一种基于声学散射透镜的光声断层成像装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于声学散射透镜的光声断层成像装置；包括四个相同的散射透镜装置和脉冲激光器；脉冲激光器用于发射脉冲激光束照射成像目标激发光声信号；四个散射透镜装置的成像区域ROI重合,成像区域ROI为正方体空间；四个散射透镜装置互成90

【技术实现步骤摘要】
一种基于声学散射透镜的光声断层成像装置及方法


[0001]本专利技术涉及超声成像
，具体涉及一种基于声学散射透镜的光声断层成像装置及方法
[0002]光声断层成像(PAT,Photoacoustic Tomography)是一种基于光声效应的新型非侵入式生物医学成像方法，其具有光学成像对比度高以及声学成像可在深层组织获得高分辨率的特点。PAT成像过程中，首先利用非聚焦脉冲激光束照射待生物组织，生物组织中的光吸收体吸收了光波能量后由于热胀冷缩效应激发出超声波并向周边传播，该超声波即为光声信号；随后，布置在组织周边的超声换能器接收超声波，上位机通过特定的重构算法形成生物组织内部光吸收系数分布图像。PAT本质上是光学成像，但光学参量的载体是超声波，它打破了光学散射对成像深度的约束，可以在5
‑
6cm的成像深度获得良好的声学空间分辨率。近年来，PAT在诸多医学领域展现出了广阔的应用前景，如：肿瘤诊断、血管疾病诊断、小动物全身成像、关节炎诊断、药物输运监测以及其他各类医学应用。
[0003]早期的PAT系统大多采用单换能器单通道的硬件配置，其利用步进电机带动换能器沿预先设定的轨道移动，利用合成孔径原理达到阵列成像的效果，这种方式存在鲁棒性较差，扫描时间过长等缺点，难以适应当今临床领域的快速成像需求。多通道PAT系统具有实时性好的优点，近年来，针对多通道PAT系统开展了相关研究并取得了系列进展。然而，多通道系统成本高昂的缺点始终是制约PAT大范围应用的重要因素。为减少换能器及通道数量，国内外学者提出了基于声学透镜的PAT、基于声学腔穴的PAT等方法，但这些方法亦存在器件需要特殊材质制作、加工难度大、鲁棒性较差等问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于声学散射透镜的光声断层成像装置及方法，以解决上述技术问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术所述的一种基于声学散射透镜的光声断层成像装置；包括四个相同的散射透镜装置和脉冲激光器；脉冲激光器用于发射脉冲激光束照射成像目标激发光声信号；四个散射透镜装置的成像区域ROI重合,成像区域ROI为正方体空间；四个散射透镜装置互成90
°
角并对成像区域ROI在x
‑
y平面上进行全包围；
[0006]散射透镜装置包括单侧开口的矩形金属腔体、散射透镜和换能器；散射透镜靠近金属腔体的开口侧；换能器固定在金属腔体开口侧对面的侧板外侧；金属腔体开口侧对面的侧板中心位置上开设有开孔，换能器的发射端面正对开孔，发射端面与开孔所在的侧板处于同一平面；所述散射透镜包括多个呈矩形阵列分布的散射体；散射体由钢柱和多个钢球组成，钢柱竖直固定在金属腔体的顶板和底板之间；钢球等间距分布在钢柱上；换能器的发射端面、散射透镜以及成像区域RO1三者的中心位于一条直线上；四个散射透镜装置的换能器通过数据采集系统连接上位机。
[0007]进一步地，所述换能器为声透镜接收换能器。
[0008]声透镜接收换能器为中心频率为f0的宽带非聚焦换能器；中心频率f0优选的为3
‑
5MHz。
[0009]作为本专利技术的其中一个实施例，单根散射体的钢柱直径为0.8mm，长度为60mm；钢球的直径为2mm，沿钢柱的分布间距为2mm；钢柱以间隔2mm等间距排列成4
