光聲成像裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光聲成像裝置及方法，包括：激光發(fā)射單元、激光調(diào)制單元、承載目標(biāo)的載物單元、檢測單元、及向激光調(diào)制單元發(fā)送調(diào)制信號的處理單元；其中，激光調(diào)制單元根據(jù)調(diào)制信號調(diào)制激光發(fā)射單元發(fā)射的激光，將調(diào)制后的激光投射到目標(biāo)；檢測單元對目標(biāo)由激光的照射產(chǎn)生的超聲波信號進(jìn)行檢測，并將超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號向處理單元發(fā)送；處理單元對調(diào)制信號與電信號進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算，獲取目標(biāo)圖像。本發(fā)明光聲成像裝置具有抗干擾能力強(qiáng)、成像快速精確、時(shí)空分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】
光聲成像裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及光聲成像領(lǐng)域，尤其涉及一種基于量子關(guān)聯(lián)成像技術(shù)的光聲成像裝置 及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光聲成像技術(shù)是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域新興的無損檢測技術(shù)，具有無創(chuàng)傷、非電離、對比度高、 穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在一種有效的臨床檢測手段。光聲成像的原理是：當(dāng)激光輻照生物組織 時(shí)，位于組織內(nèi)部的腫瘤等吸收體吸收光能量升溫膨脹，產(chǎn)生超聲波，位于組織表面的超聲 探測器件接收超聲波，并據(jù)此重建生物組織的光吸收圖像。光聲成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)上具有廣 闊的應(yīng)用前景，是一種對人體幾乎無害的檢測手段，能夠深入組織達(dá)到50mm-60mm，滿足大 部分疾病的檢測要求，尤其在血管造影、腫瘤檢查、關(guān)節(jié)炎診斷方面具有重要價(jià)值。
[0003] 現(xiàn)有的光聲成像設(shè)備一般采用激光器作為激勵(lì)源，發(fā)出激光向生物組織照射，采 集生物組織吸收激光產(chǎn)生的超聲波，對超聲波進(jìn)行處理后采用圖像重構(gòu)算法生成生物組織 圖像?，F(xiàn)有技術(shù)存在以下不足：
[0004] 1. -般采用點(diǎn)探測的方式掃描生物組織，成像效率較低。
[0005] 2.采用濾波反投影、迭代重建等算法重建圖像，運(yùn)算較為復(fù)雜，圖像質(zhì)量較差。
[0006] 3.只通過采集生物組織產(chǎn)生的超聲波成像，時(shí)空分辨率較差。
[0007] 因此，亟需一種成像效率高、時(shí)空分辨率較好的光聲成像裝置及方法，以解決上述 問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明提供了一種基于量子關(guān)聯(lián)成像技術(shù)的光聲成像裝置及方法，通過關(guān)聯(lián)計(jì)算 激光信號與其激發(fā)的超聲波信號來重建目標(biāo)圖像，實(shí)現(xiàn)了快速精確、時(shí)空分辨率較佳的光 聲成像方式。
[0009] 本發(fā)明一方面提供一種光聲成像裝置，包括:激光發(fā)射單元、激光調(diào)制單元、承載 目標(biāo)的載物單元、檢測單元、及向激光調(diào)制單元發(fā)送調(diào)制信號的處理單元;其中，激光調(diào)制 單元根據(jù)所述調(diào)制信號調(diào)制激光發(fā)射單元發(fā)射的激光，將調(diào)制后的激光投射到目標(biāo);檢測 單元對目標(biāo)由激光的照射產(chǎn)生的超聲波信號進(jìn)行檢測，并將超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號向處 理單元發(fā)送;處理單元對調(diào)制信號與電信號進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算，獲取目標(biāo)圖像。
[0010] 優(yōu)選地，所述裝置還包括：同步單元，用于向激光調(diào)制單元與檢測單元發(fā)送同步信 號，使調(diào)制信號與電信號同步。
