專利名稱：基于自適應(yīng)波束形成的光聲斷層成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光聲斷層成像(Photoacoustic Tomography,簡稱PAT)技術(shù),尤其涉及一種基于自適應(yīng)波束形成的光聲斷層成像裝置。
背景技術(shù)：
光聲成像技術(shù)是新發(fā)展起來的一種非入侵式和非電離式的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，光聲成像技術(shù)基于光聲效應(yīng)，它結(jié)合了純光學(xué)成像具有的高對比度特性和純超聲成像具有的高分辨率、低衰減、高穿透特性，能夠在一定的深度下獲得高的圖像分辨率和對比度，圖像傳遞的信息量大，可以提供形態(tài)及功能信息。近年來，光聲成像技術(shù)獲得迅速發(fā)展，并成為當(dāng)今國際研究的前沿?zé)狳c課題，目前已在生物組織成像中得到廣泛應(yīng)用，如腫瘤檢測、血管成像、腦功能成像等相關(guān)研究。基于光聲效應(yīng)，短脈沖激光照射到待測樣品，局部組織吸收光能產(chǎn)生熱膨脹向四周輻射超聲波，通過超聲探測器在不同位置掃描并采集光聲信號，不同位置的吸收體經(jīng)過算法能被重建出來。在光聲成像中，目前的大多數(shù)方法采用的是基于圓周掃描的濾波反投影算法，這種方法簡單快速，但是會產(chǎn)生較大的偽影，造成成像精度較低。在實際應(yīng)用中，高的成像精度和質(zhì)量具有非常重要的意義，所以發(fā)展一種高分辨率和高精度的光聲成像方法具有十分重要的實際意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種基于自適應(yīng)波束形成的光聲斷層成像裝置。為達到上述目的，一種基于自適應(yīng)波束形成的光聲斷層成像裝置，包括脈沖激光器，用于通過光路處理裝置向樣品支架上的待測樣品發(fā)射激光；時序控制器，用于控制信號的觸發(fā)和采集時間；電機控制器，用于控制二維平移臺的移動；超聲探測器(3)，將接收的光聲信號轉(zhuǎn)換為電信號，所述電信號經(jīng)放大器放大后輸入到Α/D轉(zhuǎn)換器進行量化，并將量化后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綀D像重建模塊；圖像重建模塊對采集到的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，并運行波束形成算法重建出光聲圖像。本發(fā)明采用單陣元探測器沿直線等距移動，對機械精度要求低。采用自使用波束形成技術(shù)，得到的圖像信噪比高，具有很高的精度和圖像質(zhì)量。


圖I是依照本發(fā)明實施例的基于自適應(yīng)波束形成的光聲斷層成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是依照本發(fā)明實施例的基于自適應(yīng)波束形成的光聲斷層成像裝置圖像重建模塊的構(gòu)成圖。
具體實施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
如圖I所示，是依照本發(fā)明實施例的基于自適應(yīng)波束形成的光聲斷層成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，該光聲斷層成像裝置包括脈沖激光器(I);由全反射鏡(2-1)、鏡筒(2-2)、凹面鏡(2-3)和毛玻璃(2-4)構(gòu)成的光路處理裝置(2);超聲探測器(3)，由放大器(4-1)和 Α/D轉(zhuǎn)換器(4-2)構(gòu)成的信號采集單元(4);圖像重建模塊(5);時序控制器(6);由電機控制器(7-1)、二維平移臺(7-2)構(gòu)成的機電平移單元(7);水箱⑶；樣品支架(9);以及待測樣品(10)；
