光聲成像裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種光聲成像裝置及方法，包括：激光發射單元、激光調制單元、承載目標的載物單元、檢測單元、及向激光調制單元發送調制信號的處理單元；其中，激光調制單元根據調制信號調制激光發射單元發射的激光，將調制后的激光投射到目標；檢測單元對目標由激光的照射產生的超聲波信號進行檢測，并將超聲波信號轉換為電信號向處理單元發送；處理單元對調制信號與電信號進行關聯運算，獲取目標圖像。本發明光聲成像裝置具有抗干擾能力強、成像快速精確、時空分辨率高的優點，在醫學檢測領域具有廣闊的應用前景。
【專利說明】
光聲成像裝置及方法
技術領域
[0001] 本發明涉及光聲成像領域，尤其涉及一種基于量子關聯成像技術的光聲成像裝置 及方法。
【背景技術】
[0002] 光聲成像技術是醫學領域新興的無損檢測技術，具有無創傷、非電離、對比度高、 穿透能力強的特點，在一種有效的臨床檢測手段。光聲成像的原理是：當激光輻照生物組織 時，位于組織內部的腫瘤等吸收體吸收光能量升溫膨脹，產生超聲波，位于組織表面的超聲 探測器件接收超聲波，并據此重建生物組織的光吸收圖像。光聲成像技術在醫學上具有廣 闊的應用前景，是一種對人體幾乎無害的檢測手段，能夠深入組織達到50mm-60mm，滿足大 部分疾病的檢測要求，尤其在血管造影、腫瘤檢查、關節炎診斷方面具有重要價值。
[0003] 現有的光聲成像設備一般采用激光器作為激勵源，發出激光向生物組織照射，采 集生物組織吸收激光產生的超聲波，對超聲波進行處理后采用圖像重構算法生成生物組織 圖像。現有技術存在以下不足：
[0004] 1. -般采用點探測的方式掃描生物組織，成像效率較低。
[0005] 2.采用濾波反投影、迭代重建等算法重建圖像，運算較為復雜，圖像質量較差。
[0006] 3.只通過采集生物組織產生的超聲波成像，時空分辨率較差。
[0007] 因此，亟需一種成像效率高、時空分辨率較好的光聲成像裝置及方法，以解決上述 問題。
【發明內容】
[0008] 本發明提供了一種基于量子關聯成像技術的光聲成像裝置及方法，通過關聯計算 激光信號與其激發的超聲波信號來重建目標圖像，實現了快速精確、時空分辨率較佳的光 聲成像方式。
[0009] 本發明一方面提供一種光聲成像裝置，包括:激光發射單元、激光調制單元、承載 目標的載物單元、檢測單元、及向激光調制單元發送調制信號的處理單元;其中，激光調制 單元根據所述調制信號調制激光發射單元發射的激光，將調制后的激光投射到目標;檢測 單元對目標由激光的照射產生的超聲波信號進行檢測，并將超聲波信號轉換為電信號向處 理單元發送;處理單元對調制信號與電信號進行關聯運算，獲取目標圖像。
[0010] 優選地，所述裝置還包括：同步單元，用于向激光調制單元與檢測單元發送同步信 號，使調制信號與電信號同步。
[0011] 優選地，調制信號為矩陣信號&(1，7);以及處理單元對調制信號與電信號利用公 式1進行關聯運算：
[0012]
[0013]其中，X、y分別為激光光場的橫、縱坐標，i為不大于Μ的正整數，Μ為調制信號總數， S(x，y)為目標圖像，Bi為與Ai(x，y)對應的電信號;〈>為相關函數。
[0014]優選地，目標由激光的照射產生超聲波信號符合公式2:
[0015]
[0016] 其中，P為超聲波信號對應的光聲壓，β為等體積膨脹系數，F為激光的光能流率，μ 為光吸收率，V為目標中的超聲波聲速，C為目標的比熱容。
[0017] 優選地，所述裝置還包括聚光單元與導光單元;其中，聚光單元將激光調制單元調 制后的激光聚集到導光單元;導光單元將接收的激光引導到目標。
