專利名稱：結(jié)合透聲反光鏡的光聲層析成像系統(tǒng)及其成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光聲層析成像技術(shù)，具體涉及一種結(jié)合透聲反光鏡的光聲層析成像系統(tǒng)及其成像方法。
背景技術(shù)：
光聲層析成像(Photoacoustic Tomography)PAT是一種基于光聲效應(yīng)的層析成像技術(shù)。該成像技術(shù)具有無(wú)創(chuàng)性，并結(jié)合了光學(xué)成像的高對(duì)比度和超聲成像的高分辨率特性，能在較深層組織中獲得較高分辨率的圖像。由于光聲信號(hào)再空氣中迅速衰減，因此PAT成像時(shí)，被測(cè)物置于水或其他超聲耦 合介質(zhì)中，以減少光聲信號(hào)的衰減。在PAT成像中，脈沖激光作用于動(dòng)物體，動(dòng)物體中不同的成分吸收激光，基于光聲效應(yīng)原理產(chǎn)生超聲信號(hào)。超聲信號(hào)透過(guò)介質(zhì)傳輸至傳感器，被傳感器所接收，從而轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，被采集與處理系統(tǒng)所接收和處理，并利用圖像重構(gòu)算法得到圖像。光聲成像結(jié)果能夠反映出目標(biāo)生物體組織的結(jié)構(gòu)與功能信息。然而，目前的PAT成像中無(wú)法調(diào)整入射光使之能夠均勻而水平地入射，現(xiàn)有技術(shù)的照射方法，如兩側(cè)照射方法，受到換能器的擋光而在動(dòng)物體表面的照射光場(chǎng)并不均勻，因此現(xiàn)有的PAT的激光照射方法并不理想，無(wú)法在不影響采集的情況下水平均勻地照射生物組織。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種結(jié)合透聲反光鏡的光聲層析成像系統(tǒng)及其成像方法。本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種結(jié)合透聲反光鏡的光聲層析成像系統(tǒng)。本發(fā)明的結(jié)合透聲反光鏡的光聲層析成像系統(tǒng)包括激光光源、圓錐鏡體、透聲反光鏡、動(dòng)物臺(tái)、水槽、探測(cè)器和計(jì)算機(jī)；其中，動(dòng)物臺(tái)放置在透聲反光鏡的中央，與探測(cè)器一起放置在水槽內(nèi)；激光光源發(fā)出脈沖激光，豎直入射到圓錐鏡體，經(jīng)反射形成半徑沿傳播方向隨傳播距離不斷增大的圓環(huán)狀光束，經(jīng)透聲反光鏡反射，在水平面內(nèi)聚光照射至放置在動(dòng)物臺(tái)上的動(dòng)物體上，產(chǎn)生超聲波，經(jīng)透聲反光鏡透射，探測(cè)器接收超聲波，將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)。圓錐鏡體采用圓錐反射鏡或者圓錐透鏡。圓錐鏡體采用圓錐反射鏡，脈沖激光豎直入射到圓錐反射鏡，被圓錐反射鏡的外側(cè)表面反射，形成圓環(huán)狀的光束，圓環(huán)狀的光束的半徑沿傳播方向隨傳播距離不斷增大，且圓環(huán)狀的光束的寬度d保持不變。圓錐鏡體采用圓錐透鏡，脈沖激光垂直于圓錐透鏡的圓面透射至圓錐透鏡內(nèi)，在入射角大于或等于臨界角的情況下，在圓錐透鏡的內(nèi)側(cè)表面產(chǎn)生全反射，形成圓環(huán)狀的光束，圓環(huán)狀的光束的半徑沿傳播方向隨傳播距離不斷增大，且圓環(huán)狀的光束的寬度d保持不變。透聲反光鏡對(duì)入射到表面的光產(chǎn)生反射，對(duì)入射的超聲波產(chǎn)生透射。透聲反光鏡采用能夠透過(guò)超聲波的材料，在其內(nèi)表面鍍有反光膜，從而對(duì)入射到其表面的光產(chǎn)生反射。