一种光声双模成像系统及其成像方法技术方案

本发明专利技术公开了一种光声双模成像系统及其成像方法。本发明专利技术巧妙设计容器的形状，容器的一个侧壁为竖直平面作为光学窗口面，另一部分的侧壁为圆柱体的部分侧壁作为光声接收侧壁，超声探测阵列采用部分环形，设置在光声接收侧壁的顶部；荧光激发光从光学窗口面进入至容器内照射成像物体产生荧光，同时脉冲激光器发出脉冲激光形成圆环形的光束照射在成像物体上，产生光声信号由超声探测阵列接收，从而同步获得荧光图像和光声图像；本发明专利技术基于这种巧妙的结构设计，能够实时的进行光声断层成像和荧光成像，并且能够实现采集双模图像的帧同步。并且能够实现采集双模图像的帧同步。并且能够实现采集双模图像的帧同步。

【技术实现步骤摘要】
一种光声双模成像系统及其成像方法


[0001]本专利技术涉及样品成像技术，具体涉及一种光声双模成像系统及其成像方法。

技术介绍

[0002]光声成像是本世纪发展起来的一种强大的混合成像方法，它结合光学的高对比度和超声探测的穿透性与分辨率，有效地克服了高分辨率光学成像在活体散射介质中成像深度的桎梏。该方法可以利用活体组织中内源性组织成分(如血红蛋白、转基因表达的特定蛋白等)或外源性造影剂(染料或纳米粒子)吸收漫散射的光子，局部组织温度瞬时升高(千分之几度范围)通过热弹性膨胀产生向外传播的超声波，再结合超声探测和重建方法获得吸收体的定量和定位信息。该方法继承了光学成像的安全性和高对比度，又保留了超声成像的穿透深度。正是由于这些特点和优势，光声成像在小动物成像和临床应用上都取得了巨大进展。
[0003]光声信号原理：物体吸收电磁辐射能量，吸收的能量转化为热量导致物体的温度升高，发生热膨胀，并在介质中产生声压。光声成像的主要实现方式包括两大类：光声显微成像(PAM)和光声计算层析成像(PACT)。其中光声显微成像类似于基于空间扫描的光学显微成像，同样受限于组织光散射，其成像研究对象主要是表皮层的循环系统(血氧饱和度、流速等)进行高分辨的无标记成像。而深层成像则基于光声计算层析成像(PACT)。PACT使用超声阵列采集光声信号,利用计算机算法进行图像重建，从而实现深层组织的PACT成像。一般采用红色或近红外的脉冲激光照射，且能量低于安全阈值，成像过程完全可以不损伤组织。
[0004]荧光成像可以提供深入光学扩散区域的高分辨率光学图像。同时，荧光成像由于其高灵敏度和高特异性的优点，在生命科学和医学研究领域的活体动物研究中发挥着重要作用。基于不同的光学对比机制，荧光成像和光声成像可以相互提供重要的互补信息。荧光成像原理：荧光物质在受到能量(光能等)激发后，原子核周围的电子从基态能级跃迁到能量较高的激发态，激发态的电子处于高能量状态，不稳定，通常会通过非辐射跃迁的方式快速降落在最低振动能级，随后由最低振动能级回到基态，以光子辐射的形式释放出能量，具有这种性质的出射光称为荧光。在实际应用中，同一种荧光物质有对应的激发光频率和发射光频率。通常选用对应激发光频率的窄带光源产生激发光照射荧光物质，用发射光频率对应的窄带滤光片滤除杂光，并用相机进行采集。
[0005]中国专利“一种集成光声与荧光双模态的成像系统及成像方法”(公开号CN101785662A)公开一种光声显微成像(PAM)技术和荧光成像技术融合系统通过扫描光路系统，将光声显微成像子系统和荧光显微成像子系统集成于一体；但是，此申请中的光声成像子系统是一种光声显微成像(PAM)技术,受限于组织光散射限制，其成像深度较浅，大约几毫米，只能看到组织表层信号，无法达到断层成像的效果。光声显微成像技术和荧光成像采用逐点扫描的方法进行成像，采集一幅图像时间较长，至少几秒钟。尤其，在活体实验成像过程中，呼吸和心跳运动伪影的影响会导致成像分辨率明显下降。
[0006]中国专利“光声与荧光双模一体断层成像系统及成像方法”(公开号CN102499645A)中，通过采集64阵元空气耦合超声换能阵列接收光声信号，对成像对象进行旋转，以完成多角度数据采集。通过振镜改变激光在成像对象上的激发位置，实现光声成像；但是，此申请中的光声采集采用64阵元线性空气耦合超声换能阵列，其接收角度有限，需要对成像对象进行360度旋转扫描。而且每次旋转扫描需要改变激光在成像对象上的激发位置，多次360度数据采集才能完成一次成像，导致其成像时间较长，并且不具有实时光声成像能力。
[0007]中国专利“单脉冲全景光声计算机断层成像(SIP
‑
PACT)”(公开号CN110291390A)公开了一种用于小动物全身成像的单脉冲全景光声计算机断层成像(SIP
‑
PACT)系统，包括512阵元全环形超声换能器阵列，该系统具有实时光声断层成像能力；虽然采用全环形超声换能器阵列，具有实时光声断层成像能力，但是全环形的超声阵列会遮挡荧光成像视野，因此只能实现单一的光声成像而无法同时结合荧光成像。

