專利名稱：多通道電子并行掃描光聲實時層析成像的方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及光聲層析成像技術，特別涉及一種多通道電子并行掃描光聲實時層析成像的方法及其裝置。
背景技術：
當用短脈沖激光照射光吸收體時，吸收體吸收光能量引起溫升，溫升導致熱膨脹而產生壓力波，這就是光聲效應，光聲效應給出了樣品光吸收分布和光聲信號的關系，所以可以通過測量各個方向的光聲壓，重建出樣品的光吸收分布，這就是光聲成像的基本原理。光聲信號能實現具有光吸收差異的樣品或生物組織的層析成像，因為不同位置的吸收體產生的光聲信號能通過一定的算法重建出來。由于光聲信號攜帶了其內部豐富的特征信息，可以用來判斷和甄別其內部的狀況，這種方法與傳統的超聲探測或X影像方法相比，它可以區分聲阻抗相同或者X射線的吸收相同而光學參數不同的待測樣品或生物組織。由于樣品或生物組織的復雜性，對樣品或生物組織中光聲信號的精確、快速測量是對其特征進行分析、診斷和實時成像的前提。
要做到光聲實時層析成像，目前主要存在兩方面的問題一方面，光聲成像具有很高的分辨力，理論上可以達到幾十微米，要充分體現光聲成像的優點，成出具有高清晰度、高分辨率的圖像，光聲成像的特性決定了必須采用多點或多次采集光聲信號才能提供高的圖像分辨力。但是目前適合做光聲成像的激光器的發射重復頻率比較低，一般在幾十赫茲以內，采用多點測量或者分時采集都無法達到實時成像的要求，對于運動物體更不可能成像。因此采用高密度陣列超聲換能器結合多通道電子并行掃描的方式是實現高分辨力、實時成像的關鍵，使得光聲成像可以用于臨床診斷。另一方面，目前一般用超聲換能器測量時，基本都是在被測樣品或生物組織的端面放置超聲換能器，測量樣品或生物組織內傳出的光聲信號；這樣得到的信號一般是體聲場的各個發聲點產生的信號在測量點的疊加，因此再重建被測體內光聲圖像或判斷其內部確切點的信號比較困難，需要多點測量和復雜的算法處理數據，計算量非常大；而且對于結構復雜的樣品或生物組織的應用而言，例如生物組織，由于它是光的強散射體，入射的激光很快發散，加上生物組織一般不是各向同性的光學和聲學體，因此激光產生的聲場以及聲場的反射、透射和吸收都很復雜，很難得到各個點的確切光聲信號。專利申請號為03126896.X的中國發明專利申請公開了一種“多元陣列電子掃描生物組織光聲層析成像的方法及其裝置”，該技術方案提出了每次采用多元陣列超聲換能器的部分群元來接收光聲信號，然后通過相控算法快速合成一根掃描線的方法；但是一幀圖像是由許多根掃描線構成的，該方法重建出一幀圖像需要激光重復發射許多次，按照文中所提方法需要至少需要用時2秒鐘，在目前適合用來做光聲成像激光器的發射重復頻率僅為幾十赫茲的情況下是無法實時成像的。根據實時成像的定義，每秒成像要達到在25幀以上，才能顯示臟器的活動，且視力已察覺不出圖像的閃動情況，這樣的系統才能稱為實時成像系統。因此在多通道(通道數與多元陣列超聲換能器元數相同，一般64通道以上)并行采集的前提下采用現場可編程門陣列(field-programmable gate array，FPGA)實現多波束動態聚焦算法是達到一次激光發射即可重建出一幀高分辨率圖像和達到實時成像要求的關鍵。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術存在的缺點和不足，提供一種對生物組織、樣品的方便、無損、高精度可實時成像的光聲層析成像(每秒25幀圖像以上)的方法。