[0018] 優選地，激光發射單元為脈沖激光器，激光調制單元為數字微鏡器件，檢測單元為 超聲波換能器，聚光單元為凸透鏡。
[0019] 優選地，處理單元發送調制信號的頻率與脈沖激光器的脈沖頻率相同。
[0020] 本發明另一方面提供一種光聲成像方法，包括：
[0021] 向目標投射經調制信號調制的激光;采集目標由激光的照射產生的超聲波信號， 并將超聲波信號轉換為電信號;對調制信號與電信號進行關聯運算，獲取目標圖像。
[0022]優選地，在對調制信號與電信號進行關聯運算之前，所述方法還包括:使調制信號 與電信號保持同步。
[0023]優選地，所述對調制信號與電信號進行關聯運算具體為:利用公式1對調制信號與 電信號進行關聯運算：
[0024]
[0025]其中，Ad^y)為調制信號，x、y分別為激光光場的橫、縱坐標，i為不大于Μ的正整 數，Μ為調制信號總數，S(x，y)為目標圖像，Bi為與Ai(x，y)對應的電信號;〈>為相關函數。
[0026] 由上述技術方案可知，本發明通過關聯計算激光信號與其激發的超聲波信號來重 建目標圖像，實現了成像快速精確、時空分辨率高的技術效果。
【附圖說明】
[0027] 圖1是本發明的光聲成像裝置示意圖；
[0028] 圖2是本發明的光聲成像方法示意圖。
【具體實施方式】
[0029] 為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下參照附圖并舉出優選實 施例，對本發明進一步詳細說明。然而，需要說明的是，說明書中列出的許多細節僅僅是為 了使讀者對本發明的一個或多個方面有一個透徹的理解，即便沒有這些特定的細節也可以 實現本發明的這些方面。
[0030] 本發明考慮到現有的光聲成像裝置存在以下不足:一般采用點探測的方式掃描生 物組織，成像效率較低;采用濾波反投影、迭代重建等算法重建圖像，運算較為復雜，圖像質 量較差；只通過采集生物組織產生的超聲波成像，時空分辨率較差。
[0031] 基于上述考慮，本發明將量子關聯成像技術引入光聲成像，以突破現有技術的瓶 頸。
[0032] 量子關聯成像技術是近年來快速發展的一種新型成像技術。與傳統光學成像方式 不同，量子關聯成像采用的探測器為不具有空間分辨能力的單像素探測器或桶探測器，因 此又被稱作單像素成像。具體而言，激光束經過空間光調制器后被調制成特定的動態散斑， 之后照射到目標上，由單像素探測器或桶探測器采集目標的光強漲落信息，通過關聯算法 對動態散斑和光強信息進行關聯，即可得到目標的圖像信息。量子關聯成像方式獨特新穎， 具有非定域性、抗干擾能力強、突破衍射極限、超分辨和寬光譜特性等優點，在遙感、光學加 密和生物醫學等領域具有巨大的潛在應用前景。
[0033] 本發明將量子關聯成像的原理應用到傳統的光聲成像裝置中，將激光調制得到的 光場信息作為量子關聯的參考臂，將超聲波換能器得到的電信號作為物臂，對二者通過量 子關聯算法進行重構就可以得到生物組織的光吸收圖像。同時，本發明采用面探測方式掃 描生物組織，提高了成像效率及時空分辨率。
[0034] 圖1示出了本發明的光聲成像裝置，如圖1所示，光聲成像裝置包括:激光發射單元 1、激光調制單元2、載物單元3、檢測單元4及處理單元5。
[0035] 激光發射單元1用于發射激光。激光調制單元2用于根據處理單元5發送的調制信 號調制激光發射單元1發射的激光，將調制后的激光投射到目標。目標承載于可在二維平面 自由移動的載物單元3之上，吸收照射的激光后產生超聲波信號。檢測單元4對超聲波信號 進行檢測，將超聲波信號轉換為電信號發送到處理單元5。處理單元5對調制信號與電信號 進行關聯運算，得到目標圖像。
