專利名稱：基于聲透鏡與偏振檢測(cè)的實(shí)時(shí)光聲成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光聲成像技術(shù)，具體是基于聲透鏡與偏振檢測(cè)的實(shí)時(shí)光聲成像方法。
本發(fā)明還涉及所述方法使用的裝置。
背景技術(shù)：
用光學(xué)成像技術(shù)結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)的光電探測(cè)技術(shù)，對(duì)生物組織進(jìn)行非侵入性層析成像的研究，一直是光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)及其交叉學(xué)科的研究熱點(diǎn)，如光學(xué)相干層析成像技術(shù)(OCT)，光學(xué)超快時(shí)間分辯層析成像技術(shù)以及光子密度波成像技術(shù)等。而光聲層析成像技術(shù)(OACT)則是一種潛力很大而且應(yīng)用前景非常誘人的光學(xué)層析成像技術(shù)，因?yàn)镺ACT是采用“光吸收—激發(fā)光聲信號(hào)—光聲成像”的方法進(jìn)行成像，它具有許多潛在的優(yōu)勢(shì)，第一，OACT是利用生物組織產(chǎn)生的光聲信號(hào)進(jìn)行成像，由于光聲信號(hào)與生物組織的光學(xué)性質(zhì)(如光譜吸收系數(shù)、非輻射弛豫量子效率等)和力學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)(如彈性系數(shù)、粘-彈性系數(shù)、粘滯系數(shù)、熱傳導(dǎo)率、比熱和密度等)等特性有關(guān)，而超聲波成像僅僅是依賴局部聲阻抗的差異來(lái)成像，因此，光聲信號(hào)所攜帶的信息量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于超聲波所攜帶的信息量，可以獲得更多有科學(xué)價(jià)值和醫(yī)療診斷價(jià)值的信息，實(shí)現(xiàn)生物功能差異的成像；第二，由于不同生物組織之間(如血管與周圍的組織)所產(chǎn)生的光聲信號(hào)的差異遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聲阻抗的差異，因此，光聲圖像的分辨率和對(duì)比度可望有較大的提高。近年來(lái)，光聲成像技術(shù)用于生物組織的成像研究已取得很大進(jìn)展。目前已經(jīng)有相控聚焦探測(cè)的光聲斷層成像、基于逆拉普拉斯變換的層析方法、Radon變換的光聲成像方法等，這些探測(cè)方法都需要使用重建算法重建原物光聲圖樣，由于算法本身要求進(jìn)行掃描或數(shù)據(jù)平均，耗時(shí)較長(zhǎng)，這不能實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)組織變化。所以實(shí)時(shí)的獲得生物組織層析圖像是該技術(shù)走向使用的關(guān)鍵問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種對(duì)生物組織高分辨率、非侵入性和操作比較方便的基于聲透鏡與偏振檢測(cè)的實(shí)時(shí)光聲成像方法。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)基于聲透鏡與偏振檢測(cè)的實(shí)時(shí)光聲成像裝置。
本發(fā)明的方法和裝置可用于生物組織的生長(zhǎng)規(guī)律研究、生物組織的生理變化研究、生物組織的病變研究等方面。
本發(fā)明用聲透鏡把由于光聲效應(yīng)產(chǎn)生的聲壓分布直接成像于像面上，然后在像面上用偏振檢測(cè)的方法把聲壓分布變成相應(yīng)的光強(qiáng)分布，然后用CCD記錄該光強(qiáng)分布，即可實(shí)時(shí)地獲取待測(cè)生物組織的平面圖像。
本發(fā)明的基于聲透鏡與偏振檢測(cè)的實(shí)時(shí)光聲成像方法包括如下步驟(1)脈寬為5～20納秒(ns)的激光器發(fā)出的脈沖激光照射生物組織，在生物組織中產(chǎn)生頻率為兆赫茲(MHz)的超聲，即光聲信號(hào)；(2)用聲透鏡將步驟(1)得到的生物組織中不同層面的超聲波聲壓分布分別成像在像面上；例如腫瘤的光聲信號(hào)就比組織周圍的光聲信號(hào)強(qiáng)；聲透鏡焦深較大，對(duì)一定厚度物體有縱向成像能力；聲透鏡把生物組織的不同層面聲壓分布成像在對(duì)應(yīng)的像面上；(3)在某一像面上用偏振檢測(cè)的方法把聲壓分布變成相應(yīng)的光強(qiáng)分布；本實(shí)驗(yàn)所用氦氖激光器發(fā)出的線偏振光經(jīng)1/4波片變?yōu)閳A偏振光，以一定的入射角入射到鍍有薄膜的玻璃表面上，反射的橢圓偏振光通過(guò)1/4波片變成線偏振光，再經(jīng)偏振方向與它垂直的檢偏器可以進(jìn)行消光；當(dāng)有生物組織產(chǎn)生的光聲信號(hào)入射到薄膜時(shí)，就會(huì)引起薄膜折射率和厚度的變化，繼而引起橢圓偏振態(tài)的變化，通過(guò)系統(tǒng)后則不能滿足消光條件，即可透出光信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了聲場(chǎng)到光場(chǎng)的轉(zhuǎn)變；(4)用CCD記錄該光強(qiáng)分布，即可實(shí)時(shí)獲得清晰的某一層面的組織影像。
