基于有限角度扫描的光声断层成像装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及光声成像技术领域，公开了一种基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置及方法，采用脉冲激光入射到成像样品产生光声信号，通过单元超声探测器在圆弧上有限位置采集光声信号，经信号放大器放大后，输入A/D转换器将声信号转化为电信号，最后传输到示波器完成数字信号采集；将成像样品光声信号输入计算机，计算机将光声信号进行滤波和傅里叶变换处理，根据实验条件提取光声信号频域信息，构建前向投影算子和测量矩阵，计算机基于快速稀疏算法对信号重建成像。本发明专利技术具有信号采集时间短，重建速度快，操作方便，适应性和扩展性好等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光声断层成像(Photoacoustic Tomography,简称PAT)技术,尤其涉及一种基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置及方法。
技术介绍
光声成像技术是新发展起来的一种非入侵式和非电离式的医学成像技术，近年来获得迅速发展，并成为当今国际研究的前沿热点课题。光声信号的产生是复合媒介间能量转换的过程，它结合了纯光学成像具有的无损伤性、高选择激发特性和纯超声成像具有的低衰减、高穿透特性，能够在一定的深度下获得高的图像分辨率和对比度，图像传递的信息 量大，可以提供形态及功能信息。光声成像技术目前已在生物组织成像中得到广泛应用，如肿瘤检测、血管成像、脑功能成像等相关研究。基于光声效应，短脉冲激光入射到成像样品，局部组织吸收光能产生热膨胀向四周辐射超声波，通过超声换能器在不同位置扫描并采集光声信号，不同位置的吸收体经过算法能被重建出来。在光声成像中，装置的成本主要取决于设备的复杂程度，而成像质量和成像速度则取决于是重建算法。现有单元探测器光声成像主要采用圆周多点采集信号的方式，装置扫描时间长，相应的重建算法有反卷积、相控聚焦、逆Radon变换、迭代重建算法等，但准确重建需要的数据量大且算法复杂度高，因此简化信号采集和高效重建算法是应用光声成像的关键。
技术实现思路
(一 )要解决的技术问题本专利技术目的在于克服现有技术的缺点，提供一种低成本、操作简单、快速扫描和精确成像的基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置及方法，以基于有限角度扫描的欠采样数据和快速稀疏算法准确重建原始图像。( 二 )技术方案为达到上述目的，本专利技术提供了如下技术方案一种基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置，该光声断层成像装置包括脉冲激光器I ;由反射镜2-1、镜筒2-2、凹面镜2-3和毛玻璃2-4构成的光路处理装置2 ;由超声探测器3-1、超声放大器3-2和A/D转换器3-3构成的信号采集装置3 ;数字示波器4 ；计算机5 ;由电机控制器6-1、平移台6-2和旋转台6-3构成的三维平移旋转台6 ;样品池7 ;样品支架8 ;以及成像样品9 ;其中，脉冲激光器I、光路处理装置2、信号采集装置3、数字示波器4、计算机5和三维平移旋转台6依次连接，超声探测器3-1采集到的光声信号经过脉冲放大后，传输到A/D转换器3-3的输入端，最后传输到数字示波器4，数字示波器4与脉冲激光器I电气相连，用于控制信号的激发和采集；数字示波器4将处理信号传输到计算机5，计算机5用于所述电机控制器6-1和数字示波器4信号采集的同步控制，并对每个探测位置采集信号频谱分析，存储光声信号的部分频率信息，通过对圆弧上有限角度位置信号采集，构建前向投影算子，基于快速稀疏算法对信号重建，获得成像物体的光声断层成像。上述方案中，所述超声探测器3-1通过架杆连接于旋转台6-3，旋转台6-3和超声探测器3-1作为整体通过支架连接于平移台6-2，电机控制器6-1控制旋转台6-3的旋转角度和平移台6-2的位移，并控制超声探测器3-1的旋转和平移。上述方案中，所述计算机5通过USB接口分别连接数字示波器4和电机控制器6-1，用于控制信号采集和超声探测器3-1的位置旋转。上述方案中，所述脉冲激光器I选用倍频的Q-Switched Nd: YAG脉冲激光器,波长为532nm-1064nm，脉冲宽度为6. 5ns，重复频率10Hz，脉冲激光器I发出的脉冲激光入射到成像物体产生声信号。上述方案中，所述光路处理装置2中，反光镜2-1和镜筒2-2分别固定于同一支架 上，反光镜2-1和脉冲激光之间夹角为45度；凹透镜2-3和毛玻璃2-4通过半封闭圆环固定在镜筒2-2上，通过调节镜筒的高度来控制照射到成像物体光斑的大小，满足脉冲激光照射样品需求的同时保证超声探测器3-1实现任意角度无障碍扫描。