本發(fā)明涉及應(yīng)用于動物和臨床的成像方法，具體涉及一種基于一維非聚焦和聚焦超聲雙陣列掃描成像裝置及其成像方法。

背景技術(shù)：

光聲層析成像(photoacoustictomography，pat，有時也簡稱光聲成像)技術(shù)是利用組織吸收脈沖激光后發(fā)出超聲的效應(yīng)，通過探測超聲波，從而對組織內(nèi)光學(xué)吸收體成像的方法。光聲層析成像是一種混合成像模式，它結(jié)合了豐富的光學(xué)對比度和高分辨率超聲，突破了純粹的高分辨率光學(xué)成像組織造成的強烈的光散射的障礙，同時與單純超聲成像不同，組織對光子的吸收能力反映了組織的分子成分及其功能。光聲層析成像和超聲成像的融合有利于疾病早發(fā)現(xiàn)和治療過程的持續(xù)監(jiān)測。

生物組織比較復(fù)雜，對生物組織中光聲信號的精準(zhǔn)測量是對其特征進行分析、診斷和成像的前提。二維面陣、聚焦的一維線陣是光聲層析成像中常用于來接受光聲信號的探頭。由于二維面陣需要包含很多超聲換能器元素以及放大和采集電路，這大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，因此非常缺乏用于光聲成像的大面積的二維面陣。而聚焦的一維線陣只能接收有限角度內(nèi)的生物組織內(nèi)的光聲信號，對于光聲三維圖像的重建效果不夠準(zhǔn)確。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于一維非聚焦和聚焦超聲雙陣列掃描成像裝置及其成像方法。

本發(fā)明的一個目的在于提出一種基于一維非聚焦和聚焦超聲雙陣列掃描成像裝置。

本發(fā)明的基于一維非聚焦和聚焦超聲雙陣列掃描成像裝置包括：脈沖激光器、折光發(fā)散元件、水槽、載物板、非聚焦超聲換能器線陣、超聲陣列、電控平移臺、控制器、計算機和數(shù)據(jù)采集卡；其中，水槽內(nèi)盛有水；非聚焦超聲換能器線陣和超聲陣列互相平行前后并列放置，二者的位置相對固定，設(shè)置在水槽內(nèi)；待測組織放置在載物板上，根據(jù)待測組織實際情況，載物板設(shè)置在水槽的內(nèi)部或水槽的外部；非聚焦超聲換能器線陣和超聲陣列連接至電控平移臺；非聚焦超聲換能器線陣和超聲陣列分別連接至數(shù)據(jù)采集卡；數(shù)據(jù)采集卡連接至計算機；計算機還連接至控制器；控制器連接至電控平移臺；脈沖激光器發(fā)出激光，經(jīng)折光發(fā)散元件調(diào)整激光的路徑，并擴大激光的直徑，發(fā)散的激光從底部照射在載物板上的待測組織，激光的光斑覆蓋待測組織；待測組織產(chǎn)生光聲信號，非聚焦超聲換能器線陣接收光聲信號，由數(shù)據(jù)采集卡采集，并傳輸至計算機保存；在激光脈沖的間隔，超聲陣列向待測組織發(fā)出超聲信號，并接收從待測組織返回的超聲信號，由數(shù)據(jù)采集卡采集，并傳輸至計算機，重建得到此掃描位置處的二維超聲圖像；計算機通過電控平移臺控制非聚焦超聲換能器線陣和超聲陣列沿著待測組織的表面移動，非聚焦超聲換能器線陣和超聲陣列分別接收光聲信號和超聲信號，計算機分別得到此掃描位置處的光聲信號和二維超聲圖像，直至完成掃描整個待測組織的表面，分別得到整合后的三維光聲圖像和三維超聲圖像，經(jīng)過配準(zhǔn)融合，重建得到雙模式三維成像結(jié)果。

