本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)光子診斷方法及設(shè)備，特別是涉及一種生物組織的吸收體吸收系數(shù)測量和同時光聲成像的無損檢測方法及其裝置。

背景技術(shù)：

組織的光學(xué)吸收系數(shù)在反映組織生理狀態(tài)及光動力療法的計量確定中非常重要。由于組織對光傳播的強散射作用，傳統(tǒng)的組織光學(xué)還沒有完全解決組織體光學(xué)吸收系數(shù)的無損測量。光聲技術(shù)以光致超聲的物理效應(yīng)為基礎(chǔ)，通過檢測光聲信號來反映組織體的光能量吸收的差異，因此探測到的光聲信號包含大量的組織內(nèi)吸收體的光學(xué)吸收系數(shù)信息。在光聲成像技術(shù)中，由于探測的是超聲信號，而組織體對超聲信號的散射作用相對于光信號要弱2到3個數(shù)量級，可避免生物組織對光的強散射帶來的光穿透深度和空間分辨率不足的問題。因此，自組織光聲成像技術(shù)提出以來許多的研宄工作試圖從探測的光聲信號中挖掘出組織的光吸收系數(shù)?？梢詫⒛壳靶纬傻姆椒w納為：一種是基于光聲信號時域分布的測量方法，二是基于迭代算法的頻域光聲的測量方法。另外的基于在不同聲波頻率的相對變化的光聲信號光譜信息也用于測量光吸收系數(shù)，但是這種方法需要采用兩個不同波長，并忽略了波長相關(guān)的能流率的影響。一種結(jié)合光傳輸模型并利用小波變換修正光聲信號多頻率的傳播衰減測量組織光學(xué)吸收系數(shù)的方法，由于采用外部光輻照和前向聲探測并不適用于活體檢測，且無法進行二維成像。因此，如何對深部活體組織吸收體展開無損、在體的快速測量吸收系數(shù)及成像對于組織光學(xué)和光熱治療等具有十分重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種吸收體吸收系數(shù)測量和同時光聲成像的無損檢測方法及其裝置，所述檢測方法能夠無損的光聲激發(fā)和光聲信號采集，克服了波長相關(guān)的能流率的影響，結(jié)果無需校正，另外的容易同時進行吸收體的二維光聲成像；所述檢測裝置簡易，操作簡便，便于臨床推廣。

本發(fā)明采用以下方案實現(xiàn)：一種吸收體吸收系數(shù)測量和同時光聲成像的無損檢測方法，包括以下步驟：

步驟S1：多光譜脈沖激光器輸出的一定波長短脈沖激光經(jīng)二維可調(diào)光纖耦合器至柱狀彌散光纖；所述柱狀彌散光纖經(jīng)由嵌有純吸收體的組織樣品通道插入樣品內(nèi)部適當(dāng)位置，在內(nèi)部對樣品進行無損全方位光輻照；

步驟S2：在柱狀彌散光纖光源的激發(fā)下，樣品內(nèi)部多個空間位置的吸收體產(chǎn)生光聲信號；光聲信號經(jīng)組織體與超聲耦合液外傳后由置于超聲耦合液的水浸式長焦區(qū)聚焦超聲換能器在樣品外部無損接收，所述超聲換能器受控于二維電控平移臺；

步驟S3：水浸式長焦區(qū)聚焦超聲換能器所接收的光聲信號由低噪聲脈沖超聲收發(fā)器進行限幅、整形、濾波和放大后送入多通道數(shù)字熒光示波器，利用光電二極管同步接收脈沖激光并轉(zhuǎn)化為光電信號觸發(fā)示波器，進行信號監(jiān)測與采集，所得信號經(jīng)示波器取多次平均之后，通過GPIB卡把數(shù)據(jù)傳給計算機以保存和處理；

步驟S4：利用計算機控制的步進電機精確控制并驅(qū)動二維電控可調(diào)平移臺對水浸式長焦區(qū)聚焦超聲換能器做直線平移實現(xiàn)掃描獲取光聲數(shù)據(jù)，逐點生成的光聲信號數(shù)據(jù)依次進行接收調(diào)理放大和采集保存；

步驟S5：在計算機上對采集的光聲信號進行處理，直接在計算機上用灰度變化呈現(xiàn)光聲信號的時辨變化和空間變化，得到掃描平面樣品內(nèi)部光學(xué)吸收體的二維灰度光聲圖像；

步驟S6：計算機利用吸收體上下邊界的光聲信號P1、P2的時間間隔Δt和聲速V的乘積獲得吸收體厚度l，利用上下邊界的光聲信號幅值之比P2/P1與吸收體系數(shù)α和厚度l的關(guān)系P₂/P₁＝exp(αl)，計算出吸收體的光學(xué)吸收系數(shù)α；

步驟S7：返回步驟S1，采用多光譜脈沖激光器輸出新的一定波長短脈沖激光，獲得不同波長下的光聲圖像及光學(xué)吸收系數(shù)α(λ)。

所述步驟S6中，所述計算機獲得吸收體光學(xué)吸收系數(shù)所采用的技術(shù)原理是：

光聲成像中利用納秒級脈沖激光照射生物樣品，樣品中吸收體吸收光能量，發(fā)生熱彈性膨脹，隨后產(chǎn)生超聲信號。由于光聲信號直接與內(nèi)部光吸收相關(guān)，在忽略熱傳導(dǎo)的情況下，光聲壓滿足方程：