上述方案中，所述信号采集装置3中，超声探测器3-1为单阵元超声探测器3-1，超声探测器3-1通过支架连接到旋转台6-3，所述探测器3-1在成像物体水平切面内垂直旋转成像样品9，在圆弧上有限位置采集成像样品9光声信号。所述信号采集装置3灵敏度为950mv/Pa，频率带宽为200KHz_15MHz，探针的直径为1mm。上述方案中，所述数字示波器4选用混合信号示波器，具有350MHz的带宽，最高可达2. 5GS/s的取样速率，在所有通道上实现20M样点的记录长度。上述方案中，所述三维平移旋转台6中，电机控制器6-1控制平移台6-2和旋转台6-3的旋转，能完成对成像物体的竖直扫描和弧形扫描。所述平移台6-2ETSP200最大行程为200mm，重复定位精度3 u m ;所述旋转台6-3ERSP100重复定位精度为0. 005度，分辨率为0. 00125 度。—种基于有限角度扫描的快速光声断层成像方法，应用于所述的快速光声断层成像装置，该方法通过对圆弧上不同位置采集的光声信号进行滤波处理再作傅里叶变换，通过频谱分析，随机提取信号主要频率所对应的频窗中的频率成分，具体包括步骤SI :根据超声探测器的脉冲响应和重建图像的离散网格，建立有限角度位置的光声信号对应的前向投影算子K ；步骤S2 :将重建图像向量化为X，采用小波矩阵O稀疏表示，图像重建变换为求解图像的小波基空间系数e ；步骤S3 :组建观测矩阵A = KO，选取基于欠采样的TVL1-L2范数的快速稀疏算法，求解稀疏系数的最优解步骤S4 :采用小波反变换算法，将所述重建稀疏系数^转换为原始样品的重建图像向量X。上述方案中，步骤SI中所述前向投影算子K仅与探测器类型和重建图像的精度有关，不受采集信号的影响。上述方案中，步骤S2中所述变换充分考虑了图像在小波域的稀疏性。上述方案中，步骤S3中所述采用基于欠采样的TVL1-L2范数的快速稀疏算法，求解稀疏系数的最优解^的过程为步骤S31 :根据采集信号的统计性质设置正则化参数，并根据噪声水平确定迭代终止条件，设置初始解为零向量；步骤S32 :将图像X的全变分Dx G R2降低维数处理，用任意的向量w G R2逼近，基于L1-L2范数的TV正则化模型可转化为性能更优的新模型min E 4>2(w, Dx) + a E j (z, 0 ) + A F (x, f)；步骤S33 :根据第i-1 (i = 2, 3,…)步优化图像X^1,计算向量Wi和稀疏系数向量0 i，采用交替优化算法计算图像Xi ;步骤S34 :根据步骤S31中的迭代终止条件，判断当前图像是否达到终止要求，如果没有则返回步骤S33继续迭代。上述方案中，步骤S4中所述采用小波反变换算法，将所述重建稀疏系数^转换为 原始样品的重建图像向量X，具体包括步骤S41 :根据步骤S3的迭代条件，判断整个求解过程是否达到终止迭代条件，满足则输出小波域稀疏解g;步骤S42 :对步骤S2中所采用小波投影矩阵O，求逆变换①―1 ；步骤S43 :根据步骤S41所得小波域稀疏解^和步骤S42所得逆变换O—1，求取原始样品的重建图像X。(三)有益效果本专利技术与现有技术相比具有如下优点I、本专利技术提供的快速光声断层成像装置及方法，采用装置模块化结构设计，可靠性好，硬件成本低；信号采集和图像重建完全由计算机控制，操作简单，使用方便。2、本专利技术提供的快速光声断层成像装置本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置，其特征在于，该光声断层成像装置包括：脉冲激光器(1)；由反射镜(2？1)、镜筒(2？2)、凹面镜(2？3)和毛玻璃(2？4)构成的光路处理装置(2)；由超声探测器(3？1)、超声放大器(3？2)和A/D转换器(3？3)构成的信号采集装置(3)；数字示波器(4)；计算机(5)；由电机控制器(6？1)、平移台(6？2)和旋转台(6？3)构成的三维平移旋转台(6)；样品池(7)；样品支架(8)；以及成像样品(9)；其中，脉冲激光器(1)、光路处理装置(2)、信号采集装置(3)、数字示波器(4)、计算机(5)和三维平移旋转台(6)依次连接，超声探测器(3？1)采集到的光声信号经过放大后，传输到A/D转换器(3？3)的输入端，最后传输到数字示波器(4)，数字示波器(4)与脉冲激光器(1)电气相连，用于控制信号的激发和采集；数字示波器(4)将数字信号传输到计算机(5)，计算机(5)用于所述电机控制器(6？1)和数字示波器(4)信号采集的同步控制，并对每个探测位置采集信号频谱分析，存储光声信号的部分频率信息，通过对圆弧上有限角度位置信号采集，构建前向投影算子，基于快速稀疏算法对信号重建，获得成像物体的光声断层成像。...

