CN1470218A - 多元阵列电子扫描生物组织光声层析成像的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多元阵列电子扫描生物组织光声层析成像方法，包括如下步骤：脉冲激光入射到生物组织中产生光声信号；利用多元阵列电子扫描探测器同步接收光声信号，计算机同时采集、保存光声信号；重复采集至多元阵列电子扫描探测器阵元中所有群元都采集一次；采集完毕后，计算机将光声信号滤波和积分处理，然后通过背向投影算法对组织层析成像。一种多元阵列电子扫描生物组织光声层析成像装置，包括激光器、多元阵列电子扫描探测器、高速采集卡、计算机；本发明利用多元阵列电子扫描探测器实现自动电子扫描生物组织，可以对声阻抗相同而光学参数不同的待测样品实现层析成像，成像速度快，精度高，适应性好；本发明装置自动化程度高，操作方便，控制使用比较简单。

Description

多元阵列电子扫描生物组织光声层析成像的方法及其装置

                             技术领域

本发明涉及光声层析成像技术，特别涉及一种多元阵列电子扫描生物组织光声层析成像的方法及其装置。

                             背景技术

近年来，对光声效应以及光声层析成像技术的研究受到越来越多的关注。用光辐照某种物体时，由于它对光的吸收会使其内部的温度改变，从而引起其局部区域的机械参数变化；当采用脉冲光源或调制光源时，物体内局部温度的起伏会引起其体积的伸缩，因而向外辐射声波。这种现象称为光致声场效应(简称光声效应)。光声效应实际上是一种能量转换过程，根据热传导方程及波动方程可知：光声信号的产生不仅与光源有关，还与被照射物体的热学及光学特性有关，而光声信号的传播则与媒质的声学特性有关。

光声信号也能实现生物组织的层析成像，因为不同位置的吸收体产生的光声信号能通过一定的算法重建出来。由于光声信号携带了其内部丰富的特征信息，可以用来判断和甄别其内部的状况，这种方法与传统的超声探测或X影像方法相比，它可以区分声阻抗或者X射线的吸收相同而光学参数不同的待测样品，这一点对早期的病变组织特别重要，因为早期的病变组织的(例如乳腺癌)声阻抗和X射线的吸收特性和周围正常组织没有明显的差异，但是由于病变组织的代谢比周围的正常组织有很大的差异；例如，早期癌变组织周围的毛细血管就比正常组织要丰富得多，而且血氧含量高，这就导致它与周围正常组织的光学特性有较大差异，利用光声信号就可以根据生物病变组织和正常组织的代谢功能差异来成像，从而可做出诊断，提高诊断的准确度；但是由于生物组织很复杂，对生物组织中光声信号的精确测量是对其特征进行分析、诊断和成像的前提。目前一般用探测器测量时，基本都是在被测样品的端面放置声传感器，测量样品内传出的光声信号；这样得到的信号一般是体声场的各个发声点产生的信号在测量点的叠加，因此再重建被测体内光声图像或判断其内部确切点的信号比较困难，需要多点测量和复杂的算法处理数据，计算量非常大；而且对于生物组织的应用而言，由于它是光的强散射体，入射的激光很快发散，加上生物组织一般不是各向同性的光学和声学体，因此激光产生的声场以及声场的反射、透射和吸收都很复杂，很难得到各个点的确切光声信号，因此简化测量信号是应用的关键问题之一。

                             发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，利用多元阵列电子扫描探测器实现对光声信号的探测，提供一种对生物组织无损伤、能够对不定形组织进行高精度成像、操作比较方便的生物组织光声层析成像方法。