本發明的另一目的在于提供一種實現上述光聲實時層析成像的裝置。
本發明的目的通過下述技術方案實現一種多通道電子并行掃描光聲實時層析成像的方法，包括如下步驟(1)脈沖激光入射到生物組織中產生光聲信號，脈沖激光發射的同時同步觸發主控電路，開始電子并行掃描周期。
(2)利用高密度陣列超聲換能器并行接收光聲信號，利用多通道電子并行掃描電路同步采集、時間增益放大、二階信號濾波、AD轉換、數據轉換與緩沖。
(3)利用FPGA實現對緩沖后的數字信號進行前處理，包括去探頭卷積、數字濾波。
(4)利用FPGA實現對緩沖后的數字信號進行后處理，實現基于動態聚焦的多波束數字合成，形成幀信號和幀標識符存入幀存儲器，再通過USB接口或PCI接口輸入計算機內存。
(5)通過訪問計算機內存對數據進行后處理和實現人機交互界面。
步驟(1)中，所述脈沖激光優選波長為500nm～1064nm，采用光電二極管接收激光發射時的散射光，經放大后同步觸發主控電路。
步驟(2)中，所述高密度陣列超聲換能器可以根據不同的需要設計成不同的陣元數，如128、96；根據光聲信號頻帶特點，高密度陣列超聲換能器中心頻率優選與欲探測樣品或生物組織的中心主頻一致的頻率；多通道電子并行掃描電路的通道數與高密度陣列超聲換能器的陣元數相同，例如對于128陣元(384素子)結構的高密度陣列超聲換能器，采用128通道并行采集；時間增益放大的控制參數根據光聲信號本身的固有衰減系數(1/R，R為探測點與聲源的距離)與生物組織對超聲波的衰減系數(一般為-0.6～-0.7dB/cm*MHz)的和的倒數計算得出；當通道數量大(＞96)，如果采用傳統的并行A/D器件，那么僅A/D轉換器的輸出就將超過1000根數據線，這對減小干擾、PCB布線和數據的接收與緩沖將帶來巨大的難度，所以，我們對于AD轉換步驟選用了基于低電壓差分(LVDS)輸出的放大器和12位低電壓差分(LVDS)A/D轉換器；對于A/D轉換后輸出的信號，采用FPGA將LVDS信號轉換為并行12位信號并緩沖。
所述步驟(3)中，根據測得的探頭對點光源打在緊靠探頭表面黑吸收體的響應做去探頭卷積；對多通道中的每通道數字信號進行數字(FIR、IIR)濾波。
所述步驟(4)中，一個波束(掃描線)需要選取若干通道的信號動態聚焦合成得到，通道數的確定是通過計算能夠接收到信號源的半功率點以上信號的陣元數確定，假如已經確定了選取的通道數為9、總通道數為128，那么多波束合成方法是1～8通道動態聚焦后在第4.5陣元的位置上合成第一根掃描線，1～9通道動態聚焦后在第5陣元的位置上合成第二根掃描線，2～9通道動態聚焦后在第5.5陣元的位置上合成第三根掃描線，2～10通道動態聚焦后在第6陣元的位置上合成第四根掃描線，以此類推，這樣將一次激光發射就可以合成信噪比很高的249根掃描線，重建出一幀圖像。
所述步驟(5)中，灰階變換是根據人的視覺系統的非線性特性和顯示器的黑度的非線性特點做校正，圖像凍結功能可以對感興趣的圖像做靜態觀察和利用計測功能對病灶的面積做計算以做出診斷。
實現上述方法的多通道電子并行掃描光聲實時層析成像裝置包括激光器、高密度陣列超聲換能器、多通道電子并行掃描電路、計算機，高密度陣列超聲換能器端面正對激光照射的樣品，高密度陣列超聲換能器、多通道電子并行掃描電路、計算機依次電氣連接。
