8和计算机系统9中的采集控制软件调控激光器1发射脉冲激光的模式、振镜3-1进行光束扫描的模式及旋转电机6-2旋转超声探测器5-1的速度。具体的，将外部调制信号1通过同步控制卡8-1分别输入到激光器1和振镜3-1，在采集控制软件控制下，完成初始光焦点扫描路径的“B-scan”数据采集后，旋转一个微小角度α进行下一个光焦点扫描路径，当遇到和上一个光焦点扫描路径上重叠的光焦点时，激光器关闭脉冲激光输出，振镜控制光束跳过重叠位置进行光焦点扫描，同时将完成每个路径上光焦点的扫描作为反馈控制信号传输到电机控制卡8-2，进而控制旋转电机带动超声探测器变速旋转进行光声信号同步探测，直到旋转角度达到180°，光焦点无重叠分布地覆盖整个成像平面，获取一幅无过采样的光声图像。无过采样旋转式光声成像示意图如图3（a）所示，光焦点在成像平面上无重叠分布，成像平面上实心圆点表示激光器打开脉冲激光输出11-1，空心圆点表示激光器关闭脉冲激光输出11-2，在每个成像平面上所需激光焦点数量为N×M×(1-μ)。

进一步，为了实现对成像目标物任意感兴趣区域的随机访问扫描光声成像，本发 明首先通过图3（a）所示的无过采样旋转式光声成像方法获取一幅生物组织的光声图像，然 后通过计算机中的数据处理软件对获取的光声图像进行二值化处理，生成仅包含感兴趣生 物组织特征信息（例如血管网络）的外部调制信号2，并获取得生物组织血管网络的密度η； 最后通过数据处理软件将外部调制信号1和外部调制信号2进行点乘运算，得到能够实现随 机访问扫描的外部调制信号。在输入外部调制信号进行随机访问光声成像时，执行与无过 采样旋转式光声成像相同的光焦点扫描和光声信号探测步骤，获取一幅基于随机访问扫描 的光声图像，该图像无过采样问题且仅包含感兴趣生物组织的血管网络信息。基于随机访 问扫描的光声成像示意图如图3（b）所示，光焦点在成像平面上无重叠地随机分布，成像平 面上弯曲形状表示生物组织中的血管网络12-1，实心圆点表示激光器在血管区域打开脉冲 激光输出12-2，空心圆点表示激光器在除血管外的背景组织区域关闭激光脉冲输出12-3， 在每个成像平面上所需激光焦点数量减少到N×M×(1-μ)×η个，则采用随机访问扫描机制 可以将传统旋转式光声成像速度提升倍。实际应用中，通常利用随机访问扫描光 声成像对生物组织血管网络进行长期连续成像监测，获取血红蛋白含量在实时成像过程中 的变化，用于分析不同生理状态下或外界刺激状态血液动力学参数的变化情况。此外，因光 焦点数量的大幅度减少，随机访问扫描光声成像能够以更快的速度获取血液动力学参数的 动态变化特征。

利用本发明提出的基于随机访问扫描的光声显微成像装置和方法对小鼠脑组织进行连续成像，获得脑皮层血管网络在第500 s时刻的光声图像（4（a））；在利用传统旋转式光声显微成像方法对小鼠脑组织进行连续成像，获得脑皮层血管网络在第500 s时刻的光声图像（4（b）），图中白色箭头所指区域为出血点，该出血点是由过采样问题带来的激光能量沉积造成的血管损伤引起的。其中，采用图3（b）所示的随机访问扫描机制进行光声显微成像即可获得4（a）的小鼠脑组织血管网络，由于随机访问扫描光声成像消除了传统旋转式光声显微成像中的过采样光焦点且跳过了小鼠脑组织血管网络以外的背景组织区域，所以大幅度减少了小鼠脑组织所在成像平面上的光焦点数量，进而降低了成像平面上的激光能量密度，避免了组织热损伤风险。技术优势具体体现为，图4（a）中，连续进行500 s时长的成像，小鼠脑组织血管网络未发现出血点，而利用传统旋转式光声显微成像获得的图4（b）因未避免对背景组织区域的光焦点扫描和存在过采样问题，导致小鼠脑组织在连续成像500s时长后出现明显的出血现象。

本申请中所描述的具体实施案例仅仅是对本发明的主要思想作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种基于随机访问扫描的光声显微成像装置，其特征在于：该装置包括脉冲激光模块、光束传输模块、光束扫描模块、反射式成像模块、信号探测模块、电机传动模块、同步控制模块、激光随机访问扫描与超声同步探测模块，以及采集控制与数据处理模块；