技术实现思路

[0008]针对以上现有技术存在的问题，本专利技术提出了一种光声双模成像系统及其成像方法，用于对成像物体的光声断层和荧光同时实时成像。
[0009]本专利技术的一个目的在于提出一种光声双模成像系统。
[0010]本专利技术的光声双模成像系统包括：超声探测阵列、容器、导声液体、荧光激发光源、传导光纤、滤光片、相机、脉冲激光器、固定装置、位移装置、一分N光纤束、多通道采集器、光电探测器和计算机；其中，
[0011]容器为不具有上底面且具有下底面的内部中空的壳体；容器的内部盛放有导声液体，成像物体放置在容器内；容器的一个侧壁为竖直平面作为光学窗口面，采用透光的材料，用于光学信号的传递；光学窗口面的宽度不小于成像物体的宽度；另一部分的侧壁为圆柱体的部分侧壁作为光声接收侧壁，光声接收侧壁所占圆柱体的侧壁部分不小于1/4且不大于3/4；
[0012]超声探测阵列包括M个相同的竖直方向聚焦的条形超声换能器，M为≥32的自然数；M个超声换能器均匀排布在水平平面上一个部分圆上，构成部分环形；环形角度占比不小于1/4圆周且不大于3/4圆周，且与容器的光声接收侧壁的占比一致；超声探测阵列连接至多通道采集器的输入端，每一个超声换能器分别连接至多通道采集器的一个独立的通道；多通道采集器的输出端连接至计算机；超声探测阵列固定放置在固定装置上，固定装置密封设置在容器的光声接收侧壁的顶部，超声探测阵列的接收面与容器内的导声液体完全接触；
[0013]荧光激发光源连接至传导光纤的输入端，传导光纤的输出端正对容器的光学窗口面；相机透过光学窗口面采集荧光信号；相机的镜头前设置滤光片；相机通过图像信号线连接至计算机；
[0014]脉冲激光器连接至一分N光纤束的输入端，一分N光纤束的N个输出端的中心均匀分布在同一个圆上，且位于容器之上，N≥4；N个输出端输出的光照在成像物体上所呈现的水平圆形光环与超声探测阵列的竖直方向聚焦点在一个水平面上；
[0015]光电探测器的感光面侧对光学窗口面，朝向成像物体；光电探测器通过一分二触
发线分别连接至多通道采集器和相机；
[0016]荧光激发光源发出荧光激发光，通过传导光纤透过容器的光学窗口面照射到位于容器内的成像物体上，激发成像物体产生荧光信号，荧光信号透过容器的光学窗口面，通过滤光片去除杂光，相机实时采集荧光信号生成荧光图像，通过图像信号线将荧光图像传输至计算机；
[0017]脉冲激光器发出脉冲激光，脉冲激光通过一分N光纤束的N个输出端，形成水平圆环形光环，水平圆环形光环均匀地照射在成像物体上，产生光声信号，光声信号通过导声液体，由超声探测阵列接收；光声信号被多通道采集器采集，并在计算机上实时重建，得到光声图像；