本发明的另一目的在于提供一种实现上述方法的生物组织光声层析成像装置。

本发明的目的通过下述技术方案实现：利用多元阵列电子扫描探测器实现生物组织光声层析成像方法包括如下步骤：

(1)脉冲激光入射到生物组织中产生光声信号；在我们的实验中我们应用了532nm的激光，但在实际的应用中可以改用近红外的激光，提高成像深度。

(2)利用多元阵列电子扫描探测器同步接收光声信号，计算机同时采集、保存光声信号和波束地址值。

(3)重复采集至多元阵列电子扫描探测器中所有群元都采集一次。

(4)采集完毕后，计算机将光声信号滤波和积分处理，然后通过背向投影算法对组织层析成像。

所述步骤(1)中，脉冲激光优选波长为500nm～1064nm。

所述步骤(2)中，根据光声信号带宽特点，多元阵列电子扫描探测器中心频率优选1～5兆。

所述步骤(2)中，数据的采集和控制利用采集卡以及LABVIEW软件自动实现。

所述步骤(3)中，重复的次数为多元阵列电子扫描探测器的群元数；如对于320振元/80群结构的多元阵列电子扫描探测器，如果每次接收的群元数为11，则其重复的次数为69次。

所述步骤(4)中，通过计算机利用matlab软件实现光声信号的滤波、积分和图像的重建。

实现上述方法的多元阵列电子扫描生物组织光声层析成像装置包括激光器、多元阵列电子扫描探测器、高速采集卡、计算机，激光器与多元阵列电子扫描探测器相对安装，多元阵列电子扫描探测器、高速采集卡、计算机依次电气连接。

所述多元阵列电子扫描探测器包括控制电路、探头二极管开关控制电路、多振元探头、前置放大器、多路转换开关电路，其特征在于控制电路包括有分频电路，分频电路利用高速可编程逻辑器件(PLD)实现，我们选用ALTER公司的EPM7032A芯片来设计我们的分频电路，所述分频电路的逻辑电路包括一个16位的计数器、一个12-输入与门、一个2-输入的与门以及2个非门。

所述多元阵列电子扫描探测器可以根据不同的需要设计成不同的振元数，如320、80、64；还可以根据不同的需要做成不同的形状，如线型、弧型、圆型以及矩阵的形状。

所述激光器与多元阵列电子扫描探测器位于同一轴上并相对安装，利用高速采集卡同步对光声信号采集；激光器与多元阵列电子扫描探测器可以在固定位置进行信号采集；为突出成像效果，也可使激光器与多元阵列电子扫描探测器绕生物组织中心为圆心同步旋转进行采集。

本多元阵列电子扫描生物组织光声层析成像装置的工作原理是：激光器产生的脉冲激光束照射在样品上，样品产生光声信号，多元阵列电子扫描探测器中的某一组探测器群元接收样品的光声信号同时被高速数据采集卡采集，最后输入计算机进行存储，多元阵列电子扫描探测器中的下一组群元接收信号，依次循环至所有振元接收完毕后完成采集程序，然后通过计算机将光声信号进行滤波和积分处理，最后通过背向投影算法对组织层析成像。

本发明与现有技术相比具有如下优点及效果：

(1)本发明装置利用多元阵列电子扫描探测器能实现自动电子扫描的生物组织层析成像，速度快，并能实时成像。

(2)本发明装置中的多元阵列电子扫描探测器可以针对不同的物体灵活地设计成线型、扇型、圆型等形状以获得最佳的成像效果，利用本发明既能够对不定形的组织成像，也能对乳房这样锥状和柱状的组织断层成像，适应性好；应用范围广。

(3)本发明装置中的多元阵列电子扫描探测器振元数可根据不同的需要进行相应的调整，如设计为320、80、64等，适用性较好。

(4)本发明装置中的多元阵列电子扫描探测器固定后，无需移动位置即可实现扫描成像，因此能简化成像装置，而且操作控制亦相对简单、方便。

(5)本发明装置中的多元阵列电子扫描探测器的多振元探头可以一定的角度旋转实现多位置、多角度成像，从而可以得到更精确的成像结果。

(6)利用本发明可以对声阻抗相同而光学参数不同的待测样品实现层析成像；这一点对早期癌变的诊断特别重要，因为癌变组织在早期，体积比较小，超声和X射线都不能对它精确成像，但采用本发明所述的光声层析方法即能对其层析成像；本发明所采用的背向投影算法比较简单，运算量小，可以实现对生物组织的快速成像。