本發(fā)明還可以包括步驟(5)，即重復(fù)操作步驟(3)、(4)，獲得生物組織不同層面的組織影像。
所述步驟(1)中，脈沖激光優(yōu)選波長(zhǎng)為450nm～2000nm。
本發(fā)明利用聲透鏡與偏振檢測(cè)方法對(duì)生物組織的實(shí)時(shí)光聲成像裝置由透明柔性橡膠層、光纖、聲透鏡、反射薄膜、1/4波片、檢偏器、CCD、計(jì)算機(jī)構(gòu)成。其中透明柔性橡膠層、光纖、聲透鏡與反射薄膜相對(duì)安裝在一個(gè)圓柱型鋁制腔內(nèi)；光纖通過(guò)一個(gè)連接器與激光器連接組成光源；反射薄膜、1/4波片、檢偏器、CCD組成偏振檢測(cè)系統(tǒng)，最后與計(jì)算機(jī)電氣連接。
其中CCD具有分辨率大、清晰度高、動(dòng)態(tài)范圍廣等特點(diǎn)，適合于醫(yī)學(xué)影像技術(shù)。
計(jì)算機(jī)內(nèi)裝有數(shù)據(jù)處理軟件，用于生物體或組織圖像重建及處理。例如用Microsoft公司的Visual C++ 6.0平臺(tái)開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化圖像采集處理軟件。
所述聲透鏡由鋁材制成。該聲透鏡的位置可調(diào)，可調(diào)范圍滿足幾何光學(xué)成像性質(zhì)，即1u+1v=1f.]]>本基于聲透鏡與偏振檢測(cè)的實(shí)時(shí)光聲成像裝置的工作原理是脈沖激光器發(fā)出的脈沖激光照射在樣品上，樣品產(chǎn)生光聲信號(hào)；產(chǎn)生的光聲信號(hào)經(jīng)耦合介質(zhì)由聲透鏡變換到像面上；在某一像面上用偏振檢測(cè)的方法把聲壓分布變成相應(yīng)的光強(qiáng)分布；用CCD記錄該光強(qiáng)分布，即可實(shí)時(shí)獲得清晰的某一層面的組織影像。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)及效果(1)本發(fā)明裝置是利用光聲信號(hào)進(jìn)行二維成像和層析成像，光聲信號(hào)比傳統(tǒng)的超聲波攜帶有更多的信息，可以實(shí)現(xiàn)生物功能成像。本發(fā)明裝置結(jié)合了超聲在生物組織中具有強(qiáng)的穿透能力及光學(xué)成像的強(qiáng)對(duì)比度的優(yōu)點(diǎn)，不會(huì)對(duì)生物體產(chǎn)生放射性損傷，與傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)影像診斷方法相比具有非侵入性、無(wú)損傷和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。
(2)本發(fā)明裝置使用聲透鏡把生物組織某個(gè)層面由于光聲效應(yīng)激發(fā)的聲壓分布成像于像面上，并把聲壓分布變換成光強(qiáng)分布，用CCD進(jìn)行實(shí)時(shí)成像；并且聲透鏡的成像焦深較大，可以利用時(shí)間上的延時(shí)實(shí)現(xiàn)層析成像。
(3)本發(fā)明裝置使用的反射膜為像元陣列薄膜，它可與CCD互相匹配，并由CCD記錄該光強(qiáng)分布。
(4)本發(fā)明可以獲得聲阻抗相同和相近而光學(xué)參數(shù)不同的待測(cè)樣品的層析圖像；本發(fā)明采用聲透鏡直接對(duì)生物組織層析成像，無(wú)需復(fù)雜的圖像重建算法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物組織的實(shí)時(shí)成像。
(5)本發(fā)明利用了偏振檢測(cè)的方法，可以提高檢測(cè)的靈敏度，從而有效實(shí)現(xiàn)聲壓分布變換成光強(qiáng)分布。
(6)本發(fā)明可以獲得生物組織某一橫向?qū)用娴男畔?，與B超等獲得某一縱向?qū)用嫘畔⒌某上穹绞讲煌?，這與生物組織許多結(jié)構(gòu)的橫向分布是一致的，例如活體內(nèi)血管分布、腫瘤形狀等等，可以為醫(yī)療診斷提供更豐富的信息。
(7)本發(fā)明利用已經(jīng)很成熟的CCD傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)了光聲成像，圖像重建完全由計(jì)算機(jī)控制，裝置的操作較為方便，自動(dòng)化程度高，應(yīng)用前景廣闊。


圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)框圖；圖中1.氦氖激光器 2.脈沖激光器 3.樣品 4.聲透鏡 5.反射薄膜 6.1/4波片 7.檢偏器 8.CCD 9.計(jì)算機(jī)圖2是本發(fā)明方法的聲透鏡部分的層析成像原理圖；圖3是本發(fā)明方法的聲透鏡部分的層析成像光學(xué)等效圖；圖4是本發(fā)明的偏振檢測(cè)方法示意圖；圖5是本發(fā)明方法使用的反射薄膜的結(jié)構(gòu)圖；圖6、7是本發(fā)明方法的聲透鏡單一層面成像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖；其中圖6是埋藏于強(qiáng)散射溶液中的四個(gè)黑膠帶點(diǎn)狀樣品圖；圖7是圖6中樣品的光聲圖像；圖8、9、10是本發(fā)明方法的聲透鏡層析成像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖；其中圖8是埋藏于強(qiáng)散射溶液中的兩層黑膠帶樣品，分別貼在有機(jī)玻璃板前后表面；圖9是圖8中圓圈層對(duì)應(yīng)的光聲圖像；圖10是圖8中三點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光聲圖像。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的敘述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)框圖，由圖1可見(jiàn)，本發(fā)明裝置主要包括1.氦氖激光器 2.脈沖激光器 3.樣品 4.聲透鏡 5.反射薄膜 6. 1/4波片 7.檢偏器 8.CCD 9.計(jì)算機(jī)。選用各構(gòu)件連接組成本裝置，其中激光器1選用氦氖激光器；激光器2選用美國(guó)光譜物理公司生產(chǎn)的MOPO(ModelPRO2230)，可發(fā)出波長(zhǎng)為500nm-2000nm的脈沖激光，本實(shí)施例選用波長(zhǎng)為532nm的綠色激光，它的重復(fù)周期為30HZ；聲透鏡4自行設(shè)計(jì)加工；CCD8選用具有分辨率大、清晰度高、動(dòng)態(tài)范圍廣的傳感器；計(jì)算機(jī)9選用Pentium 3微機(jī)。
如圖2、3所示，本發(fā)明方法的聲透鏡層析成像原理如下光聲信號(hào)的強(qiáng)弱正比于樣品的光吸收系數(shù)，而且光聲信號(hào)具有波動(dòng)的所有特征(如干涉和衍射)，根據(jù)傅里葉成像理論，一個(gè)具有空間傅里葉變換性質(zhì)的聲透鏡，可以直接對(duì)光聲信號(hào)進(jìn)行二維成像，物與像之間一一對(duì)應(yīng)，如圖2所示，物面移動(dòng)ΔZ1，像面也相應(yīng)移動(dòng)ΔZ2，所以檢測(cè)出不同像面的光聲信號(hào)，就可以重構(gòu)出對(duì)應(yīng)物面的聲壓分布(光吸收分布)。與光學(xué)透鏡成像類似，同一物面的光聲信號(hào)到達(dá)像面所需的時(shí)間相等，其中圖3為光學(xué)等效圖。因此，通過(guò)控制相同的延時(shí)來(lái)采集像面光聲信號(hào)，就能獲得對(duì)應(yīng)物面的信息。
如圖4所示，本發(fā)明的偏振檢測(cè)法原理如下激光器1產(chǎn)生的激光為線偏振光，經(jīng)1/4波片6變?yōu)閳A偏振光，以一定的入射角入射到發(fā)射薄膜5表面上。該反射薄膜的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，其為像元陣列薄膜。此時(shí)反射的橢圓偏振光通過(guò)1/4波片6變成線偏振光，再經(jīng)偏振方向與它垂直的檢偏器7可以進(jìn)行消光；當(dāng)有生物組織產(chǎn)生的光聲信號(hào)入射到薄膜時(shí)，就會(huì)引起薄膜折射率和厚度的變化，繼而引起橢圓偏振態(tài)的變化，通過(guò)系統(tǒng)后則不能滿足消光條件，即可透出光信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了聲場(chǎng)到光場(chǎng)的轉(zhuǎn)變；此時(shí)用CCD8記錄該光強(qiáng)分布，即可實(shí)時(shí)獲得清晰的某一層面的組織影像。
使用強(qiáng)散射溶液模擬生物組織環(huán)境，對(duì)聲透鏡單一層面的成像功能進(jìn)行具體實(shí)施。如圖6所示，四個(gè)黑膠帶點(diǎn)狀樣品(貼在透明的有機(jī)玻璃上)埋藏于強(qiáng)散射溶液中，當(dāng)透明柔性橡膠層接觸溶液，并與樣品所在的層面平行相對(duì)，調(diào)節(jié)聲透鏡至適當(dāng)位置，即可方便快速地在計(jì)算機(jī)重現(xiàn)如圖7所示的光聲成像圖。