根據(jù)待測組織的尺寸或者實際應(yīng)用情景，小尺寸的待測組織，例如小動物成像，適合放置在水槽內(nèi)，則載物板放置在水槽內(nèi)，待測組織放置在載物板上；針對待測組織不能放置在水槽內(nèi)，則載物板放置在水槽的下面，待測組織放置在載物板上，水槽的底部壓在待測組織上。

針對載物板和待測組織位于水槽的外部，水槽的底部壓在待測組織的情況，水槽的底部具有超聲窗口，超聲窗口采用與待測組織的聲阻抗相匹配的超聲透明材料，如低密度聚乙烯。載物板采用透光材料。并且，載物板位于水槽外時，載物板的位置能夠沿z軸移動。

非聚焦超聲換能器線陣和超聲陣列互相平行，沿x軸方向，非聚焦超聲換能器線陣和超聲陣列的移動沿y軸方向。

根據(jù)光聲信號的帶寬，非聚焦超聲換能器線陣的中心頻率對應(yīng)的波長和非聚焦超聲換能器陣元相當(dāng)。為了后續(xù)圖像重建的精準(zhǔn)，非聚焦超聲換能器線陣和超聲陣列的移動步長不大于非聚焦超聲換能器陣元的尺寸。非聚焦超聲換能器陣元的個數(shù)根據(jù)實際需要設(shè)定。

光發(fā)散元件采用凹透鏡組和三棱鏡的組合。

本發(fā)明的另一個目的在于提供一種基于一維非聚焦和聚焦超聲雙陣列掃描的成像方法。

本發(fā)明的基于一維非聚焦和聚焦超聲雙陣列掃描的成像方法，包括以下步驟：

1)將水槽內(nèi)盛水，非聚焦超聲換能器線陣和超聲陣列互相平行前后并列放置，二者的位置相對固定，設(shè)置在水槽內(nèi)；

2)將待測組織放置在載物板上，根據(jù)待測組織的實際情況，將載物板設(shè)置在水槽的內(nèi)部或水槽的外部；

3)脈沖激光器發(fā)出激光，經(jīng)折光發(fā)散元件調(diào)整激光的路徑，并擴大激光的直徑，發(fā)散的激光從底部照射在載物板上的待測組織，激光的光斑覆蓋待測組織；

4)待測組織產(chǎn)生光聲信號，非聚焦超聲換能器線陣接收光聲信號，由數(shù)據(jù)采集卡采集，并傳輸至計算機保存；

5)在激光脈沖的間隔，超聲陣列向待測組織發(fā)出超聲信號，并接收從待測組織反射的超聲信號，由數(shù)據(jù)采集卡采集，并傳輸至計算機，計算機重建，得到此掃描位置處的二維超聲圖像；

6)計算機通過電控平移臺控制非聚焦超聲換能器線陣和超聲陣列沿著待測組織的表面移動，重復(fù)步驟4)和5)，直至完成掃描整個待測組織的表面；

7)計算機將保存的每個掃描位置處的光聲信號一起重建得到完整的三維光聲圖像，并將每個掃描位置處的二維超聲圖像整合得到完整的三維超聲圖像；

8)將完整的三維光聲圖像和完整的三維超聲圖像進行配準(zhǔn)融合，重建得到雙模式三維成像結(jié)果。

其中，在步驟2)中，根據(jù)待測組織的尺寸或者實際應(yīng)用情景，小尺寸的待測組織，例如小動物成像，適合放置在水槽內(nèi)，則將載物板放置在水槽內(nèi)，待測組織放置在載物板上；針對人體的待測組織不能放置在水槽內(nèi)，則將載物板放置在水槽的下面，待測組織放置在載物板上，水槽的底部壓在待測組織上。

在步驟3)中，脈沖激光器發(fā)出的激光經(jīng)過折光發(fā)散元件反射并散射，從待測組織的底部照射激光，使得激光正面照射到整個待測組織的表面，并根據(jù)實際需要在側(cè)面照射激光，側(cè)面輔助打光，能夠增大光強或者使光更加均勻。