(7)本发明的数据采集和图像重建都完全由计算机控制，所以装置的操作较为方便，使用比较简单。

                             附图说明

图1是本发明多元阵列电子扫描生物组织光声层析成像装置的结构示意图。

图2是图1所示装置中的多元阵列电子扫描探测器的结构方框图。

图3是图2所示多元阵列电子扫描探测器中分频电路逻辑电路图。

图4是图2所示多元阵列电子扫描探测器中分频电路的时钟信号时序图。

图5是成像样品示意图。

图6是图2所示多元阵列电子扫描探测器中一组群元接收合成为一路后的信号图。

图7是对图5所示样品所成的二维层析图像。

                           具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的叙述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例主要是利用型号为EUB-240型超声诊断仪的320振元探测器，对它进行适当的改装后构成了多元阵列电子扫描探测器，并用这个多元阵列电子扫描探测器组成了生物组织光声层析成像装置，实现多元阵列电子扫描生物组织光声层析成像。

EUB-240型超声诊断仪(以下简称“B超”)是日本日立公司生产的一种多功能超声波断层显像诊断装置，具有较强的测量功能，具有多种模式的显示功能和多种图像放大功能。它的320振元探头具有如下特性：1、扫描方式：线性阵列电子扫描；2、标称频率：5MHZ(亦可用3.5MHZ)；3、换能器振元数：320振元/80群(1个群元由4个振元的换能器组成)；4、探头外部尺寸：115×34×88mm。

EUB-240型B超的320振元探测器包括控制电路、探头二极管开关控制电路、多阵元探头、前置放大器、多路转换开关电路等；这种320振元探测器采用探头二极管开关控制电路根据仪器的波束扫描方式，控制二极管开关的关闭和接通，从而控制一次发射和接收投入工作的振元数的多少，二极管开关电路在控制电路的时钟信号控制下通断转换，每个周期控制11个振群接收信号，下个周期自动下移一个振群；它采用隔行扫描的方式实现d/2间扫，即把一帧图像的扫描分成两场进行，第一场扫描奇数信息线，第二场扫描偶数信息线，且两场扫描的相应信息线的发射振群都相同，仅接收振群不一样，发射振群和接收振群的组合均按右移一个振群的规律变化；它共有320振元(80振群，每一振群由4个振元构成)组成，每次发射以12振群组合激励，11个振群组合接收，取128条接收信息线；它的接收原理是：11个振群的换能器接收到超声信号后通过前置放大器放大，再通过多路转换开关电路转换成6路信号，6路信号再通过可变孔径电路和相位调整电路后转换成一路信号，这一路信号供后续处理。

本发明多元阵列电子扫描生物组织光声层析成像装置的多元阵列电子扫描探测器是在EUB-240型B超的基础上改装而成的，它的具体结构如图2所示，由控制电路6-1、探头二极管开关控制电路6-2、多振元探头6-3、前置放大器6-4、多路转换开关电路6-5连接构成；控制电路6-1产生各类触发信号用于对激光器、采集卡的触发以及对波束扫描的控制，探头二极管开关控制电路6-2用于控制对不同的群元接收的选择，多振元探头6-3用于接收光声信号，前置放大器6-4用于对多振元探头接收到的较弱的信号进行放大；多路转换开关电路6-5用于从前置放大器6-4中选出当前接收到信号的若干路进行合并，将其合并为一路信号供采集卡采集。