[0036] 上述設置將量子關聯成像的方式應用到現有的光聲成像裝置中，將激光調制信號 作為量子關聯的參考臂，將超聲波轉換的電信號作為物臂，對調制信號與電信號進行關聯 就可以得到目標的光吸收圖像。如上設置的光聲成像裝置成像速度快、抗干擾能力強、時空 分辨率高。
[0037] 在本發明優選實施例中，檢測單元4為超聲波換能器，激光調制單元2為數字微鏡 器件DMD(Digital Micromirror Device)，處理單元5為計算機。
[0038] 較佳地，在本發明優選實施例中，光聲成像裝置還包括同步單元6,其用于向激光 調制單元2與檢測單元4發送同步信號，使調制信號與電信號同步。較佳地，同步單元6為高 精度時鐘板卡。
[0039]在本發明優選實施例中，調制信號為矩陣信號六1(1，7)，調制后的激光光場分布與 矩陣AK^y)相符。處理單元5對調制信號與電信號利用公式1進行關聯運算：
[0040] t=l
[0041] 其中，x、y分別為激光光場的橫、縱坐標，i為不大于Μ的正整數，Μ為調制信號總數， S(x，y)為目標圖像，Bi為與Ai(x，y)對應的電信號;〈>為相關函數。
[0042]以上相關運算的具體表達為：
[0043]
[0044]
[0045]
[0046] 上述設置表明，本發明采用面探測方式掃描目標，與現有的點探測方式相比，大大 提高了光聲成像裝置的成像效率。
[0047] 在本發明優選實施例中，目標由激光的照射產生超聲波信號符合公式2:
[0048]
[0049] 其中，P為超聲波信號對應的光聲壓，β為等體積膨脹系數，F為激光的光能流率，μ 為光吸收率，V為目標中的超聲波聲速，C為目標的比熱容。
[0050] 作為一個備選方案，光聲成像裝置還包括聚光單元與導光單元。聚光單元將激光 調制單元2調制后的激光聚集到導光單元;導光單元將接收的激光引導到目標。較佳地，聚 光單元為凸透鏡，導光單元有諸如丙烯酸樹脂或聚碳酸酯樹脂之類的透明樹脂制成。
[0051] 在本發明優選實施例中，激光發射單元1為短脈沖激光器，能夠發射具有大峰值功 率、高光譜純度和集中指向性的激光。短脈沖激光器的脈沖頻率與處理單元5發送調制信號 的頻率相同。這樣就能保證激光器每發出一束激光，就能對應一個新的調制信號。
[0052]在本發明優選實施例中，處理單元5采用實時仿真計算機，配置3GHz主頻的ABD Opteron處理器。同步單元6采用時間精度為ns級別的高精度時鐘板卡。處理模塊與檢測模 塊通過RS422接口連接。上述設置保證了快速的關聯運算速度與較高的成像效率。
[0053]圖2示出了本發明的光聲成像方法示意圖，參見圖2,光聲成像方法具體如下執行： [0054]在步驟S1中，向目標投射經調制信號調制的激光，目標由于激光的照射產生超聲 波。
[0055] 較佳地，調制后的激光可以經過凸透鏡的聚集，再經過導光器件的引導，投射到目 標。
[0056] 接下來，在步驟S2中，采集目標上述超聲波信號，并將超聲波信號轉換為電信號。 [0057]接著，在步驟S3中，對調制信號與電信號進行關聯運算，獲取目標圖像。
[0058]上述過程將量子關聯成像的方式應用到現有的光聲成像裝置中，將激光調制信號 作為量子關聯的參考臂，將超聲波轉換的電信號作為物臂，對調制信號與電信號進行關聯 就可以得到目標的光吸收圖像。上述光聲成像裝置方法具有成像速度快、抗干擾能力強、時 空分辨率高的優點。
[0059] 作為一個優選方案，在對調制信號與電信號進行關聯運算之前，使調制信號與電 信號保持同步。
[0060] 較佳地，利用公式1對調制信號與電信號進行關聯運算：
[0061；
[0062]其中，Ad^y)為調制信號，x、y分別為激光光場的橫、縱坐標，i為不大于Μ的正整 數，Μ為調制信號總數，S(x，y)為目標圖像，Bi為與Ai(x，y)對應的電信號;〈>為相關函數。