所述脉冲激光源模块包括激光器，用于发射脉冲激光到光束传输模块；

所述光束传输模块包括反射镜、空间光滤波器、光纤和准直透镜，用于整形、准直和传输脉冲激光源模块发射的脉冲激光到光束扫描模块；

所述光束扫描模块包括振镜和扫描透镜，用于扫描和聚焦脉冲激光束；

所述反射式成像模块包括透光反声器件，透光反声器件内部倾斜插入玻璃片、填满纯水作为耦合介质，并置于光束扫描模块上方，用于传输光束扫描模块的聚焦脉冲激光束到目标物，并反射目标物发出的光声信号到信号探测模块；

所述信号探测模块包括依次连接的超声探测器、放大器、滤波器及数据采集卡，用于接收、放大、滤波和采集超声探测器检测到的光声信号；其中，超声探测器与透声反光器件连接，用于接收玻璃片反射的光声信号；

所述电机传动模块包括旋转电机、升降电机、振镜固定器、电机限位装置和传动齿轮装置；其中，旋转电机通过传动齿轮装置与超声探测器连接，升降电机与电机限位装置连接、并通过振镜固定器与光束扫描模块的振镜连接，用于旋转超声探测器进行光声信号探测、调整光束聚焦位置和防止升降电机卡死；

所述同步控制模块包括函数发生器，函数发生器分别与脉冲激光源模的激光器、信号探测模块的采集卡和激光随机访问扫描和超声同步探测模块的同步控制卡连接，用于生成和输出激光器、振镜和数据采集卡之间的同步信号；

所述激光随机访问扫描与超声同步探测模块包括同步控制卡、电机控制卡及外部调制信号；其中，同步控制卡分别与脉冲激光源模的激光器、振镜和电机控制卡连接、电机控制卡分别与电机传动模块的旋转电机和升降电机连接；用户根据感兴趣成像区域在采集控制与数据处理模块的计算机中生成外部调制信号，在光声成像点扫描过程中，用户通过计算机中的采集控制软件输入外部调制信号并通过同步控制卡和电机控制卡分别调控激光器为随机间隔发射脉冲激光模式、调控振镜为随机跳跃扫描方式和调控旋转电机为变速运动，用于实现振镜偏转光束进行随机访问扫描和旋转电机带动超声探测器变速转动进行光声信号探测的同步控制；

所述采集控制与数据处理模块包括计算机，计算器分别与光束扫描模块、信号探测模块、电机传动模块和激光随机访问扫描与超声同步探测模块连接，用于操控同步信号和外部调制信号的输出、启动数据采集卡进行数据采集与存储、重建光声信号及图像处理与显示。

2.根据权利要求1所述的一种基于随机访问扫描的光声显微成像装置，其特征在于，该光声显微成像装置的工作方式为，针对以旋转式扫描方式进行成像的光声显微成像，在光焦点数量已知的情形下，提前通过计算机的数据处理软件计算圆形成像平面的过采样光焦点个数，生成不包含过采样光焦点的外部调制信号；在扫描成像过程中，通过同步控制卡和电机控制卡同步控制激光器、振镜和旋转电机，对于每个重合的光焦点，通过计算器的采集控制软件输入不包含过采样光焦点的外部调制信号给同步控制卡来快速调控激光器关闭脉冲激光输出并控制振镜跳过重合光焦点位置，以此避免光焦点扫描出现过采样问题，同时将完成每个路径扫描作为电机控制卡控制旋转电机带动超声换探测器转动一次的反馈控制信号，直到振镜和超声探测器同步完成光焦点在最后一个路径上的扫描和该路径上光焦点扫描处激发的光声信号探测，即可获取包含成像目标物血管网络信息的光声图像；然后根据已知目标物血管网络信息，通过计算机的数据处理软件计算成像平面上覆盖血管网络所需的有效成像光焦点数量，在有效成像光焦点数量基础上去除过采样光焦点个数，得到无过采样且仅包含目标物血管网络信息的外部调制信号；最后，通过计算机的采集控制软件输入无过采样且仅包含目标物血管网络信息的外部调制信号给同步控制卡，重复光声显微的扫描成像过程，通过同步控制卡和电机控制卡调控激光器和振镜进行光的焦点的随机访问扫描以及超声探测器进行变速转动探测光声信号，用于实现对目标物血管网络的随机访问扫描成像。

3.根据权利要求1所述的一种基于随机访问扫描的光声显微成像装置，其特征在于：所述脉冲激光模块向目标物发射重复频率可调节的脉冲激光；在不进行随机访问扫描成像时，激光器为等间隔连续发射脉冲激光模式；在进行随机访问扫描成像时，通过施加外部调制信号将激光器改变为随机间隔发射脉冲激光模式。