式中，p表示光聲壓，是空間位置，t表示時間，c是超聲聲速，β為介質(zhì)的體元熱膨脹系數(shù)，C_p是定容比熱，是熱源的時空分布，設(shè)為光吸收能量密度的空間分布，入射脈沖激光的時間分布函數(shù)為I(t)，超聲探測器的脈沖響應(yīng)為h(t)，則探測到的光聲壓表示為：

式中*表示卷積運算，式中I(t)*h(t)為整個探測系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)；

對于給定的光聲探測系統(tǒng)，探測系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)是固定的，因此光聲壓與光吸收能量密度成正比，

K為與超聲參數(shù)，格日尼森系數(shù)以及熱轉(zhuǎn)換效率有關(guān)的比例系數(shù)；

光吸收能量密度是吸收系數(shù)與局部光能流率的乘積，

對于光在散射介質(zhì)中的能流分布F，用漫射理論來描述，在柱彌散光源照射時吸收體下表面位置的能流率表示為：

其中P₀是激光功率(w/cm²)，μ_eff為有效衰減系數(shù)，D為背景散射介質(zhì)漫射系數(shù)(cm-¹),其中μ_eff＝(μ_a/D)^1/2；

由于吸收體尺度遠比光纖光源大得多，在純吸收體內(nèi)部能流率隨深度z的分布服從比爾定律，

因此吸收體上下邊界處的光聲信號P₁和P₂可分別表示為：

將上面兩式相除，得到

P₂/P₁＝exp(αl)

(9)

上式說明了，吸收體上下兩邊界的光聲壓幅值之比P2/P1只與吸收體系數(shù)α和厚度l有關(guān)。利用下述方程可以反演計算出吸收體的吸收系數(shù)α。

本發(fā)明還提供一種吸收體吸收系數(shù)測量和同時光聲成像的無損檢測裝置，包括光聲激發(fā)光源部分、電控機械掃描部分、超聲采集與處理部分；所述光聲激發(fā)光源部分包括脈沖激光器、二維可調(diào)光纖耦合器以及光纖；所述電控掃描部分包括二維電控可調(diào)平移臺以及與其相連的通過計算機控制的步進電機，用以進行水平面的二維機械掃描；所述超聲采集與處理部分包括水槽、超聲耦合液、超聲換能器、低噪聲脈沖超聲收發(fā)器、多通道數(shù)字熒光示波器以及計算機；所述超聲換能器置于二維電控可調(diào)平移臺上，并浸沒于充有超聲耦合液的水槽內(nèi)，獲取一維時間分辨超聲信號。

進一步地，所述脈沖激光器為多光譜脈沖激光器，所述脈沖激光器的輸出端經(jīng)所述二維可調(diào)光學(xué)耦合器耦入所述光纖輸入端。

進一步地，所述光纖為多模柱狀彌散光纖，末端帶有一定長度彌散發(fā)光段。

進一步地，所述超聲換能器為水浸式長焦區(qū)聚焦超聲換能器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1、利用柱狀彌散光纖可實現(xiàn)體內(nèi)全方位無損光輻照，有利于深部吸收體的光聲激發(fā)；

2、利用長焦區(qū)的聚焦式超聲換能器覆蓋大深度的光聲信號，可同時得到深部吸收體上下邊界光聲信號P1、P2幅度變化以及時間間隔信息Δt；

3、利用吸收體的吸收系數(shù)α和吸收體上下兩邊界的光聲壓幅值之比P2/P1與厚度l的方程式可以反演計算出吸收體吸收系數(shù)α，所得結(jié)果無需校正。

4、容易結(jié)合二維掃描同時得到吸收體的二維光聲圖像；

5、特別的對于前列腺等深部組織的臨床無損監(jiān)測和治療有重要意義；

附圖說明

圖1是本發(fā)明的檢測裝置示意圖。

圖2是本發(fā)明的光聲實驗?zāi)Ｐ徒孛媸疽鈭D。

圖3是本發(fā)明的典型時辨光聲信號示意圖。

圖4是本發(fā)明的實驗樣品示意圖。

圖5是本發(fā)明的二維掃描光聲圖像。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步說明。

在本實施例中，該方法的光聲激發(fā)和探測原理模型如圖2所示。圖2中長方體狀的純吸收體埋在方形散射介質(zhì)中，令純吸收體吸收系數(shù)為a，散射系數(shù)可忽略，周圍散射介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)用散射系數(shù)μ_s，吸收系數(shù)μ_a，各向異性因子g描述。圖2中Z₀表示吸收體下表面至彌散光源表面的距離，l表示吸收體的厚度。