本装置的控制电路6-1是在EUB-240型B超的320振元探测器的控制电路基础上增加一个分频电路构成，分频电路是采用高速可编程逻辑器件(PLD)设计构成，其逻辑电路由一个16位的计数器、一个12-输入的与门、一个2-输入的与门以及2个非门组成，我们选用ALTER公司的EPM7032A芯片来设计分频电路，具体的逻辑电路如图3所示，EPM7032A是一款高性能的PLD，它的最高频率可达227.3MHZ，输入输出延时最长为15ns，它可提供600个可编程的逻辑门及36个输入输出(IO)端口，用它设计的分频电路将原控制电路的3.9KHZ(脉冲宽度为144ns)的时钟信号DP经过128分频为30HZ的时钟信号DP’(脉冲宽度不变)，DP’主要用于对激光器及采集卡的触发，图4示出了分频电路的时钟信号时序，将原来控制电路的3.9KHZ时钟信号DP变为30HZ的时钟信号DP’；增加了分频电路后控制电路的时钟信号DP’频率为30HZ，电路中的触发都是上升沿作用，因此DP’信号能够同步探头二极管开关控制电路、前置放大器、多路转换开关电路等内部电路以及激光器、采集卡等外部电路，如在时钟信号DP’的某个周期的上升沿时刻，激光器被触发发出激光，多元阵列电子扫描探测器中某11组群元接收信号经前置放大器放大，输给多路转换开关电路，多路转换开关电路从前置放大器的16路输出中选出有信号的11路，同时将它们合成1路供采集卡采集，计算机控制采集卡采集并保存，并等待进入下一个周期。此外，探头二极管开关控制电路6-2；多阵元探头6-3；前置放大器6-4；多路转换开关电路6-5都采用的是EUB-240型B超原有的电路。

本发明多元阵列电子扫描生物组织光声层析成像装置的具体结构如图1所示，由图1可见，本装置主要包括激光器1、多元阵列电子扫描探测器6、高速采集卡8、计算机9、样品池7，激光器1通过样品池7的透明玻璃窗2与多元阵列电子扫描探测器6相对安装，多元阵列电子扫描探测器6、高速采集卡8、计算机9依次电气连接；所要成像的样品位于样品池7内，激光器1与多元阵列电子扫描探测器6分别与样品相对设置。本装置除了自行改装的多元阵列电子扫描探测器6外其它的构件选型如下：激光器1选用美国光谱物理公司生产的MOPO，可发出波长为500nm-2000nm的脉冲激光，本实施例选用波长为532nm的绿色激光，它的重复周期为30HZ；高速采集卡8选用Gage Applied公司的Compuscope 12100型高速数据采集卡(采样速率100MHz)；采集控制程序由LABVIEW软件实现，滤波和图像重建程序用matlab软件实现；计算机9可以选用P4微机，内存在128M以上；样品池7是用有机玻璃制成的长方体盒子，并开有石英透明玻璃窗2，样品池7中充满水，其内壁涂有吸声材料；样品由琼脂4和染色琼脂5构成，具体是用2克的琼脂粉和98克的水加热到70℃然后冷却凝结而成，样品中埋藏的吸收体染色琼脂5是同种配比的琼脂再加上泰盘兰染色制成，先让染色琼脂5冷却成型，再让形成样品的琼脂4冷却到接近固体时将作为吸收体的染色琼脂5嵌入到琼脂4中并迅速冷却形成，具体形状如图5所示。

利用上述装置实现的本发明方法的具体实施步骤为：

(1)对EUB-240型B超改装，实现能够探测光声信号的多元阵列电子扫描探测器6。

(2)在一个控制电路6-1的时钟信号上升沿激光器1被触发，发出波长为532nm、脉冲宽度为7ns的脉冲激光3，脉冲激光3入射到样品上，样品受到激发产生光声信号。

(3)多元阵列电子扫描探测器6的多振元探头6-3浸入水中与激光器1相对并置于样品的后方，用来接收光声信号；多振元探头6-3的中心位置对准激光光束的轴心。

(4)控制电路6-1的时钟信号上升沿触发激光器1的同时触发多元阵列电子扫描探测器6进行光声信号的接收以及利用高速采集卡8进行数据的采集。

(5)多元阵列电子扫描探测器的前11组群元接收到光声信号经过前置放大器6-4转换为一路信号后被高速采集卡8采集输入到计算机9并保存，同时此组波束地址也被采入计算机9并保存。