[0018]当脉冲激光器发出一束脉冲激光时，光电探测器探测到脉冲激光，并发出电脉冲触发信号，同步本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光声双模成像系统，其特征在于，所述光声双模成像系统包括：超声探测阵列、容器、导声液体、荧光激发光源、传导光纤、滤光片、相机、脉冲激光器、固定装置、位移装置、一分N光纤束、多通道采集器、光电探测器和计算机；其中，容器为不具有上底面且具有下底面的内部中空的壳体；容器的内部盛放有导声液体，成像物体放置在容器内；容器的一个侧壁为竖直平面作为光学窗口面，采用透光的材料，用于光学信号的传递；光学窗口面的宽度不小于成像物体的宽度；另一部分的侧壁为圆柱体的部分侧壁作为光声接收侧壁，光声接收侧壁所占圆柱体的侧壁部分不小于1/4且不大于3/4；超声探测阵列包括M个相同的竖直方向聚焦的条形超声换能器，M为≥32的自然数；M个超声换能器均匀排布在水平平面上一个部分圆上，构成部分环形；环形角度占比不小于1/4圆周且不大于3/4圆周，且与容器的光声接收侧壁的占比一致；超声探测阵列连接至多通道采集器的输入端，每一个超声换能器分别连接至多通道采集器的一个独立的通道；多通道采集器的输出端连接至计算机；超声探测阵列固定放置在固定装置上，固定装置密封设置在容器的光声接收侧壁的顶部，超声探测阵列的接收面与容器内的导声液体完全接触；荧光激发光源连接至传导光纤的输入端，传导光纤的输出端正对容器的光学窗口面；相机透过光学窗口面采集荧光信号；相机的镜头前设置滤光片；相机通过图像信号线连接至计算机；脉冲激光器连接至一分N光纤束的输入端，一分N光纤束的N个输出端的中心均匀分布在同一个圆上，且位于容器之上，N为≥4的自然数；N个输出端输出的光照在成像物体上所呈现的水平圆形光环与超声探测阵列的竖直方向聚焦点在一个水平面上；光电探测器的感光面侧对光学窗口面，朝向成像物体；光电探测器通过一分二触发线分别连接至多通道采集器和相机；荧光激发光源发出荧光激发光，通过传导光纤透过容器的光学窗口面照射到位于容器内的成像物体上，激发成像物体产生荧光信号，荧光信号透过容器的光学窗口面，通过滤光片去除杂光，相机实时采集荧光信号生成荧光图像，通过图像信号线将荧光图像传输至计算机；脉冲激光器发出脉冲激光，脉冲激光通过一分N光纤束的N个输出端，形成水平圆环形光环，水平圆环形光环均匀地照射在成像物体上，产生光声信号，光声信号通过导声液体，由超声探测阵列接收；光声信号被多通道采集器采集，并在计算机上实时重建，得到光声图像；当脉冲激光器发出一束脉冲激光时，光电探测器探测到脉冲激光，并发出电脉冲触发信号，同步触发多通道采集器和相机，触发同步采集光声信号和荧光信号，从而在计算机上实时且同步获得荧光图像和光声图像。2.如权利要求1所述的光声双模成像系统，其特征在于，还包括位移装置，所述位移装置包括长程的竖直平移台和成像物体固定件，竖直平移台设置在固定装置的外侧上，在竖直平移台上设置成像物体固定件，成像物体固定件的底部浸入容器内导声液体，成像物体放置在浸入导声液体的成像物体固定件上，位移装置能够带动成像物体在竖直方向上做一维移动。3.如权利要求1所述的光声双模成像系统，其特征在于，还包括控温装置，所述容器连
接至控温装置，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李长辉，孙宇，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：