所述多通道電子并行掃描電路包括主控制電路、動態時間增益控制放大電路、二階濾波電路、AD采樣電路、FPGA轉換與緩沖電路、FPGA數字信號處理與多波束合成電路、USB2.0(或PCI)數據傳輸電路，動態時間增益控制放大電路、二階濾波電路、AD采樣電路、FPGA轉換與緩沖電路、FPGA數字信號處理與多波束合成電路、USB2.0(或PCI)數據傳輸電路依次電氣連接，主控制電路除二階濾波電路外與其余各電路電氣連接。動態時間增益控制電路接收到起始信號以后按光聲信號的特性隨時間的變化發出8位增益控制信號給D/A轉換器轉換成電壓信號輸入到可變增益放大器(放大系數由電壓控制)的控制端控制可變增益放大器的放大系數；基于LVDS的AD轉換與FPGA接收轉換與緩沖電路，將AD轉換后的差分信號高速輸入FPGA后再轉換成12位并行信號進行數據緩沖；FPGA數字信號處理與多波束合成電路，把每通道上的數據前處理完之后，根據時間和幾何位置上的關系在選擇的多通道中心進行基于動態聚焦的多波束合成。
所述高密度陣列超聲換能器可以根據不同的需要設計成不同的陣元數，如128、96；所述多通道電子并行掃描光聲實時層析成像裝置的通道數與高密度陣列超聲換能器的陣元數相同，并可隨高密度陣列超聲換能器的陣元數不同進行相應的調整。
用多通道電子并行掃描電路對光聲信號采集，可以在同一位置采集成像，也可使高密度陣列超聲換能器旋轉采集后通過濾波反投影算法實現高分辨率的圖像重建。
本發明的工作原理是激光器產生的脈沖激光束照射在樣品或生物組織上，樣品或生物組織產生光聲信號，高密度陣列超聲換能器每一陣元并行接收樣品或生物組織的光聲信號，探頭輸出的信號同時被多通道電子并行掃描電路采集后進行數字信號處理和數字波束合成，最后控制讀取幀圖像存儲器中的數據并通過USB接口或PCI接口輸入計算機進行后處理。這樣只要一次激光發射，多通道電子并行掃描電路(如128通道)可以合成出一幀高分辨率、高信噪比的圖像。激光器和多通道電子并行掃描系統的發射和接收重復頻率大于24赫茲并且數據處理時間小于采樣時間間隔就達到了實時成像的目的。
本發明與現有技術相比具有如下優點及效果(1)由于本發明僅發射一次激光即可實現樣品或生物組織的自動電子并行掃描實時層析成像，所以成像速度快，完全可以實現實時成像，特別可以實現對運動生物組織的實時層析成像(每秒25幀)，這對活體生物組織的研究具有重要的意義。
(2)本發明中采用動態聚焦技術，使圖像具有高分辨率和高信噪比。
(3)本發明裝置中的高密度陣列超聲換能器可以針對不同的物體靈活地設計成線型、扇型、圓型等形狀以獲得最佳的成像效果，利用本發明既能夠對不定形的組織成像，也能對乳房這樣錐狀和柱狀的組織斷層成像，適應性好；應用范圍廣。
(4)利用本發明可以對聲阻抗相同而光學參數不同的待測樣品或生物組織實現層析成像；這一點對早期癌變的診斷特別重要，因為癌變組織在早期，體積比較小，超聲和X射線都不能對它精確成像，但采用本發明所述的光聲層析方法即能對其層析成像；本發明所采用的算法比較簡單，運算量小，可以實現對生物組織的實時快速成像。
圖1是本發明多通道電子并行掃描光聲實時層析成像裝置的結構示意圖。
圖2是圖1所示裝置中的多通道電子并行掃描電路的結構方框圖。
圖3是圖2所示多通道電子并行掃描電路中時間增益控制電路圖。
圖4是圖2所示多通道電子并行掃描電路中二階濾波電路圖及其matlab仿真頻域特性。
圖5(a)是128陣元超聲換能器正對樣品的陣元接收到的信號；(b)是有效接收孔徑最邊緣陣元接收到的信號。
圖6是128通道并行采集后抽取10/11通道并采用1/2步距動態聚焦合成掃描線示意圖。
圖7是成像樣品示意圖。
圖8是對圖7所示樣品所成的二維層析圖像。
具體實施例方式