透聲反光鏡的形狀為倒圓臺(tái)的側(cè)面，改變倒圓臺(tái)的側(cè)面的傾斜角，可以調(diào)整從透聲反光鏡反射的光入射到動(dòng)物體的入射角。經(jīng)圓錐鏡體反射的光入射到透聲反光鏡，調(diào)整倒圓臺(tái)的側(cè)面的傾斜角，使入射光經(jīng)反射后平行出射，從而使得由反圓錐鏡體反射形成的圓環(huán)狀光束，經(jīng)透聲反光鏡的反射在水平面內(nèi)聚光照射至放置在動(dòng)物臺(tái)上的動(dòng)物體上。透聲反光鏡的形狀采用倒圓臺(tái)的側(cè)面的設(shè)計(jì)，形成對(duì)動(dòng)物體360°的水平均勻照射，從而在傳感器探測(cè)時(shí)，重構(gòu)的圖像更能準(zhǔn)確地反映動(dòng)物體內(nèi)的生理結(jié)構(gòu)功能信息。進(jìn)一步，透聲反光鏡的材料采用低密度聚乙烯LDPE，LDPE具有與水相近的聲阻抗，在水-介質(zhì)界面處不會(huì)有顯著的超聲反射，并且選取材料的厚度非常薄，進(jìn)一步減少超聲的反射和其在材料內(nèi)部的衰減，透聲反光鏡對(duì)超聲波的損耗很小，從而更有利于超聲波透過(guò)。傳感器用于探測(cè)透過(guò)透聲反光鏡 的超聲波，可采用圓柱聚焦點(diǎn)傳感器、線聚焦點(diǎn)傳感器、球聚焦點(diǎn)傳感器等中的一種或相應(yīng)的傳感器陣列。進(jìn)一步,動(dòng)物臺(tái)安裝在微調(diào)升降架上,微調(diào)升降架能夠帶動(dòng)動(dòng)物臺(tái)在垂直方向上上下移動(dòng)，從而完成對(duì)動(dòng)物體的縱向逐層掃描。水槽安裝在升降臺(tái)上，通過(guò)調(diào)節(jié)升降臺(tái)的高度，帶動(dòng)水槽在垂直方向上上下移動(dòng)，以便于系統(tǒng)的搭建。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種結(jié)合透聲反光鏡的光聲層析成像系統(tǒng)的成像方法。本發(fā)明的結(jié)合透聲反光鏡的光聲層析成像系統(tǒng)的成像方法包括以下步驟I)激光光源發(fā)出脈沖激光，豎直入射到圓錐鏡體，經(jīng)反射形成半徑沿傳播方向隨傳播距離不斷增大的圓環(huán)狀光束；2)圓環(huán)狀光束經(jīng)透聲反光鏡反射，在水平面內(nèi)聚光照射至放置在動(dòng)物臺(tái)上的動(dòng)物體上；3)動(dòng)物體接受水平面內(nèi)聚光照射后產(chǎn)生超聲波，經(jīng)透聲反光鏡透射，超聲波被探測(cè)器接收；4)對(duì)動(dòng)物體進(jìn)行360°的旋轉(zhuǎn)掃描，當(dāng)傳感器完成一周的掃描米樣后,傳感器將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)處理電信號(hào)，得到重構(gòu)圖像。其中，在步驟4)中，對(duì)動(dòng)物體進(jìn)行360°的旋轉(zhuǎn)掃描可采用傳感器的探測(cè)位置不變，通過(guò)旋轉(zhuǎn)動(dòng)物臺(tái)3600來(lái)實(shí)現(xiàn)；或者，采用動(dòng)物臺(tái)固定不動(dòng)，而通過(guò)探測(cè)器圍繞動(dòng)物體作360°的旋轉(zhuǎn)掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)。也可以采用在透聲反光鏡的周圍安裝環(huán)形的傳感器陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明通過(guò)利用透聲反光鏡，采用LDPE材料作為透聲反光鏡的材料，具有與水相近的聲阻抗，從而在水-介質(zhì)界面處不會(huì)有顯著的超聲反射，而且由于材料的厚度較小，超聲波在材料內(nèi)部的衰減較小，透聲反光鏡對(duì)超聲波的損耗很小，更加有利于超聲波透過(guò)。進(jìn)一步，圓錐鏡體與倒圓臺(tái)形的透聲反光鏡結(jié)合，在水平面內(nèi)聚光照射至動(dòng)物體上，形成對(duì)動(dòng)物體360°的水平均勻照射，能夠在不影響傳感器工作情況下對(duì)動(dòng)物體形成一個(gè)均勻穩(wěn)定的照射光場(chǎng)，從而在傳感器探測(cè)時(shí)，重構(gòu)的圖像更能準(zhǔn)確地反映動(dòng)物體內(nèi)的生理結(jié)構(gòu)功能信息。