其中，時序控制器(6)與脈沖激光器⑴和Α/D轉(zhuǎn)換器(4-2)電氣相連，用于精確控制信號的觸發(fā)和采集時間；超聲探測器(3)、信號采集單元(4)、圖像重建模塊(5)依次連接。超聲探測器(3)將接收的光聲信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過放大器(4-1)放大后輸入到A/ D轉(zhuǎn)換器(4-2)進行量化，將量化的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綀D像重建模塊(5)，對采集到的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，并運行波束形成算法程序重建出光聲圖像。超聲探測器(3)采用單元水浸式類線聚焦探測器，中心頻率5MHz,晶片長度為18mm,寬帶小于Imm,曲率半徑60mm,可產(chǎn)生類似線聚焦的效果。超聲探測器(3)在一個位置采集信號結(jié)束后，時序控制器(6)觸發(fā)電機控制器 (7-1)間接控制二維平移臺(7-2)的移動。
脈沖激光器(I)選用Q-Switched Nd: YAG脈沖激光器，波長為532nm或者1064nm， 脈沖寬度為6. 5ns，可重復(fù)頻率10Hz，脈沖激光器(I)發(fā)出的脈沖激光入射到成像物體產(chǎn)生聲信號。光路處理裝置(2)中,全反光鏡(2-1)和鏡筒(2-2)分別固定于同一支架上,反光鏡(2-1)和脈沖激光之間夾角為45度；凹透鏡(2-3)和毛玻璃(2-4)通過半封閉圓環(huán)固定在鏡筒(2-2)上，通過調(diào)節(jié)鏡筒的高度來控制照射到成像物體光斑的大小。超聲探測器(3) 為單元水浸式類線聚焦探測器，中心頻率5MHz，晶片尺寸18mmX0. 4mm,曲率半徑60mm。信號采集單元(4)包括放大器(4-1)和Α/D轉(zhuǎn)換器(4-2)。放大器采用低噪聲放大器，信號放大增益為30-40dB，帶寬大于50MHz。A/D轉(zhuǎn)換器量化位數(shù)12位，采樣率最高200MS/s，存儲深度10M。時序控制器(6)時鐘控制精度為納秒級，可編程輸出一定時間的上升和下降沿脈沖，控制脈沖激光器、Α/D轉(zhuǎn)換器和電機控制器的同步協(xié)同工作。
超聲探測器(3)通過架桿連接于二維平移臺(7-2)，電機控制器(7-1)控制二維平移臺(7-2)的位移，并帶動超聲探測器(3)的沿著y軸和z軸平移。二維平移臺(7-2)在 Y軸最大行程為100mm,重復(fù)定位精度3 μ m,在z軸最大行程為200mm,重復(fù)定位精度3 μ m。
圖I所示的基于自適應(yīng)波束形成的光聲斷層成像裝置，包括脈沖激光器、反射鏡、 凹透鏡、毛玻璃和鏡筒構(gòu)成光聲信號的觸發(fā)模塊。脈沖激光經(jīng)光路處理裝置反射、擴束、均勻后照射到樣品上號產(chǎn)生光聲信號，實驗中我們采用的532nm的激光。超聲探測器、信號采集單元依次電氣相連構(gòu)成信號獲取模塊。樣品輻射光聲信號經(jīng)單陣元超聲探測器采集后輸出到放大器進行放大，模擬電信號經(jīng)Α/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后將數(shù)字信號傳輸?shù)綀D像重建模塊， 完成一個角度位置的一次光聲信號的采集。時序控制器控制脈沖激光器和信號采集單元， 完成一個位置信號采集存儲后，給電機控制器一個觸發(fā)信號，電機控制器接受到信號后，控制二維平移臺移動到下一個位置，時序控制器再觸發(fā)脈沖激光器發(fā)射脈沖激光，開始下一次信號采集，信號獲取模塊重新開始采集信號。超聲探測器在不同位置采集的信號傳輸?shù)綀D像重建模塊，圖像重建模塊運行自適應(yīng)波束形成算法，該方法通過沿直線每次移動相等距離，在每個位置分別采集光聲信號，圖像重建模塊對采集的信號進行預(yù)處理，并建立自適應(yīng)波束形成模型，根據(jù)最小方差準則，求解各個陣元的權(quán)重，進而計算波束形成的輸出。圖2是依照本發(fā)明實施例的基于自適應(yīng)波束形成的光聲斷層成像裝置的圖像重建模塊構(gòu)成圖，圖像重建模塊其中包括兩個子模塊陣元權(quán)重計算子模塊和波束輸出計算子模塊。陣元權(quán)重計算子模塊根據(jù)采集到信號的協(xié)方差矩陣和陣列導(dǎo)向矢量計算各陣元的權(quán)重；波束輸出計算子模塊根據(jù)各陣元的權(quán)重和各陣元采集到的信號計算波束輸出。陣元權(quán)重計算模塊根據(jù)如下公式求解Wopt = ° ι\.Y a其中W為陣列各陣元的權(quán)重矢量，Rx為信號協(xié)方差矩陣，a為導(dǎo)向矢量。波束輸出計算模塊根據(jù)如下公式求解y = WhX其中X為陣元采集到的信號。根據(jù)成像區(qū)域，計算不同時間多個方向的波束輸出，最終形成光聲圖像。