×
15的矩形阵列，金属腔体呈正方体，其在x
‑
y
‑
z方向上的尺寸均为60mm；成像区域ROI的尺寸为30mm
×
30mm
×
30mm，换能器的中心点到成像区域ROI的中心点的距离为90mm。
[0010]一种基于声学散射透镜的光声断层成像方法；包括以下步骤：
[0011]S1：测量散射透镜装置的自由空间格林函数：在成像区域ROI远离散射透镜装置的一侧放置超声平面阵列；换能器的发射端面、散射透镜、成像区域ROI和超声平面阵列的中心位于一条直线上；所述超声平面阵列的中心频率和换能器的中心频率相同；
[0012]S2:建立三维直角坐标系，标定成像区域ROI的中心点坐标为(0mm,0mm,0mm)，以换能器和超声平面阵列的中心连线为x轴；垂直于x轴，且平行于成像区域ROI底面的直线为y轴；垂直于成像区域ROI底面的方向为Z轴；超声平面阵列所在平面平行于y
‑
z平面；标定换能器和超声平面阵列中心的位置坐标；确定成像区域ROI的图像像素点R后,在水槽水浸环境中，利用超声测量及特定算法，确定成像区域ROI内各像素点R至换能器的自由空间格林函数；
[0013]S3：搭建成像装置；
[0014]S4：在成像区域ROI内z＝0的平面上放置标准样品，进行成像，并与标准样品的实际光学图像对比校正，确定有效信号长度T
e
；
[0015]S5:将测试样品放置在成像区域ROI内，使用非聚焦、脉宽为纳秒级的脉冲激光束照射测试样品，激发光声信号，换能器捕捉信号并经数据采集系统送至上位机，通过三维时间反转算法计算出成像区域ROI内任一像素点R的相对光吸收系数，进一步可获得断层光声图像或者立体光声图像。
[0016]进一步地，S2中，所述特定算法如下：将成像区域ROI的像素点数设为N
×
N
×
N，N为奇数，成像区域ROI内各像素点R的坐标记为R
1,1,1
,R
1,1,2
……
R
N,N,N
；超声平面阵列上的各探测单元坐标记为r
i,j
；换能器的空间坐标记为r
t
；令换能器向超声平面阵列发射波形为s(t)，中心频率为f0的宽带脉冲信号，其频域形式为S(ω)，空间坐标为r
i,j
的探测单元接收到的宽带脉冲信号的幅值归一化形式记为u
i,j
(t)；
[0017]通过公式(1)计算成像区域ROI内任一像素点R至r
t
的自由空间格林函数G(R,r
t
,t)的频域形式G(R,r
t
,ω)：
[0018][0019]公式(1)中，U
i,j
(ω)是u
i,j
(t)的频域形式，F(ω)＝S
*
(ω),G(R,r
i,j
,ω)为成像区域ROI内任一像素点R至r
i,j
的自由空间格林函数G(R,r
i,j
,t)的频域形式，上标
*
表示共轭，ρ为介质密度，c为介质中的声速，k
i,j
为权重系数；
[0020]通过公式(2)计算成像区域ROI内任一像素点R至r
i,j
的自由空间格林函数G(R,r
i,j
,t)；
[0021]G(R,r
i,j
,t)＝δ(t
‑
|r
i,j
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于声学散射透镜的光声断层成像装置；其特征在于，包括四个相同的散射透镜装置和脉冲激光器；脉冲激光器用于发射脉冲激光束照射成像目标激发光声信号；四个散射透镜装置的成像区域ROI重合,成像区域ROI为正方体空间；四个散射透镜装置互成90
°
角并对成像区域ROI在x
‑