在步驟5)中，光聲重建包括多種可選方法，如延時求和算法或傅里葉光聲求和算法。

在步驟6)中，非聚焦超聲換能器線陣和超聲陣列互相平行，沿x軸方向，非聚焦超聲換能器線陣和超聲陣列的移動沿y軸方向；移動步長不大于非聚焦超聲換能器陣元的尺寸。本發(fā)明的優(yōu)點：

(1)本發(fā)明裝置利用非聚焦超聲換能器線陣平描待測組織，等效于一個可以無限擴展面積、包含很多超聲換能器陣元的二維面陣，能實現(xiàn)自動電子掃描生物組織，成像質(zhì)量高；

(2)非聚焦超聲換能器線陣的平描方式可以接收大范圍的光聲信號，克服了聚焦線陣只能接收一定角度內(nèi)光聲信號的弊端；

(3)非聚焦超聲換能器線陣和超聲陣列、雙陣列掃描以及雙模態(tài)三維成像，既能對定形組織成像，也能對乳房等錐狀和柱狀組織層析成像，對于小動物成像和臨床腫瘤篩查、后續(xù)持續(xù)觀測，非聚焦超聲換能器線陣和超聲陣列平掃雙模三維成像方法效果尤其顯著；

(4)采用底部照射激光，光照方式對成像效果影響極大，底部打光，激光是正面照射到待測組織，光照面積大可以在保證安全條件下利用更多光子，成像效果好；

(5)本發(fā)明的雙陣列平移、數(shù)據(jù)采集和圖像重建完全由計算機控制，裝置操作較為方便，使用比較簡單，適應(yīng)性好。

本發(fā)明采用非聚焦超聲換能器線陣和超聲陣列的相對位置固定前后并列放置，激光激發(fā)待測組織產(chǎn)生光聲信號，非聚焦超聲換能器線陣采集光聲信號，在激光脈沖的間隔，超聲陣列采集超聲信號；一維的非聚焦超聲換能器線陣，在待測組織上方平掃，等效于一個可以無限放大面積且包含很多超聲換能器元素的二維面陣；該等效二維面陣相比于聚焦線陣有更寬的接收角度，同時設(shè)計加工難度相比二維面陣大大降低，對于動物和臨床光聲成像的應(yīng)用有巨大的價值；光聲層析成像利用組織激光波長的特異性吸收，并根據(jù)光聲信號到達非聚焦超聲換能器線陣的時間進行三維空間重構(gòu)，最終可在掃描完成后得到待測組織高質(zhì)量的三維空間圖像；超聲成像利用超聲在不同組織界面的反射回波，對待測組織進行成像；兩種模式成像對比度來源不同，信息互補，將三維光聲圖像和三維超聲圖像進行配準(zhǔn)，重建得到雙模式三維成像結(jié)果，可用于腫瘤疾病檢查及持續(xù)監(jiān)測。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于一維非聚焦和聚焦超聲雙陣列掃描成像裝置的實施例一的示意圖；

圖2為本發(fā)明的基于一維非聚焦和聚焦超聲雙陣列掃描成像裝置的探測角度的對比示意圖；

圖3為本發(fā)明的基于一維非聚焦和聚焦超聲雙陣列掃描成像裝置平掃待測組織的原理圖；

圖4為本發(fā)明的基于一維非聚焦和聚焦超聲雙陣列掃描成像裝置的實施例二的示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，通過具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。