圖I為本發(fā)明的結(jié)合透聲反光鏡的光聲層析成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的入射光經(jīng)圓錐鏡體反射的光路的示意圖，其中，(a)為圓錐反射鏡的示意圖，(b)為圓錐透鏡的示意圖；圖3為本發(fā)明的透聲反光鏡的不意圖,其中，(a)為透聲反光鏡的剖面圖，(b)為透聲反光鏡的立體圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，通過(guò)實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。如圖I所示，本發(fā)明的結(jié)合透聲反光鏡的光聲層析成像系統(tǒng)包括激光光源I、圓錐鏡體2、透聲反光鏡3、動(dòng)物臺(tái)4、水槽5、探測(cè)器6和計(jì)算機(jī)7。水槽5安裝在升降臺(tái)51上。 圖2本發(fā)明的入射光經(jīng)圓錐鏡體反射的光路的示意圖。如圖2 Ca)所示，圓錐鏡體2采用圓錐反射鏡，脈沖激光入豎直入射到圓錐反射鏡，被圓錐反射鏡的外側(cè)表面反射，形成圓環(huán)狀的光束，圓環(huán)狀的光束的半徑沿傳播方向隨傳播距離不斷增大，且圓環(huán)狀的光束的寬度d保持不變。如圖2 (b)所示，圓錐鏡體采用圓錐透鏡，脈沖激光垂直于圓錐透鏡的圓面透射至圓錐透鏡內(nèi)，在入射角i大于或等于臨界角Θ。的情況下，即圓錐透鏡的頂角α滿足a ( Ji-2 θ。，Θ。為圓錐透鏡所用介質(zhì)的臨界角，在圓錐透鏡的內(nèi)側(cè)表面產(chǎn)生全反射，形成圓環(huán)狀的光束，圓環(huán)狀的光束的半徑沿傳播方向隨傳播距離不斷增大，且圓環(huán)狀的光束的寬度d保持不變。圖3為本發(fā)明的透聲反光鏡的示意圖。如圖3(b)所示，透聲反光鏡3的形狀為倒圓臺(tái)的側(cè)面，在其內(nèi)表面鍍有反光膜31，從而對(duì)入射到其表面的光產(chǎn)生反射；如圖3 (a)所示，改變倒圓臺(tái)的側(cè)面的傾斜角，可以調(diào)整從透聲反光鏡反射的光入射到動(dòng)物體的入射角，使入射光經(jīng)反射后平行出射。在本實(shí)施例中，激光光源I發(fā)出脈沖激光，經(jīng)平面鏡反射，豎直入射到圓錐鏡體2，經(jīng)反射形成半徑沿傳播方向隨傳播距離不斷增大的圓環(huán)狀光束，經(jīng)透聲反光鏡3反射，在水平面內(nèi)聚光照射至放置在動(dòng)物臺(tái)4上的動(dòng)物體上，產(chǎn)生超聲波，經(jīng)透聲反光鏡3透射，探測(cè)器6接收超聲波，將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)7進(jìn)行分析。其中，激發(fā)光源I采用532nm Nd: YAG激光,脈寬為10ns,光斑半徑為8mm,重復(fù)頻率為IOHz的脈沖激光；圓錐鏡體2采用圓錐反射鏡，頂角為33. 84° ;圓錐反射鏡3的材料采用硬鋁，其外表面的反光膜為金屬膜；透聲反光鏡3的材料采用低密度聚乙烯LDPE，傾斜角為57. 34° ;傳感器6采用中心頻率為IOMHz的圓柱聚焦點(diǎn)傳感器。