y平面上进行全包围；散射透镜装置包括单侧开口的矩形金属腔体、散射透镜和换能器；散射透镜靠近金属腔体的开口侧；换能器固定在金属腔体开口侧对面的侧板外侧；金属腔体开口侧对面的侧板中心位置上开设有开孔，换能器的发射端面正对开孔，发射端面与开孔所在的侧板处于同一平面；所述散射透镜包括多个呈矩形阵列分布的散射体；散射体由钢柱和多个钢球组成，钢柱竖直固定在金属腔体的顶板和底板之间；钢球等间距分布在钢柱上；换能器的发射端面、散射透镜以及成像区域RO1三者的中心位于一条直线上；四个散射透镜装置的换能器通过数据采集系统连接上位机。2.根据权利要求1所述的一种基于声学散射透镜的光声断层成像装置；其特征在于，所述换能器为声透镜接收换能器。3.根据权利要求2所述的一种基于声学散射透镜的光声断层成像装置；其特征在于，所述声透镜接收换能器为中心频率为f0的宽带非聚焦换能器；中心频率f0为3
‑
5MHz。4.根据权利要求2所述的一种基于声学散射透镜的光声断层成像装置；其特征在于，单根散射体的钢柱直径为0.8mm，长度为60mm；钢球的直径为2mm，沿钢柱的分布间距为2mm；钢柱以间隔2mm等间距排列成4
×
15的矩形阵列，金属腔体呈正方体，其在x
‑
y
‑
z方向上的尺寸均为60mm；成像区域ROI的尺寸为30mm
×
30mm
×
30mm，换能器的中心点到成像区域ROI的中心点的距离为90mm。5.一种基于声学散射透镜的光声断层成像方法；其特征在于，包括以下步骤：S1：测量散射透镜装置的自由空间格林函数：在成像区域ROI远离散射透镜装置的一侧放置超声平面阵列；换能器的发射端面、散射透镜、成像区域ROI和超声平面阵列的中心位于一条直线上；所述超声平面阵列的中心频率和换能器的中心频率相同；S2:建立三维直角坐标系，标定成像区域ROI的中心点坐标为(0mm,0mm,0mm)，以换能器和超声平面阵列的中心连线为x轴；垂直于x轴，且平行于成像区域ROI底面的直线为y轴；垂直于成像区域ROI底面的方向为Z轴；超声平面阵列所在平面平行于y
‑
z平面；标定换能器和超声平面阵列中心的位置坐标；确定成像区域ROI的图像像素点R后,在水槽水浸环境中，利用超声测量及特定算法，确定成像区域ROI内各像素点R至换能器的自由空间格林函数；S3：搭建成像装置；S4：在成像区域ROI内z＝0的平面上放置标准样品，进行成像，并与标准样品的实际光学图像对比校正，确定有效信号长度T
e
；S5:将测试样品放置在成像区域ROI内，使用非聚焦、脉宽为纳秒级的脉冲激光束照射测试样品，激发光声信号，换能器捕捉信号并经数据采集系统送至上位机，通过三维时间反转算法计算出成像区域ROI内任一像素点R的相对光吸收系数，进一步可获得断层光声图像或者立体光声图像。6.根据权利要求5所述的一种基于声学散射透镜的光声断层成像方法；其特征在于，S2中，所述特定算法如下：将成像区域ROI的像素点数设为N
×
N
×
N，N为奇数，成像区域ROI内各像素点R的坐标记为R
1,1,1
,R
1,1,2
……
R
N,N,N
；超声平面阵列上的各探测单元坐标记为r
i,j
；
换能器的空间坐标记为r
t
；令换能器向超声平面阵列发射波形为s(t)，中心频率为f0的宽带脉冲信号，其频域形式为S(ω)，空间坐标为r
i,j
的探测单元接收到的宽带脉冲信号的幅值归一化形式记为u
i,j
(t)；通过公式(1)计算成像区域ROI内任一像素点R至r
t
的自由空间格林函数G(R,r
t
,t)的频域形式G(R,r
t
,ω)：公式(1)中，U
i,j
(ω)是u
i,j
(t)的频域形式，F(ω)＝S
*
(ω),G(R,r
i,j
,ω)为成像区...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷杰，何君君，谢敏，刘广东，马倩倩，
申请(专利权)人：南京科技职业学院，
类型：发明
国别省市：