下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的敘述，但本發明的實施方式不限于此。
實施例本實施例主要是利用型號為L7L38的128陣元(384素子)高密度線性陣列寬頻超聲換能器、128通道電子并行掃描電路以及計算機軟件實現，并和激光器組成了樣品或生物組織光聲實時層析成像裝置，實現光聲實時層析成像。
L7L38線性陣列超聲換能器是一種高密度、寬頻帶、多變頻的128陣元超聲換能器，采用高精度切槽技術使得每一陣元聲學性能具有很高的一致性，采用熱設計技術提高超聲換能器的聲電轉換效率，采用高性能的聲學材料使探頭具有高帶寬和高靈敏度。具有如下特性1、掃描方式線性陣列電子掃描；2、標稱頻率7.5MHZ(亦可工作在5MHZ、10MHZ)；3、換能器振元數384素子/128陣元(1個陣元由3個素子組成)；4、頻帶寬度＞75％(相對帶寬)；5、探頭外部尺寸57×23×92mm；6、陣元信號并行輸出(無開關控制電路)。
本發明多通道電子并行掃描光聲實時層析成像裝置的具體結構如圖1所示，由圖1可見，本裝置主要包括激光器1、光電二極管4、128陣元超聲陣列換能器5、128通道電子并行掃描電路6、計算機7、樣品池10。激光器1發出的激光束經過凹透鏡3的擴大后照射到樣品或生物組織9，樣品或生物組織9的水平切面與128陣元超聲陣列換能器5的接收端面相對安裝，128陣元超聲陣列換能器5、128通道電子并行掃描電路6、計算機7依次電氣連接。
所述128通道電子并行掃描電路是根據光聲效應的特點獨立設計完成的，它的具體結構如圖2所示，由控制電路6-1，時間增益控制放大電路6-2，二階濾波電路6-3，A/D轉換電路6-4，FPGA接收與緩沖電路6-5，FPGA數字信號處理與多波束合成電路6-6，USB2.0數據傳輸電路6-7連接構成。控制電路6-1接收光電二極管輸出的激光發射同步脈沖信號后產生各類控制、同步和觸發信號，用于隨時間變化控制時間增益控制放大器的放大系數、觸發A/D轉換器開始工作、FPGA接收和緩沖電路同步接收和緩沖數據，采樣周期結束后控制啟動FPGA數字信號處理與多波束合成電路6-6開始工作。
所述時間增益控制放大電路6-2控制原理圖如圖3所示，在采集周期開始以后，隨時間的變化主控制電路6-1把8位控制量輸入模—數轉換器AD7226轉換為電壓輸出到電壓控制型增益放大器的輸入端。
所述二階濾波電路6-3如圖4所示，可以根據光聲信號的特點通過調整相應的電阻和電容值確定信號的通頻帶。
本發明裝置除了自行設計的128通道電子并行掃描電路6外，其它的構件選型如下激光器1選用白俄羅斯LOTIS公司的TII，可發出波長為532nm～1064nm的脈沖激光，本實施例選用波長為532nm的綠色激光，它的重復周期為24HZ；計算機7可以選用P4微機，內存在512M以上；樣品池10是用有機玻璃制成的長方體盒子，樣品池10中充滿水，其內壁涂有吸聲材料；樣品由瓊脂8和直徑為0.7mm的碳顆粒9構成，具體是用2克的瓊脂粉和98克的水加熱到70℃然后冷卻凝結而成，瓊脂8冷卻到接近固體時將作為吸收體的碳顆粒9嵌入其中并迅速冷卻形成，具體形狀、尺寸如圖7所示。圖5(a)是128陣元超聲換能器正對樣品陣元接收到的信號，圖5(b)是有效(信噪比大于2)接收孔徑最邊緣陣元接收到的信號，通過該方法測定了128陣元超聲陣列換能器5對點信號的接收孔徑的大小，從而確定了數據合成時選中的通道的數量。我們確定參與一根掃描線數據合成的通道數為11，圖6是128通道并行采集后抽取10/11通道并采用1/2步距原理動態聚焦合成掃描線的示意圖，可以看出有效信號相干增強、無效信號相消減弱。圖8是被測樣品的二維層析圖，橫坐標表示樣品表面(聲源)與探測器的距離，縱坐標表示對應的探測器的位置，圖8中的B點即為圖7中的吸收體A所對應的圖像，將圖8及圖7作比較可以看出它們對應得很好。