本實施例提供一種吸收體吸收系數(shù)測量和同時光聲成像的無損檢測裝置，包括光聲激發(fā)光源部分、電控機械掃描部分、超聲采集與處理部分；所述光聲激發(fā)光源部分包括多光譜脈沖激光器、二維可調(diào)光纖耦合器以及柱狀彌散光纖；所述電控掃描部分包括二維電控可調(diào)平移臺與通過計算機控制的步進電機，用以進行水平面的二維機械掃描；所述超聲采集與處理部分包括水槽、超聲耦合液、水浸式長焦區(qū)聚焦式超聲換能器、低噪聲脈沖超聲收發(fā)器、多通道數(shù)字熒光示波器以及計算機；所述水浸式長焦區(qū)聚焦超聲換能器置于二維電控可調(diào)平移臺上，并浸沒于以水作為超聲耦合液的水槽內(nèi)，獲取一維時間分辨超聲信號。

在本實施例中，脈沖光源采用倍頻的Q開關(guān)Nd:YAG脈沖激光器(Surelite I-10,Continuum,West Newton,MA,USA)，波長532nm，脈寬6ns，單個脈沖能量約為6mJ，重復(fù)頻率10Hz.輸出激光束經(jīng)光學(xué)耦合器耦合至定制的多模柱狀彌散光纖進行全方位光聲激發(fā),定制的多模柱狀彌散光纖傳輸激光波段為490～800nm，總長3m，芯徑為0.6mm，外部套有保護層，總直徑約1.5mm，尾部帶有彌散段，長度為2cm.用水浸式長焦區(qū)聚焦超聲換能器(V381,Panametrics,Hamburg,Germany)在外部接收超聲信號，所用換能器中心頻率3.5MHz,帶寬為2.42～4.96MHz，直徑19mm，聚焦長度為60.630mm，焦區(qū)長度為30.3mm，焦斑直徑為1.39mm，F(xiàn)數(shù)為3.68.換能器所接收的信號由頻帶范圍為0～30MHz的超聲脈沖發(fā)生器/接收器(5800PR,Parametric-NDT,Hamburg,Germany)進行限幅、整形、濾波和放大后送入帶寬500MHz、采樣率為5Gs/s、四通道的數(shù)字示波器(TDS3054C,Tektronix,Johnston,OH,USA)進行信號監(jiān)測與采集，所得信號經(jīng)示波器取多次平均之后，通過GPIB卡(NI-488.2，National Instruments)把數(shù)據(jù)傳給計算機以保存和處理，利用光電二極管PIN(ET-2030,Electro-Optics Technology,Inc)同步接收脈沖激光并轉(zhuǎn)化為光電信號觸發(fā)示波器。組織樣品上表面滴水形成水膜后與水槽底部相接觸，水槽底部開有圓孔，直徑5cm并由透聲膜封住.長焦區(qū)聚焦式超聲換能器浸沒于以水作為超聲耦合液的水槽內(nèi)，獲取一維時間分辨超聲信號。在計算機上對采集的光聲信號進行處理，直接在計算機上用灰度變化呈現(xiàn)光聲信號的時辨變化和空間變化，得到掃描平面樣品內(nèi)部光學(xué)吸收體的二維灰度圖像；最后計算機利用吸收體上下邊界的光聲信號P1、P2的時間間隔Δt和聲速V的乘積獲得吸收體厚度l，利用上下邊界的光聲信號幅值之比P2/P1與吸收體系數(shù)α和厚度l的關(guān)系P₂/P₁＝exp(αl)，計算出532nm波長下吸收體的光學(xué)吸收系數(shù)α；

將上述裝置應(yīng)用于吸收體吸收系數(shù)測量和同時光聲成像的無損檢測方法中，采用嵌有純吸收體的柱狀散射介質(zhì)為模擬樣品，其中柱狀散射介質(zhì)由一定量的瓊脂粉，20％脂肪乳和蒸餾水燒制成，脈沖光在其中的吸收系數(shù)可忽略，在其中預(yù)留一個1.5mm通道用于插入光纖。埋入的塊狀吸收體由不同體積的墨汁和2g瓊脂粉以及100ml蒸餾水組成，并切成5mm厚度，長約1.2cm，寬約6mm，下表面距離光源約4-5mm。

在本實施例中，圖3為典型的深度分辨的光聲信號。利用紫外一近紅外分光光度計PElambda950測量與采用光聲方法得到的樣品在532nm波長處吸收系數(shù)的比較結(jié)果表明兩種方法測量結(jié)果相近，其誤差為-0.027mm-¹，其相對誤差為-9.54％。結(jié)合二維掃描可得到吸收體的光聲圖像，圖4和圖5為對吸收體進行掃描得到的典型二維圖像，圖4為實驗樣品，圖5為掃描得到的二維光聲圖像，圖像的灰度大小反映光聲信號強度。

借助彌散光纖光源在體內(nèi)進行光聲激發(fā)由長焦區(qū)聚焦探頭的體外聲探測能夠獲取深度方向的全部光聲信號，可同時得到吸收體上下邊界光聲信號幅度變化以時間間隔信息，能夠進行深部吸收體吸收系數(shù)的在體無損快速測量，而且可同時獲取吸收體的位置和尺寸信息，有明顯的優(yōu)勢。

本發(fā)明的以上實例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。