權(quán)利要求
1.一種基于自適應(yīng)波束形成的光聲斷層成像裝置，包括 脈沖激光器(I)，用于通過光路處理裝置向樣品支架上的待測樣品發(fā)射激光； 時序控制器(6)，用于控制信號的觸發(fā)和采集時間； 電機控制器(7-1)，用于控制二維平移臺(7-2)的移動； 超聲探測器(3)，將接收的光聲信號轉(zhuǎn)換為電信號，所述電信號經(jīng)放大器(4-1)放大后輸入到A/D轉(zhuǎn)換器(4-2)進行量化，并將量化后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綀D像重建模塊(5)； 圖像重建模塊(5)，對采集到的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，并運行波束形成算法重建出光聲圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于所述超聲探測器(3)在一個位置采集信號結(jié)束后，時序控制器(6)觸發(fā)電機控制器(7-1)控制二維平移臺(7-2)的移動。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于所述脈沖激光器(I)為Q-SwitchedNdiYAG脈沖激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述光路處理裝置包括 全反光鏡(2-1)和鏡筒(2-2)分別固定于同一支架上，其中，反光鏡(2-1)和脈沖激光之間夾角為45度； 凹透鏡(2-3)和毛玻璃(2-4)通過半封閉圓環(huán)固定在所述鏡筒(2-2)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于所述超聲探測器(3)為單元水浸式類線聚焦探測器，其中心頻率5MHz，晶片長度為18臟，寬帶小于1臟，曲率半徑60mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的裝置，其特征在于所述電機控制器(7-1)控制二維平移臺(7-2)的位移時還帶動超聲探測器(3)沿著y軸和z軸平移。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于所述圖像重建模塊(5)包括 陣元權(quán)重計算子模塊，根據(jù)采集到信號的協(xié)方差矩陣和陣列導(dǎo)向矢量計算各陣元的權(quán)重； 波束輸出計算子模塊，根據(jù)各陣元的權(quán)重和各陣元采集到的信號計算波束輸出。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于所述陣元權(quán)重計算模塊根據(jù)如下公式求解 其中W為陣列各陣元的權(quán)重矢量，Rx為信號協(xié)方差矩陣，a為導(dǎo)向矢量。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于所述波束輸出計算模塊根據(jù)如下公式求解 其中X為陣元采集到的信號。
全文摘要
一種基于自適應(yīng)波束形成的光聲斷層成像裝置，包括脈沖激光器，用于通過光路處理裝置向樣品支架上的待測樣品發(fā)射激光；時序控制器，用于控制信號的觸發(fā)和采集時間；電機控制器，用于控制二維平移臺的移動；超聲探測器，將接收的光聲信號轉(zhuǎn)換為電信號，所述電信號經(jīng)放大器放大后輸入到A/D轉(zhuǎn)換器進行量化，并將量化后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綀D像重建模塊；圖像重建模塊，對采集到的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，并運行波束形成算法重建出光聲圖像。本發(fā)明采用單陣元探測器沿直線等距移動，對機械精度要求低。采用自使用波束形成技術(shù)，得到的圖像信噪比高，具有很高的精度和圖像質(zhì)量。
文檔編號A61B5/00GK102973248SQ20121057205
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月25日
發(fā)明者田捷, 彭冬, 劉學(xué)彥, 楊鑫 申請人:中國科學(xué)院自動化研究所