[0011] 優(yōu)選地，調(diào)制信號為矩陣信號&(1，7);以及處理單元對調(diào)制信號與電信號利用公 式1進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算：
[0012]
[0013]其中，X、y分別為激光光場的橫、縱坐標(biāo)，i為不大于Μ的正整數(shù)，Μ為調(diào)制信號總數(shù)， S(x，y)為目標(biāo)圖像，Bi為與Ai(x，y)對應(yīng)的電信號;〈>為相關(guān)函數(shù)。
[0014]優(yōu)選地，目標(biāo)由激光的照射產(chǎn)生超聲波信號符合公式2:
[0015]
[0016] 其中，P為超聲波信號對應(yīng)的光聲壓，β為等體積膨脹系數(shù)，F(xiàn)為激光的光能流率，μ 為光吸收率，V為目標(biāo)中的超聲波聲速，C為目標(biāo)的比熱容。
[0017] 優(yōu)選地，所述裝置還包括聚光單元與導(dǎo)光單元;其中，聚光單元將激光調(diào)制單元調(diào) 制后的激光聚集到導(dǎo)光單元;導(dǎo)光單元將接收的激光引導(dǎo)到目標(biāo)。
[0018] 優(yōu)選地，激光發(fā)射單元為脈沖激光器，激光調(diào)制單元為數(shù)字微鏡器件，檢測單元為 超聲波換能器，聚光單元為凸透鏡。
[0019] 優(yōu)選地，處理單元發(fā)送調(diào)制信號的頻率與脈沖激光器的脈沖頻率相同。
[0020] 本發(fā)明另一方面提供一種光聲成像方法，包括：
[0021] 向目標(biāo)投射經(jīng)調(diào)制信號調(diào)制的激光;采集目標(biāo)由激光的照射產(chǎn)生的超聲波信號， 并將超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號;對調(diào)制信號與電信號進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算，獲取目標(biāo)圖像。
[0022]優(yōu)選地，在對調(diào)制信號與電信號進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算之前，所述方法還包括:使調(diào)制信號 與電信號保持同步。
[0023]優(yōu)選地，所述對調(diào)制信號與電信號進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算具體為:利用公式1對調(diào)制信號與 電信號進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算：
[0024]
[0025]其中，Ad^y)為調(diào)制信號，x、y分別為激光光場的橫、縱坐標(biāo)，i為不大于Μ的正整 數(shù)，Μ為調(diào)制信號總數(shù)，S(x，y)為目標(biāo)圖像，Bi為與Ai(x，y)對應(yīng)的電信號;〈>為相關(guān)函數(shù)。
[0026] 由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明通過關(guān)聯(lián)計(jì)算激光信號與其激發(fā)的超聲波信號來重 建目標(biāo)圖像，實(shí)現(xiàn)了成像快速精確、時(shí)空分辨率高的技術(shù)效果。
【附圖說明】
[0027] 圖1是本發(fā)明的光聲成像裝置示意圖；
[0028] 圖2是本發(fā)明的光聲成像方法示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并舉出優(yōu)選實(shí) 施例，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。然而，需要說明的是，說明書中列出的許多細(xì)節(jié)僅僅是為 了使讀者對本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面有一個(gè)透徹的理解，即便沒有這些特定的細(xì)節(jié)也可以 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的這些方面。
[0030] 本發(fā)明考慮到現(xiàn)有的光聲成像裝置存在以下不足:一般采用點(diǎn)探測的方式掃描生 物組織，成像效率較低;采用濾波反投影、迭代重建等算法重建圖像，運(yùn)算較為復(fù)雜，圖像質(zhì) 量較差；只通過采集生物組織產(chǎn)生的超聲波成像，時(shí)空分辨率較差。
[0031] 基于上述考慮，本發(fā)明將量子關(guān)聯(lián)成像技術(shù)引入光聲成像，以突破現(xiàn)有技術(shù)的瓶 頸。