4.根据权利要求1所述的一种基于随机访问扫描的光声显微成像装置，其特征在于：所述光束传输模块与光束扫描模块的工作方式为，激光器发射的光束经反射镜、空间光滤波器、光纤和准直透镜的整形和准直后，依次经振镜、扫描透镜和透光反声器件后汇聚成直径为微米尺度的光焦点，并照射在目标物上；在进行随机访问扫描成像时，通过施加的外部调制信号来驱动振镜控制光焦点沿成像区域初始路径进行高速跳跃扫描，直至完成最后一个路径以覆盖整个成像平面中目标物的血管网络，光焦点扫描结束。

5.根据权利要求1所述的一种基于随机访问扫描的光声显微成像装置，其特征在于：所述电机传动模块的工作方式为，通过升降电机移动调节光焦点在目标物中的聚焦位置，通过电机限位装置控制升降电机上移和下移的距离来避免出现超过移动量程造成的卡死问题，通过旋转电机和传动齿轮装置配合带动超声探测器旋转探测光声信号；在进行随机访问扫描成像时，输入的外部调制信号决定了每个扫描路径上光焦点的数量以及光焦点遍历每个扫描路径所需的时间，旋转电机带动超声探测器进行变速转动来实现光声信号接收面始终重合于光焦点扫描面。

6.根据权利要求1所述的一种基于随机访问扫描的光声显微成像装置，其特征在于：光焦点扫描和光声信号探测是通过激光随机访问扫描与超声同步探测模块进行时序同步控制的；在光声点扫描过程中，同步控制卡将外部调制信号输出给激光器来调制激光器执行随机间隔发射脉冲激光模式，同时驱动振镜进行光焦点随机访问扫描，电机控制卡根据光焦点在每个扫描路径上随机访问扫描所需时间的反馈同步控制旋转电机带动超声探测器旋转的速度，以实现在随机扫描过程中进行光声信号的同步探测。

7.根据权利要求1所述的一种基于随机访问扫描的光声显微成像装置，其特征在于：所述透光反声器件中的纯水与玻璃片的折射率接近，使垂直入射到透光反声装置中的脉冲激光束透过装置辐射到目标成像物上，纯水与玻璃片的声阻抗差异显著，使成像物吸收脉冲激光产生的超声波反射到超声探测器上，超声探测器接收光声信号并转换为电信号，通过放大、滤波、采集后存储在计算机中，通过计算机中的数据处理软件进行光声信号重建及图像处理与显示。

8.一种基于随机访问扫描的光声显微成像方法，其特征在于，采用如权利要求1-7中任意一项所述的基于随机访问扫描的光声显微成像装置来获得光声成像，具体步骤如下：

步骤S1，针对旋转式光声成像光焦点数量已知的情况下，计算成像平面的过采样光焦点个数，生成不包含过采样光焦点的外部调制信号；

步骤S2，准备成像组织，在组织表面涂抹超声耦合剂，将其紧贴于透光反声器件的透明保鲜膜表面，调整成像组织位于成像视场中，将成像组织固定在光声显微成像装置上；

步骤S3，通过步骤S1中的外部调制信号调制激光器发射脉冲激光模式，发射的脉冲激光依次经过反射镜、空间光滤波器、光纤、准直透镜、振镜、扫描透镜、透光反声器件和透明保鲜膜，聚焦到成像组织中，组织血管网络中的血红蛋白吸收光能量后激发出超声波即光声信号，被透光反声器件中倾斜固定的玻璃片反射到超声探测器上并被接收；其中，每个光焦点在组织中都会产生具有深度信息可分辨的光声信号，并被称为“A-line”；在外部调制信号作用下，振镜控制光焦点沿着成像区域的初始扫描路径进行跳跃扫描，产生包含多个“A-line”信息的二维光声数据，并被称为“B-scan”；

步骤S4，步骤S3获取初始角度“B-scan”数据后，振镜控制光焦点轨迹沿逆时针或顺时针方向旋转一个微小角度，旋转电机带动超声探测器沿相同方向同步旋转一个微小角度，获取下一个扫描路径上的“B-scan”数据；

步骤S5，重复步骤S3和S4，直到旋转角度达到180°，完成一次对成像组织的旋转扫描成像，并取得一幅无过采样的光声图像；

步骤S6，对无过采样问题的成像组织的光声图像进行二值化处理，获取仅包含组织中血管网络信息的外部调制信号，并将步骤S1中的外部调制信号与当前步骤中的外部调制信号进行点乘运算，得到实现随机访问扫描的外部调制信号；

步骤S7，通过同步控制卡和电机控制卡将步骤S6中的实现随机访问扫描的外部调制信号输入给激光器、振镜和旋转电机，调控激光器执行任意间隔发射脉冲激光模式，同时同步控制振镜和旋转电机分别进行光焦点随机访问扫描和变速旋转超声探测器进行光声信号探测，重复步骤S3-S5，完成一次组织的随机访问扫描成像，获取一幅无过采样且仅包含组织血管信息的光声图像。