基於自適應波束形成的光聲斷層成像裝置的製作方法

2023-11-10 10:52:02

專利名稱：基於自適應波束形成的光聲斷層成像裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光聲斷層成像(Photoacoustic Tomography,簡稱PAT)技術,尤其涉及一種基於自適應波束形成的光聲斷層成像裝置。
背景技術：
光聲成像技術是新發展起來的一種非入侵式和非電離式的醫學成像技術，光聲成像技術基於光聲效應，它結合了純光學成像具有的高對比度特性和純超聲成像具有的高解析度、低衰減、高穿透特性，能夠在一定的深度下獲得高的圖像解析度和對比度，圖像傳遞的信息量大，可以提供形態及功能信息。近年來，光聲成像技術獲得迅速發展，並成為當今國際研究的前沿熱點課題，目前已在生物組織成像中得到廣泛應用，如腫瘤檢測、血管成像、腦功能成像等相關研究。基於光聲效應，短脈衝雷射照射到待測樣品，局部組織吸收光能產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並採集光聲信號，不同位置的吸收體經過算法能被重建出來。在光聲成像中，目前的大多數方法採用的是基於圓周掃描的濾波反投影算法，這種方法簡單快速，但是會產生較大的偽影，造成成像精度較低。在實際應用中，高的成像精度和質量具有非常重要的意義，所以發展一種高解析度和高精度的光聲成像方法具有十分重要的實際意義。

發明內容
本發明目的在於提供一種基於自適應波束形成的光聲斷層成像裝置。為達到上述目的，一種基於自適應波束形成的光聲斷層成像裝置，包括脈衝雷射器，用於通過光路處理裝置向樣品支架上的待測樣品發射雷射；時序控制器，用於控制信號的觸發和採集時間；電機控制器，用於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換為電信號，所述電信號經放大器放大後輸入到Α/D轉換器進行量化，並將量化後的數據傳輸到圖像重建模塊；圖像重建模塊對採集到的數據進行預處理，並運行波束形成算法重建出光聲圖像。本發明採用單陣元探測器沿直線等距移動，對機械精度要求低。採用自使用波束形成技術，得到的圖像信噪比高，具有很高的精度和圖像質量。