[0032] 量子關(guān)聯(lián)成像技術(shù)是近年來快速發(fā)展的一種新型成像技術(shù)。與傳統(tǒng)光學(xué)成像方式 不同，量子關(guān)聯(lián)成像采用的探測器為不具有空間分辨能力的單像素探測器或桶探測器，因 此又被稱作單像素成像。具體而言，激光束經(jīng)過空間光調(diào)制器后被調(diào)制成特定的動態(tài)散斑， 之后照射到目標(biāo)上，由單像素探測器或桶探測器采集目標(biāo)的光強(qiáng)漲落信息，通過關(guān)聯(lián)算法 對動態(tài)散斑和光強(qiáng)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，即可得到目標(biāo)的圖像信息。量子關(guān)聯(lián)成像方式獨(dú)特新穎， 具有非定域性、抗干擾能力強(qiáng)、突破衍射極限、超分辨和寬光譜特性等優(yōu)點(diǎn)，在遙感、光學(xué)加 密和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用前景。
[0033] 本發(fā)明將量子關(guān)聯(lián)成像的原理應(yīng)用到傳統(tǒng)的光聲成像裝置中，將激光調(diào)制得到的 光場信息作為量子關(guān)聯(lián)的參考臂，將超聲波換能器得到的電信號作為物臂，對二者通過量 子關(guān)聯(lián)算法進(jìn)行重構(gòu)就可以得到生物組織的光吸收圖像。同時(shí)，本發(fā)明采用面探測方式掃 描生物組織，提高了成像效率及時(shí)空分辨率。
[0034] 圖1示出了本發(fā)明的光聲成像裝置，如圖1所示，光聲成像裝置包括:激光發(fā)射單元 1、激光調(diào)制單元2、載物單元3、檢測單元4及處理單元5。
[0035] 激光發(fā)射單元1用于發(fā)射激光。激光調(diào)制單元2用于根據(jù)處理單元5發(fā)送的調(diào)制信 號調(diào)制激光發(fā)射單元1發(fā)射的激光，將調(diào)制后的激光投射到目標(biāo)。目標(biāo)承載于可在二維平面 自由移動的載物單元3之上，吸收照射的激光后產(chǎn)生超聲波信號。檢測單元4對超聲波信號 進(jìn)行檢測，將超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號發(fā)送到處理單元5。處理單元5對調(diào)制信號與電信號 進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算，得到目標(biāo)圖像。
[0036] 上述設(shè)置將量子關(guān)聯(lián)成像的方式應(yīng)用到現(xiàn)有的光聲成像裝置中，將激光調(diào)制信號 作為量子關(guān)聯(lián)的參考臂，將超聲波轉(zhuǎn)換的電信號作為物臂，對調(diào)制信號與電信號進(jìn)行關(guān)聯(lián) 就可以得到目標(biāo)的光吸收圖像。如上設(shè)置的光聲成像裝置成像速度快、抗干擾能力強(qiáng)、時(shí)空 分辨率高。
[0037] 在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，檢測單元4為超聲波換能器，激光調(diào)制單元2為數(shù)字微鏡 器件DMD(Digital Micromirror Device)，處理單元5為計(jì)算機(jī)。
[0038] 較佳地，在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，光聲成像裝置還包括同步單元6,其用于向激光 調(diào)制單元2與檢測單元4發(fā)送同步信號，使調(diào)制信號與電信號同步。較佳地，同步單元6為高 精度時(shí)鐘板卡。
[0039]在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，調(diào)制信號為矩陣信號六1(1，7)，調(diào)制后的激光光場分布與 矩陣AK^y)相符。處理單元5對調(diào)制信號與電信號利用公式1進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算：
[0040] t=l
[0041] 其中，x、y分別為激光光場的橫、縱坐標(biāo)，i為不大于Μ的正整數(shù)，Μ為調(diào)制信號總數(shù)， S(x，y)為目標(biāo)圖像，Bi為與Ai(x，y)對應(yīng)的電信號;〈>為相關(guān)函數(shù)。
[0042]以上相關(guān)運(yùn)算的具體表達(dá)為：
[0043]
[0044]
[0045]
[0046] 上述設(shè)置表明，本發(fā)明采用面探測方式掃描目標(biāo)，與現(xiàn)有的點(diǎn)探測方式相比，大大 提高了光聲成像裝置的成像效率。
[0047] 在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，目標(biāo)由激光的照射產(chǎn)生超聲波信號符合公式2:
[0048]
[0049] 其中，P為超聲波信號對應(yīng)的光聲壓，β為等體積膨脹系數(shù)，F(xiàn)為激光的光能流率，μ 為光吸收率，V為目標(biāo)中的超聲波聲速，C為目標(biāo)的比熱容。