【技术特征摘要】
1.一种基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置，其特征在于，该光声断层成像装置包括脉冲激光器(I);由反射镜(2-1)、镜筒(2-2)、凹面镜(2-3)和毛玻璃(2-4)构成的光路处理装置(2);由超声探测器(3-1)、超声放大器(3-2)和A/D转换器(3-3)构成的信号采集装置(3);数字示波器(4);计算机(5);由电机控制器(6-1)、平移台(6-2)和旋转台￠-3)构成的三维平移旋转台(6);样品池(7);样品支架⑶；以及成像样品(9)； 其中，脉冲激光器(I)、光路处理装置(2)、信号采集装置(3)、数字示波器(4)、计算机(5)和三维平移旋转台(6)依次连接，超声探测器(3-1)采集到的光声信号经过放大后，传输到A/D转换器(3-3)的输入端，最 后传输到数字示波器(4)，数字示波器(4)与脉冲激光器(I)电气相连，用于控制信号的激发和采集；数字示波器(4)将数字信号传输到计算机(5)，计算机(5)用于所述电机控制器(6-1)和数字示波器(4)信号采集的同步控制，并对每个探测位置采集信号频谱分析，存储光声信号的部分频率信息，通过对圆弧上有限角度位置信号采集，构建前向投影算子，基于快速稀疏算法对信号重建，获得成像物体的光声断层成像。2.根据权利要求I所述的基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置，其特征在于，所述超声探测器(3-1)通过架杆连接于旋转台￠-3)，旋转台(6-3)和超声探测器(3-1)作为整体通过支架连接于平移台(6-2)，电机控制器(6-1)控制旋转台(6-3)的旋转角度和平移台(6-2)的位移，并控制超声探测器(3-1)的旋转和平移。3.根据权利要求I所述的基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置，其特征在于，所述计算机(5)通过USB接口分别连接数字示波器(4)和电机控制器￠-1)，用于控制信号采集和超声探测器(3-1)的位置旋转。4.根据权利要求I所述的基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置，其特征在于，所述脉冲激光器(I)选用倍频的Q-Switched Nd: YAG脉冲激光器,波长为532nm-1064nm,脉冲宽度为6. 5ns，重复频率10Hz，脉冲激光器(I)发出的脉冲激光入射到成像物体产生声信号。5.根据权利要求I所述的基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置，其特征在于，所述光路处理装置(2)中，反光镜(2-1)和镜筒(2-2)分别固定于同一支架上，反光镜(2-1)和脉冲激光之间夹角为45度；凹透镜(2-3)和毛玻璃(2-4)通过半封闭圆环固定在镜筒(2-2)上，通过调节镜筒的高度来控制照射到成像物体光斑的大小，满足脉冲激光照射样品需求的同时保证超声探测器(3-1)实现任意角度无障碍扫描。6.根据权利要求I所述的基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置，其特征在于，所述信号采集装置(3)中，超声探测器(3-1)为单阵元超声探测器(3-1)，超声探测器(3-1)通过支架连接到旋转台￠-3)，所述探测器(3-1)在成像物体水平切面内垂直旋转成像样品(9)，在圆弧上有限位置采集成像样品(9)光声信号。7.根据权利要求6所述的基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置，其特征在于，所述信号采集装置(3)灵敏度为950mv/Pa，频率带宽为200ΚΗζ_15ΜΗζ，探针的直径为1mm。8.根据权利要求I所述的基于有限角度扫描的快速光声断...

【专利技术属性】
技术研发人员：田捷，刘学彦，彭冬，马喜波，杨鑫，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：