實施例一

在本實施例中，待測組織為小動物，尺寸小，適合放置在水槽中。

如圖1所示，本實施例的基于一維非聚焦和聚焦超聲雙陣列掃描成像裝置包括：脈沖激光器1、折光發(fā)散元件2、水槽4、載物板5、非聚焦超聲換能器線陣6、超聲陣列7、電控平移臺8、控制器9、計算機10和數(shù)據(jù)采集卡11；其中，水槽4內(nèi)盛有水；非聚焦超聲換能器線陣6和超聲陣列7互相平行前后并列放置，二者的位置相對固定，設(shè)置在水槽4內(nèi)；待測組織放置在載物板5上，載物板5設(shè)置在水槽4內(nèi)；非聚焦超聲換能器線陣6和超聲陣列7通過固定件連接至電控平移臺8；非聚焦超聲換能器線陣6和超聲陣列7分別連接至數(shù)據(jù)采集卡11；數(shù)據(jù)采集卡11連接至計算機10；計算機10還連接至控制器9；控制器9連接至電控平移臺8。在本實施例，脈沖激光器1采用氦氖激光器1，波長1064nm，重復(fù)頻率10hz。本實施例中采用的非聚焦超聲換能器線陣6具有如下特性：1、非聚焦超聲換能器陣元的尺寸：1.0mm×1.0mm；2、非聚焦超聲換能器線陣的單元數(shù)48；3、非聚焦超聲換能器線陣的中心頻率：4mhz；4、采樣頻率：25mhz；5、a/d轉(zhuǎn)換位數(shù)：12bit。本實施例中折光發(fā)散元件2采用凹透鏡組和三棱鏡。水槽4采用亞克力；載物板5采用亞克力。非聚焦超聲換能器線陣6和超聲陣列7沿x方向。

如圖2所示，相比于聚焦線陣12，非聚焦超聲換能器線陣6對光聲信號13有更大的接收角度。

本實施例的基于一維非聚焦和聚焦超聲雙陣列掃描成像方法，包括以下步驟：

1)將水槽4內(nèi)盛水，非聚焦超聲換能器線陣6和超聲陣列7互相平行前后并列放置，二者的位置相對固定，設(shè)置在水槽4內(nèi)，非聚焦超聲換能器線陣6和超聲陣列7沿x方向；

2)將待測組織放置在載物板5上，將載物板5設(shè)置在水槽4內(nèi)；

3)脈沖激光器1發(fā)出激光，經(jīng)折光發(fā)散元件2反射，并擴大激光的直徑，激光從底部透過水槽4照射在載物板5上的待測組織，激光的光斑覆蓋待測組織，形成光照區(qū)域3；

4)待測組織產(chǎn)生光聲信號，非聚焦超聲換能器線陣6接收光聲信號，由數(shù)據(jù)采集卡11采集，并傳輸至計算機10，得到此掃描位置處的光聲信號；

5)在激光脈沖的間隔，超聲陣列7向待測組織發(fā)出超聲信號，并接收從待測組織返回的超聲信號，由數(shù)據(jù)采集卡11采集，并傳輸至計算機10，計算機10重建，得到此掃描位置處的超聲圖像；

6)計算機10通過電控平移臺8控制非聚焦超聲換能器線陣6和超聲陣列7沿y軸方向移動，移動步長為0.1mm，重復(fù)步驟4)和5)，直至完成掃描整個待測組織的表面；非聚焦超聲換能器線陣6平掃等效于一個可無限擴大面積且包含很多超聲換能器元素的二維面陣14，如圖3所示；

7)計算機10將每個掃描位置處的光聲信號重建后得到完整的三維光聲圖像，并將每個掃描位置處的超聲圖像整合得到完整的三維超聲圖像；

8)將完整的三維光聲圖像和完整的三維超聲圖像進行配準(zhǔn)融合，重建得到雙模式三維成像結(jié)果。

實施例二

如圖4所示，在本實施例中，待測組織為人體相關(guān)部位，如乳房，待測組織放置在載物板5上，載物板5放置在水槽4的下面，載物板5沿z軸移動，水槽4壓在待測組織上。水槽4的底部采用低密度聚乙烯，從而水槽的底部形成超聲窗口，超聲窗口壓在待測組織上。其他同實施例一。

最后需要注意的是，公布實施例的目的在于幫助進一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。