[0050] 作為一個(gè)備選方案，光聲成像裝置還包括聚光單元與導(dǎo)光單元。聚光單元將激光 調(diào)制單元2調(diào)制后的激光聚集到導(dǎo)光單元;導(dǎo)光單元將接收的激光引導(dǎo)到目標(biāo)。較佳地，聚 光單元為凸透鏡，導(dǎo)光單元有諸如丙烯酸樹脂或聚碳酸酯樹脂之類的透明樹脂制成。
[0051] 在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，激光發(fā)射單元1為短脈沖激光器，能夠發(fā)射具有大峰值功 率、高光譜純度和集中指向性的激光。短脈沖激光器的脈沖頻率與處理單元5發(fā)送調(diào)制信號 的頻率相同。這樣就能保證激光器每發(fā)出一束激光，就能對應(yīng)一個(gè)新的調(diào)制信號。
[0052]在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，處理單元5采用實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)，配置3GHz主頻的ABD Opteron處理器。同步單元6采用時(shí)間精度為ns級別的高精度時(shí)鐘板卡。處理模塊與檢測模 塊通過RS422接口連接。上述設(shè)置保證了快速的關(guān)聯(lián)運(yùn)算速度與較高的成像效率。
[0053]圖2示出了本發(fā)明的光聲成像方法示意圖，參見圖2,光聲成像方法具體如下執(zhí)行： [0054]在步驟S1中，向目標(biāo)投射經(jīng)調(diào)制信號調(diào)制的激光，目標(biāo)由于激光的照射產(chǎn)生超聲 波。
[0055] 較佳地，調(diào)制后的激光可以經(jīng)過凸透鏡的聚集，再經(jīng)過導(dǎo)光器件的引導(dǎo)，投射到目 標(biāo)。
[0056] 接下來，在步驟S2中，采集目標(biāo)上述超聲波信號，并將超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號。 [0057]接著，在步驟S3中，對調(diào)制信號與電信號進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算，獲取目標(biāo)圖像。
[0058]上述過程將量子關(guān)聯(lián)成像的方式應(yīng)用到現(xiàn)有的光聲成像裝置中，將激光調(diào)制信號 作為量子關(guān)聯(lián)的參考臂，將超聲波轉(zhuǎn)換的電信號作為物臂，對調(diào)制信號與電信號進(jìn)行關(guān)聯(lián) 就可以得到目標(biāo)的光吸收圖像。上述光聲成像裝置方法具有成像速度快、抗干擾能力強(qiáng)、時(shí) 空分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。
[0059] 作為一個(gè)優(yōu)選方案，在對調(diào)制信號與電信號進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算之前，使調(diào)制信號與電 信號保持同步。
[0060] 較佳地，利用公式1對調(diào)制信號與電信號進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算：
[0061；
[0062]其中，Ad^y)為調(diào)制信號，x、y分別為激光光場的橫、縱坐標(biāo)，i為不大于Μ的正整 數(shù)，Μ為調(diào)制信號總數(shù)，S(x，y)為目標(biāo)圖像，Bi為與Ai(x，y)對應(yīng)的電信號;〈>為相關(guān)函數(shù)。
[0063]本發(fā)明提供的光聲成像裝置及方法，創(chuàng)造性地將量子關(guān)聯(lián)成像技術(shù)引入光聲成像 設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了抗干擾能力強(qiáng)，快速精確、時(shí)空分辨率較佳的光聲成像方式，在醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域 具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
[0064] 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實(shí)現(xiàn)上述實(shí)施例方法中的全部或部分步驟是可以 通過程序來指令相關(guān)的硬件來完成，該程序可以存儲于一計(jì)算機(jī)可讀取存儲介質(zhì)中，如： R0M/RAM、磁碟、光盤等。