圖I是依照本發明實施例的基於自適應波束形成的光聲斷層成像裝置的結構示意圖；圖2是依照本發明實施例的基於自適應波束形成的光聲斷層成像裝置圖像重建模塊的構成圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
如圖I所示，是依照本發明實施例的基於自適應波束形成的光聲斷層成像裝置的結構示意圖，該光聲斷層成像裝置包括脈衝雷射器(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轉換器(4-2)構成的信號採集單元(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)與脈衝雷射器⑴和Α/D轉換器(4-2)電氣相連，用於精確控制信號的觸發和採集時間；超聲探測器(3)、信號採集單元(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換為電信號，經過放大器(4-1)放大後輸入到A/ D轉換器(4-2)進行量化，將量化的數據傳輸到圖像重建模塊(5)，對採集到的數據進行預處理，並運行波束形成算法程序重建出光聲圖像。超聲探測器(3)採用單元水浸式類線聚焦探測器，中心頻率5MHz,晶片長度為18mm,寬帶小於Imm,曲率半徑60mm,可產生類似線聚焦的效果。超聲探測器(3)在一個位置採集信號結束後，時序控制器(6)觸發電機控制器 (7-1)間接控制二維平移臺(7-2)的移動。
脈衝雷射器(I)選用Q-Switched Nd: YAG脈衝雷射器，波長為532nm或者1064nm， 脈衝寬度為6. 5ns，可重複頻率10Hz，脈衝雷射器(I)發出的脈衝雷射入射到成像物體產生聲信號。光路處理裝置(2)中,全反光鏡(2-1)和鏡筒(2-2)分別固定於同一支架上,反光鏡(2-1)和脈衝雷射之間夾角為45度；凹透鏡(2-3)和毛玻璃(2-4)通過半封閉圓環固定在鏡筒(2-2)上，通過調節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。信號採集單元(4)包括放大器(4-1)和Α/D轉換器(4-2)。放大器採用低噪聲放大器，信號放大增益為30-40dB，帶寬大於50MHz。A/D轉換器量化位數12位，採樣率最高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衝，控制脈衝雷射器、Α/D轉換器和電機控制器的同步協同工作。
超聲探測器(3)通過架杆連接於二維平移臺(7-2)，電機控制器(7-1)控制二維平移臺(7-2)的位移，並帶動超聲探測器(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,重複定位精度3 μ m,在z軸最大行程為200mm,重複定位精度3 μ m。
圖I所示的基於自適應波束形成的光聲斷層成像裝置，包括脈衝雷射器、反射鏡、 凹透鏡、毛玻璃和鏡筒構成光聲信號的觸發模塊。脈衝雷射經光路處理裝置反射、擴束、均勻後照射到樣品上號產生光聲信號，實驗中我們採用的532nm的雷射。超聲探測器、信號採集單元依次電氣相連構成信號獲取模塊。樣品輻射光聲信號經單陣元超聲探測器採集後輸出到放大器進行放大，模擬電信號經Α/D轉換器轉換後將數位訊號傳輸到圖像重建模塊， 完成一個角度位置的一次光聲信號的採集。時序控制器控制脈衝雷射器和信號採集單元， 完成一個位置信號採集存儲後，給電機控制器一個觸發信號，電機控制器接受到信號後，控制二維平移臺移動到下一個位置，時序控制器再觸發脈衝雷射器發射脈衝雷射，開始下一次信號採集，信號獲取模塊重新開始採集信號。超聲探測器在不同位置採集的信號傳輸到圖像重建模塊，圖像重建模塊運行自適應波束形成算法，該方法通過沿直線每次移動相等距離，在每個位置分別採集光聲信號，圖像重建模塊對採集的信號進行預處理，並建立自適應波束形成模型，根據最小方差準則，求解各個陣元的權重，進而計算波束形成的輸出。圖2是依照本發明實施例的基於自適應波束形成的光聲斷層成像裝置的圖像重建模塊構成圖，圖像重建模塊其中包括兩個子模塊陣元權重計算子模塊和波束輸出計算子模塊。陣元權重計算子模塊根據採集到信號的協方差矩陣和陣列導向矢量計算各陣元的權重；波束輸出計算子模塊根據各陣元的權重和各陣元採集到的信號計算波束輸出。陣元權重計算模塊根據如下公式求解Wopt = ° ι\.Y a其中W為陣列各陣元的權重矢量，Rx為信號協方差矩陣，a為導向矢量。波束輸出計算模塊根據如下公式求解y = WhX其中X為陣元採集到的信號。根據成像區域，計算不同時間多個方向的波束輸出，最終形成光聲圖像。
權利要求
1.一種基於自適應波束形成的光聲斷層成像裝置，包括 脈衝雷射器(I)，用於通過光路處理裝置向樣品支架上的待測樣品發射雷射； 時序控制器(6)，用於控制信號的觸發和採集時間； 電機控制器(7-1)，用於控制二維平移臺(7-2)的移動； 超聲探測器(3)，將接收的光聲信號轉換為電信號，所述電信號經放大器(4-1)放大後輸入到A/D轉換器(4-2)進行量化，並將量化後的數據傳輸到圖像重建模塊(5)； 圖像重建模塊(5)，對採集到的數據進行預處理，並運行波束形成算法重建出光聲圖像。
2.根據權利要求I所述的裝置，其特徵在於所述超聲探測器(3)在一個位置採集信號結束後，時序控制器(6)觸發電機控制器(7-1)控制二維平移臺(7-2)的移動。
3.根據權利要求I所述的裝置，其特徵在於所述脈衝雷射器(I)為Q-SwitchedNdiYAG脈衝雷射器。
4.根據權利要求I所述的裝置，其特徵在於，所述光路處理裝置包括 全反光鏡(2-1)和鏡筒(2-2)分別固定於同一支架上，其中，反光鏡(2-1)和脈衝雷射之間夾角為45度； 凹透鏡(2-3)和毛玻璃(2-4)通過半封閉圓環固定在所述鏡筒(2-2)上。
5.根據權利要求I所述的裝置，其特徵在於所述超聲探測器(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，寬帶小於1臟，曲率半徑60mm。
6.根據權利要求I或2所述的裝置，其特徵在於所述電機控制器(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.根據權利要求I所述的裝置，其特徵在於所述圖像重建模塊(5)包括 陣元權重計算子模塊，根據採集到信號的協方差矩陣和陣列導向矢量計算各陣元的權重； 波束輸出計算子模塊，根據各陣元的權重和各陣元採集到的信號計算波束輸出。
8.根據權利要求7所述的裝置，其特徵在於所述陣元權重計算模塊根據如下公式求解 其中W為陣列各陣元的權重矢量，Rx為信號協方差矩陣，a為導向矢量。
9.根據權利要求7所述的裝置，其特徵在於所述波束輸出計算模塊根據如下公式求解 其中X為陣元採集到的信號。
全文摘要
一種基於自適應波束形成的光聲斷層成像裝置，包括脈衝雷射器，用於通過光路處理裝置向樣品支架上的待測樣品發射雷射；時序控制器，用於控制信號的觸發和採集時間；電機控制器，用於控制二維平移臺的移動；超聲探測器，將接收的光聲信號轉換為電信號，所述電信號經放大器放大後輸入到A/D轉換器進行量化，並將量化後的數據傳輸到圖像重建模塊；圖像重建模塊，對採集到的數據進行預處理，並運行波束形成算法重建出光聲圖像。本發明採用單陣元探測器沿直線等距移動，對機械精度要求低。採用自使用波束形成技術，得到的圖像信噪比高，具有很高的精度和圖像質量。
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 優先權日2012年12月25日
發明者田捷, 彭冬, 劉學彥, 楊鑫 申請人:中國科學院自動化研究所