(6)进入控制电路6-1的时钟信号的下一个周期，依次下移一个群元的11组群元接收光声信号并被计算机9采集，一直循环至最后一个群元，共循环69次。

(7)计算机9采集完数据后，通过matlab软件进行滤波、积分、卷积等一系列的处理形成每条线的投影数据，再利用背向投影算法将每条线投影成被测样品的截面图形。

图6是某一群元组接收并合并为一路后的信号，横坐标表示光入射的深度，纵坐标表示在对应的位置的信号的强度(单位：V)。图7是被测样品的二维层析图，横坐标表示样品表面(声源)与探测器的距离，纵坐标表示对应的探测器的位置，图7中的B点即为图5中的吸收体A所对应的图像，将图7及图5作比较可以看出它们大致对应。

Claims (10)

1、一种多元阵列电子扫描生物组织光声层析成像方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)脉冲激光入射到生物组织中产生光声信号；

(2)利用多元阵列电子扫描探测器同步接收光声信号，计算机同时采集、保存光声信号；

(3)重复采集至多元阵列电子扫描探测器振元中所有群元都采集一次；

(4)采集完毕后，计算机将光声信号滤波和积分处理，然后通过背向投影算法对组织层析成像。

2、根据权利要求1所述的多元阵列电子扫描生物组织光声层析成像方法，其特征在于：所述步骤(1)中，脉冲激光波长为500nm～1064nm。

3、根据权利要求1所述的多元阵列电子扫描生物组织光声层析成像方法，其特征在于：所述步骤(2)中，数据的采集和控制利用采集卡以及LABVIEW软件实现。

4、根据权利要求1所述的多元阵列电子扫描生物组织光声层析成像方法，其特征在于：所述步骤(3)中，重复的次数为多元阵列电子扫描探测器中的群元数。

5、根据权利要求1所述的多元阵列电子扫描生物组织光声层析成像方法，其特征在于：所述脉冲激光入射到生物组织与及多元阵列电子扫描探测器同步接收光声信号的操作可固定位置进行或者绕生物组织中心为圆心同步旋转进行。

6、一种多元阵列电子扫描生物组织光声层析成像装置，其特征在于：包括激光器(1)、多元阵列电子扫描探测器(6)、高速采集卡(8)、计算机(9)，激光器(1)与多元阵列电子扫描探测器(6)相对安装，多元阵列电子扫描探测器(6)、高速采集卡(8)、计算机(9)依次电气连接。

7、根据权利要求6所述的多元阵列电子扫描生物组织光声层析成像装置，所述多元阵列电子扫描探测器包括控制电路(6-1)、探头二极管开关控制电路(6-2)、多振元探头(6-3)、前置放大器(6-4)、多路转换开关电路(6-5)，其特征在于：所述控制电路(6-1)包括有分频电路。

8、根据权利要求7所述的多元阵列电子扫描生物组织光声层析成像装置，其特征在于：所述分频电路的逻辑电路包括一个16位的计数器、一个12-输入的与门、一个2-输入的与门、2个非门。

9、根据权利要求6所述的多元阵列电子扫描生物组织光声层析成像装置，其特征在于：所述多元阵列电子扫描探测器(6)为线型、弧型、圆型以及矩阵的形状。

10、根据权利要求6所述的多元阵列电子扫描生物组织光声层析成像装置，其特征在于：激光器(1)与多元阵列电子扫描探测器(6)位于同一轴上并相对安装。

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