進(jìn)一步，在激光光源I和圓錐鏡體2之間放置凸透鏡，從激光光源出射的平行光束被凸透鏡聚焦，從凸透鏡透射經(jīng)圓錐鏡體2和透聲反光鏡3的反射至動(dòng)物體所經(jīng)過(guò)的距離為凸透鏡的焦距，在動(dòng)物體上聚焦成直徑很小的光點(diǎn)，圓錐鏡體與倒圓臺(tái)形的透聲反光鏡結(jié)合，動(dòng)物體上形成360°的直徑很小的光圈，從而提高了照明效果。并且探測(cè)器的焦點(diǎn)也位于動(dòng)物體上，從而透鏡與探測(cè)器形成共聚焦。本實(shí)施例中，動(dòng)物臺(tái)通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)綁定在升降臺(tái)上。水槽5的底部設(shè)置有通孔，水槽的通孔處設(shè)置有橡膠皮，用以密封防水。動(dòng)物臺(tái)從水槽5的通孔處經(jīng)橡膠皮綁定在升降臺(tái)上。動(dòng)物臺(tái)包括基底和動(dòng)物固定體，基底安裝在升降臺(tái)上，動(dòng)物固定體安裝在基地上，用于固定動(dòng)物?；椎某叽缗c通孔相匹配，基底的材料采用磁鐵，從水槽的通孔經(jīng)橡膠皮吸附在金屬的升降臺(tái)51上。動(dòng)物固定臺(tái)的形狀為具有一定厚度的圓筒，尺寸與基底相匹配，材料采用瓊脂(agar )或者瓊脂糖(agar ο s e ),從而可以使被探測(cè)的小動(dòng)物束縛在其內(nèi)部，以便掃描探測(cè)。 最后應(yīng)說(shuō)明的是雖然本說(shuō)明書通過(guò)具體的實(shí)施例詳細(xì)描述了本發(fā)明使用的參 數(shù)，結(jié)構(gòu)及其成像方法，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方式不限于實(shí)施例 的描述范圍，在不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)和精神范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改和替換，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍視權(quán)利要求范圍所界定。
權(quán)利要求
1.一種光聲層析成像系統(tǒng)，其特征在于，所述成像系統(tǒng)包括成像系統(tǒng)包括激光光源(I)、圓錐鏡體(2)、透聲反光鏡(3)、動(dòng)物臺(tái)(4)、水槽(5)、探測(cè)器(6)和計(jì)算機(jī)(7);其中，所述動(dòng)物臺(tái)(4)放置在透聲反光鏡(3)的中央，與所述探測(cè)器(6)—起放置在水槽內(nèi)；所述激光光源(I)發(fā)出脈沖激光，豎直入射到所述圓錐鏡體(2)，經(jīng)反射形成半徑沿傳播方向隨傳播距離不斷增大的圓環(huán)狀光束，經(jīng)所述透聲反光鏡(3)反射，在水平面內(nèi)聚光照射至放置在所述動(dòng)物臺(tái)(4)上的動(dòng)物體上，產(chǎn)生超聲波，經(jīng)所述透聲反光鏡(3)透射，所述探測(cè)器(6)接收超聲波，將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸至所述計(jì)算機(jī)(7)。
2.如權(quán)利要求I所述的成像系統(tǒng)，其特征在于，所述圓錐鏡體(2)采用圓錐反射鏡或者圓錐透鏡，且圓錐透鏡的頂角α滿足α < π-2θε，為圓錐透鏡所用介質(zhì)的臨界角。
3.如權(quán)利要求I所述的成像系統(tǒng)，其特征在于，所述透聲反光鏡(3)采用能夠透過(guò)超聲波的材料，在其內(nèi)表面鍍有反光膜(31)。
4.如權(quán)利要求I所述的成像系統(tǒng)，其特征在于，所述透聲反光鏡(3)的形狀為倒圓臺(tái)的側(cè)面。
5.如權(quán)利要求I所述的成像系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器(6)采用圓柱聚焦點(diǎn)傳感器、線聚焦點(diǎn)傳感器、球聚焦點(diǎn)傳感器等中的一種或相應(yīng)的傳感器陣列。