使用強(qiáng)散射溶液模擬生物組織環(huán)境，對(duì)聲透鏡層析成像功能進(jìn)行具體實(shí)施。如圖8所示，埋藏于強(qiáng)散射溶液中有兩層黑膠帶樣品，一層為圓圈形樣品，另一層為三個(gè)黑膠帶點(diǎn)狀樣品，它們分別貼在有機(jī)玻璃板前后表面。類似于上述聲透鏡單一層面成像的具體實(shí)施，即得到如圖9所示的圓圈層的光聲成像圖，在此基礎(chǔ)上只需調(diào)節(jié)控制延時(shí)——信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，即方便快速得到如圖10所示的三點(diǎn)層的光聲成像圖。
權(quán)利要求
1.一種基于聲透鏡與偏振檢測(cè)的實(shí)時(shí)光聲成像方法，其特征在于包括如下步驟(1)用脈寬為5～20納秒的脈沖激光照射生物組織，在生物組織中產(chǎn)生頻率為兆赫茲的超聲波，即光聲信號(hào)；(2)用聲透鏡將步驟(1)得到的生物組織中不同層面的超聲波聲壓分布分別成像在像面上；(3)在像面上用偏振檢測(cè)的方法把聲壓分布變成相應(yīng)的光強(qiáng)分布；(4)用CCD記錄該光強(qiáng)分布，即可實(shí)時(shí)獲得清晰的某一層面的組織影像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括以下步驟(5)重復(fù)操作步驟(3)、(4)，獲得生物組織不同層面的組織影像。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述步驟(1)中，脈沖激光波長(zhǎng)為450nm～2000nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述步驟(3)中，通過(guò)控制采集信號(hào)的延時(shí)來(lái)選定生物組織的不同像面的信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述步驟(3)中，所述反射膜為像元陣列薄膜，可把聲壓分布變成相應(yīng)的光強(qiáng)分布，使得其與步驟(4)中的CCD互相匹配，并由CCD記錄此時(shí)光強(qiáng)分布。
6.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1-5之一所述方法的裝置，其特征在于由透明柔性橡膠層、光纖、聲透鏡、反射薄膜、1/4波片、檢偏器、CCD、計(jì)算機(jī)構(gòu)成，其中透明柔性橡膠層、光纖、聲透鏡與反射薄膜相對(duì)安裝在一個(gè)圓柱型鋁制腔內(nèi)；光纖通過(guò)一個(gè)連接器與激光器連接組成光源；反射薄膜、1/4波片、檢偏器、CCD組成偏振檢測(cè)系統(tǒng)，最后與計(jì)算機(jī)電氣連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述裝置，其特征在于所述聲透鏡由鋁材制成，聲透鏡的位置可調(diào)，可調(diào)范圍滿足幾何光學(xué)成像性質(zhì)，即1u+1v=1f.]]>
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述裝置，其特征在于所述偏振檢測(cè)與CCD進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)光聲成像。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于聲透鏡與偏振檢測(cè)的實(shí)時(shí)光聲成像方法，是利用聲透鏡把生物組織由于光聲效應(yīng)產(chǎn)生的聲壓分布經(jīng)耦合介質(zhì)直接成像于像面上，使用偏振檢測(cè)的方法把像面上的聲壓分布變成相應(yīng)的光強(qiáng)分布，并用CCD記錄該光強(qiáng)分布，即可實(shí)時(shí)獲得清晰的某一層面的組織影像；并且可以利用時(shí)間分辨技術(shù)獲得待測(cè)物體不同層面的層析圖像。該裝置由透明柔性橡膠層、光纖、聲透鏡、反射薄膜、1/4波片、檢偏器、CCD、計(jì)算機(jī)構(gòu)成。其中透明柔性橡膠層、光纖、聲透鏡與反射薄膜相對(duì)安裝在一個(gè)圓柱型鋁制腔內(nèi)；光纖通過(guò)一個(gè)連接器與激光器連接組成光源；反射薄膜、1/4波片、檢偏器、CCD組成偏振檢測(cè)系統(tǒng)，最后與計(jì)算機(jī)電氣連接。
文檔編號(hào)A61B8/00GK101028184SQ20061013237
公開(kāi)日2007年9月5日 申請(qǐng)日期2006年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月29日
發(fā)明者唐志列, 何永恒, 付曉娣 申請(qǐng)人:華南師范大學(xué)