[0063]本發明提供的光聲成像裝置及方法，創造性地將量子關聯成像技術引入光聲成像 設備，實現了抗干擾能力強，快速精確、時空分辨率較佳的光聲成像方式，在醫學檢測領域 具有十分廣闊的應用前景。
[0064] 本領域普通技術人員可以理解實現上述實施例方法中的全部或部分步驟是可以 通過程序來指令相關的硬件來完成，該程序可以存儲于一計算機可讀取存儲介質中，如： R0M/RAM、磁碟、光盤等。
[0065] 以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應 視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種光聲成像裝置，其特征在于，包括:激光發射單元、激光調制單元、承載目標的載 物單元、檢測單元、及向激光調制單元發送調制信號的處理單元;其中， 激光調制單元根據所述調制信號調制激光發射單元發射的激光，將調制后的激光投射 到目標； 檢測單元對目標由激光的照射產生的超聲波信號進行檢測，并將超聲波信號轉換為電 信號向處理單元發送； 處理單元對調制信號與電信號進行關聯運算，獲取目標圖像。2. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括： 同步單元，用于向激光調制單元與檢測單元發送同步信號，使調制信號與電信號同步。3. 如權利要求2所述的裝置，其特征在于，調制信號為矩陣信號仏(1，7);以及 處理單元對調制信號與電信號利用公式1進行關聯運算： 其中，x、y分別為激光光場的橫、縱坐標，i為不大于M的正整數，M為調制信號總數，S(x， y)為目標圖像，B1為與A1(Xd)對應的電信號;〈>為相關函數。4. 如權利要求3所述的裝置，其特征在于，目標由激光的照射產生超聲波信號符合公式2： 公式2 其中，P為超聲波信號對應的光聲壓，β為等體積膨脹系數，F為激光的光能流率，μ為光 吸收率，V為目標中的超聲波聲速，C為目標的比熱容。5. 如權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括聚光單元與導光單元;其中， 聚光單元將激光調制單元調制后的激光聚集到導光單元； 導光單元將接收的激光引導到目標。6. 如權利要求5所述的裝置，其特征在于，激光發射單元為脈沖激光器，激光調制單元 為數字微鏡器件，檢測單元為超聲波換能器，聚光單元為凸透鏡。7. 如權利要求6所述的裝置，其特征在于，處理單元發送調制信號的頻率與脈沖激光器 的脈沖頻率相同。8. -種光聲成像方法，其特征在于，包括： 向目標投射經調制信號調制的激光； 采集目標由激光的照射產生的超聲波信號，并將超聲波信號轉換為電信號； 對調制信號與電信號進行關聯運算，獲取目標圖像。9. 如權利要求8所述的方法，其特征在于，在對調制信號與電信號進行關聯運算之前， 所述方法還包括： 使調制信號與電信號保持同步。10. 如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述對調制信號與電信號進行關聯運算具 體為： 利用公式1對調制信號與電信號進行關聯運算：其中，A1(Xd)為調制信號，x、y分別為激光光場的橫、縱坐標，i為不大于M的正整數，M為 調制信號總數，S(x，y)為目標圖像，B1為與A1(Xd)對應的電信號;〈>為相關函數。
【文檔編號】A61B5/00GK105996997SQ201610294776
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月6日
【發明人】楊照華, 閆瑞濤, 肖雅蓉, 曲少凡, 余遠金, 祁振強
【申請人】北京航空航天大學, 北京航天自動控制研究所