6.如權(quán)利要求I所述的成像系統(tǒng)，其特征在于，所述動(dòng)物臺(tái)安裝在微調(diào)升降架上，微調(diào)升降架能夠帶動(dòng)動(dòng)物臺(tái)在垂直方向上上下移動(dòng)，從而完成對(duì)動(dòng)物體的縱向逐層掃描。
7.如權(quán)利要求I所述的成像系統(tǒng)，其特征在于，所述水槽(5)安裝在升降臺(tái)(51)上，通過(guò)調(diào)節(jié)所述升降臺(tái)(51)的高度，帶動(dòng)所述水槽(5)在垂直方向上上下移動(dòng)。
8.如權(quán)利要求3所述的成像系統(tǒng)，其特征在于，所述透聲反光鏡的材料采用低密度聚乙烯LDPE。
9.一種光聲層析成像系統(tǒng)的成像方法，其特征在于，所述控制方法，包括以下步驟 1)激光光源發(fā)出脈沖激光，豎直入射到圓錐鏡體，經(jīng)反射形成半徑沿傳播方向隨傳播距離不斷增大的圓環(huán)狀光束； 2)圓環(huán)狀光束經(jīng)透聲反光鏡反射，在水平面內(nèi)聚光照射至放置在動(dòng)物臺(tái)上的動(dòng)物體上； 3)動(dòng)物體接受水平面內(nèi)聚光照射后產(chǎn)生超聲波，經(jīng)透聲反光鏡透射，超聲波被探測(cè)器接收； 4)對(duì)動(dòng)物體進(jìn)行3600的旋轉(zhuǎn)掃描，當(dāng)傳感器完成一周的掃描采樣后，傳感器將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)處理電信號(hào)，得到重構(gòu)圖像。
10.如權(quán)利要求9所述的成像方法，其特征在于，在步驟4)中，對(duì)動(dòng)物體進(jìn)行3600的旋轉(zhuǎn)掃描采用傳感器的探測(cè)位置不變，通過(guò)旋轉(zhuǎn)動(dòng)物臺(tái)3600來(lái)實(shí)現(xiàn)；或者，采用動(dòng)物臺(tái)固定不動(dòng)，而通過(guò)探測(cè)器圍繞動(dòng)物體作3600的旋轉(zhuǎn)掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)；或者，采用在透聲反光鏡的周圍安裝環(huán)形的傳感器陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種結(jié)合透聲反光鏡的光聲層析成像系統(tǒng)及其成像方法。本發(fā)明的成像系統(tǒng)包括激光光源、圓錐鏡體、透聲反光鏡、動(dòng)物臺(tái)、水槽、探測(cè)器和計(jì)算機(jī)。本發(fā)明通過(guò)利用透聲反光鏡，采用金屬鍍膜的LDPE材料作為透聲反光鏡的材料，具有與水相近的聲阻抗，從而在水-介質(zhì)界面處不會(huì)有顯著的超聲反射，且材料的厚度薄，超聲波在材料內(nèi)部的衰減較小，反光透聲鏡對(duì)超聲波的損耗很小，更加有利于超聲波透過(guò)。進(jìn)一步，圓錐鏡體與倒圓臺(tái)形的透聲反光鏡結(jié)合，在水平面內(nèi)聚光照射至動(dòng)物體上，形成對(duì)動(dòng)物體3600的水平均勻照射，能夠在動(dòng)物體表形成一個(gè)均勻穩(wěn)定的光場(chǎng)，從而在傳感器探測(cè)時(shí)，重構(gòu)的圖像更能準(zhǔn)確地反映動(dòng)物體內(nèi)的生理結(jié)構(gòu)功能信息。
文檔編號(hào)A61B6/02GK102824185SQ20121033710
公開(kāi)日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月12日
發(fā)明者李長(zhǎng)輝, 鄧梓健, 任秋實(shí) 申請(qǐng)人:北京大學(xué)