利用上述裝置實現的本發明方法的具體實施步驟為(1)設計和制作128通道電子并行掃描電路6及其控制軟件。
(2)調整激光器的脈沖重復頻率(實時成像要求大于24Hz)，采用內觸發模式，發出波長為532nm、脈沖寬度為8ns的脈沖激光2，脈沖激光2經凹透鏡3使激光束擴大后入射到樣品上，樣品受到激發產生光聲信號。
(3)128陣元超聲陣列換能器5浸入水中并使接收端面與樣品9水平切面正對，用來接收光聲信號；128陣元超聲陣列換能器5的中心位置對準樣品的旋轉中心。
(4)光電二極管4置于激光器脈沖激光的輸出口附件，接收脈沖激光的散射光產生同步信號觸發控制電路6-1，該信號作為一個采集周期的起始信號，控制電路6-1同步觸發128陣元超聲陣列換能器5進行光聲信號的接收以及AD轉換電路6-4開始AD轉換。
(5)128陣元超聲陣列換能器并行接收到超聲信號后經時間增益控制電路6-2(如圖3)放大，控制電路6-1隨時間變化發送的增益控制信號調整時間增益控制電路6-2的放大系數后輸出到二階濾波電路6-3(如圖4)濾波輸出，經AD轉換電路6-4轉換后以LVDS格式輸出，FPGA接收與緩沖電路6-5同步接收轉換和緩沖數據。
(6)控制電路6-1在接收到光電二極管4輸出的控制起始信號就開始定時，定時的時間為要采集的距離除以超聲波在耦合媒介中的速度，定時結束產生定時中斷，控制電路6-1中的控制器進行中斷處理，停止AD轉換并控制FPGA數字信號處理與數字波束合成電路6-6開始工作。
(7)FPGA數字信號處理與多波束合成電路6-6在處理完一幀圖像數據以后產生一個幀結束標識符，主控電路檢測到這個幀結束標識符后啟動USB數據采集/傳輸電路6-7讀取并傳輸這幀圖像數據到計算機內存，傳輸完這幀圖像數據后128通道并行采集與數字信號處理電路等待下一次掃描的開始。
(8)計算機7對傳進來的一幀信號進行灰階變換后存入計算機開辟的一塊專門作為幀圖像數據存儲區的內存區，該內存區大小為256幀圖像數據的容量，新存入的幀圖像數據覆蓋該內存區的最后一幀數據，屏幕同步動態顯示該幀圖像。當按下凍結鍵以后可以重復播放內存中的幀存儲區的圖像也可以顯示單幀圖像，為診斷提供便利。
上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種多通道電子并行掃描光聲實時層析成像的方法，其特征在于包括如下步驟(1)脈沖激光入射到生物組織中產生光聲信號，脈沖激光發射的同時同步觸發主控電路，開始電子并行掃描周期；(2)利用高密度陣列超聲換能器并行接收光聲信號，利用多通道電子并行掃描電路同步采集、時間增益放大、二階信號濾波、AD轉換、數據轉換與緩沖；(3)利用FPGA實現對緩沖后的數字信號進行前處理，包括去探頭卷積、數字濾波；(4)利用FPGA實現對緩沖后的數字信號進行后處理，實現基于動態聚焦的多波束數字合成，形成幀信號和幀標識符存入幀存儲器，再通過USB接口或PCI接口輸入計算機內存；(5)通過訪問計算機內存對數據進行后處理和實現人機交互界面。