[0065] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種光聲成像裝置，其特征在于，包括:激光發(fā)射單元、激光調(diào)制單元、承載目標(biāo)的載 物單元、檢測單元、及向激光調(diào)制單元發(fā)送調(diào)制信號的處理單元;其中， 激光調(diào)制單元根據(jù)所述調(diào)制信號調(diào)制激光發(fā)射單元發(fā)射的激光，將調(diào)制后的激光投射 到目標(biāo)； 檢測單元對目標(biāo)由激光的照射產(chǎn)生的超聲波信號進(jìn)行檢測，并將超聲波信號轉(zhuǎn)換為電 信號向處理單元發(fā)送； 處理單元對調(diào)制信號與電信號進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算，獲取目標(biāo)圖像。2. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括： 同步單元，用于向激光調(diào)制單元與檢測單元發(fā)送同步信號，使調(diào)制信號與電信號同步。3. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，調(diào)制信號為矩陣信號仏(1，7);以及 處理單元對調(diào)制信號與電信號利用公式1進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算： 其中，x、y分別為激光光場的橫、縱坐標(biāo)，i為不大于M的正整數(shù)，M為調(diào)制信號總數(shù)，S(x， y)為目標(biāo)圖像，B1為與A1(Xd)對應(yīng)的電信號;〈>為相關(guān)函數(shù)。4. 如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，目標(biāo)由激光的照射產(chǎn)生超聲波信號符合公式2： 公式2 其中，P為超聲波信號對應(yīng)的光聲壓，β為等體積膨脹系數(shù)，F(xiàn)為激光的光能流率，μ為光 吸收率，V為目標(biāo)中的超聲波聲速，C為目標(biāo)的比熱容。5. 如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括聚光單元與導(dǎo)光單元;其中， 聚光單元將激光調(diào)制單元調(diào)制后的激光聚集到導(dǎo)光單元； 導(dǎo)光單元將接收的激光引導(dǎo)到目標(biāo)。6. 如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，激光發(fā)射單元為脈沖激光器，激光調(diào)制單元 為數(shù)字微鏡器件，檢測單元為超聲波換能器，聚光單元為凸透鏡。7. 如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，處理單元發(fā)送調(diào)制信號的頻率與脈沖激光器 的脈沖頻率相同。8. -種光聲成像方法，其特征在于，包括： 向目標(biāo)投射經(jīng)調(diào)制信號調(diào)制的激光； 采集目標(biāo)由激光的照射產(chǎn)生的超聲波信號，并將超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號； 對調(diào)制信號與電信號進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算，獲取目標(biāo)圖像。9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，在對調(diào)制信號與電信號進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算之前， 所述方法還包括： 使調(diào)制信號與電信號保持同步。10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述對調(diào)制信號與電信號進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算具 體為： 利用公式1對調(diào)制信號與電信號進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算：其中，A1(Xd)為調(diào)制信號，x、y分別為激光光場的橫、縱坐標(biāo)，i為不大于M的正整數(shù)，M為 調(diào)制信號總數(shù)，S(x，y)為目標(biāo)圖像，B1為與A1(Xd)對應(yīng)的電信號;〈>為相關(guān)函數(shù)。
【文檔編號】A61B5/00GK105996997SQ201610294776
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月6日
【發(fā)明人】楊照華, 閆瑞濤, 肖雅蓉, 曲少凡, 余遠(yuǎn)金, 祁振強(qiáng)
【申請人】北京航空航天大學(xué), 北京航天自動控制研究所