2.根據權利要求1所述的多通道電子并行掃描光聲實時層析成像的方法，其特征在于步驟(1)中，所述脈沖激光優選波長為500nm～1064nm，同步觸發信號為激光器的激光發射同步脈沖。
3.根據權利要求1所述的多通道電子并行掃描光聲實時層析成像的方法，其特征在于步驟(2)中，所述高密度陣列超聲換能器的陣元數為128、96；高密度陣列超聲換能器中心頻率與欲探測樣品或生物組織的中心主頻一致；多通道電子并行掃描電路的通道數與高密度陣列超聲換能器的陣元數相同。
4.根據權利要求1所述的多通道電子并行掃描光聲實時層析成像的方法，其特征在于步驟(2)中，所述時間增益放大的控制參數根據光聲信號本身的固有衰減系數與生物組織對超聲波的衰減系數的和的倒數計算得出；對于AD轉換步驟選用基于低電壓差分輸出的放大器和12位低電壓差分A/D轉換器；對于A/D轉換后輸出的信號，采用FPGA將LVDS信號轉換為并行12位信號并緩沖。
5.根據權利要求1所述的多通道電子并行掃描光聲實時層析成像的方法，其特征在于步驟(3)中，根據測得的探頭對點光源打在緊靠探頭表面黑吸收體的響應做去探頭卷積。
6.根據權利要求1所述的多通道電子并行掃描光聲實時層析成像的方法，其特征在于步驟(4)中，通過計算能夠接收到信號源的半功率點以上信號的陣元數確定通道數量及基于并行采集的多波束合成。
7.根據權利要求1所述的多通道電子并行掃描光聲實時層析成像的方法，其特征在于步驟(5)中，根據人的視覺系統的非線性特性和顯示器的黑度的非線性特點做信號校正。
8.一種實現權利要求1～7任一項所述方法的多通道電子并行掃描光聲實時層析成像裝置，其特征在于包括激光器、高密度陣列超聲換能器，多通道電子并行掃描電路、計算機，所述高密度陣列超聲換能器端面正對激光器照射的樣品，高密度陣列超聲換能器、多通道電子并行掃描電路、計算機依次電氣連接。
9.根據權利要求8所述的多通道電子并行掃描光聲實時層析成像裝置，其特征在于所述多通道電子并行掃描電路包括主控制電路、動態時間增益控制放大電路、二階濾波電路、AD采樣電路、FPGA轉換與緩沖電路、FPGA數字信號處理與多波束合成電路、USB2.0或PCI數據傳輸電路，動態時間增益控制放大電路、二階濾波電路、AD采樣電路、FPGA轉換與緩沖電路、FPGA數字信號處理與多波束合成電路、USB2.0或PCI數據傳輸電路依次電氣連接，主控制電路除二階濾波電路外與其余各電路電氣連接。
10.根據權利要求9所述的多通道電子并行掃描光聲實時層析成像裝置，其特征在于所述高密度陣列超聲換能器的陣元數為128、96；所述多通道電子并行掃描電路的通道數與高密度陣列超聲換能器的陣元數相同。
全文摘要
本發明提供一種多通道電子并行掃描實時光聲層析成像方法，包括如下步驟脈沖激光入射到生物組織中產生光聲信號；利用高密度陣列超聲換能器并行接收光聲信號，利用多通道電子并行掃描電路同步采集并處理；數字信號處理和基于動態聚焦的多波束數字合成后通過USB接口將幀圖像數據輸入計算機。一種實現上述方法的裝置，包括激光器、高密度陣列超聲換能器，多通道電子并行掃描電路、計算機。本發明利用高密度陣列超聲換能器和多通道電子并行掃描電路實現自動電子并行掃描樣品，可以對聲阻抗相同而光學參數不同的待測樣品或生物組織實現實時層析成像，成像速度快，精度高，適應性好；本發明裝置自動化程度高，操作方便，控制使用比較簡單。
文檔編號A61B5/00GK1862247SQ200610035700
公開日2006年11月15日 申請日期2006年5月30日 優先權日2006年5月30日
發明者邢達, 紀軒榮 申請人:華南師范大學