一種結(jié)合滑環(huán)的光聲計算層析成像系統(tǒng)及其成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光聲計算層析成像技術(shù)，具體涉及一種結(jié)合滑環(huán)的光聲計算層析成像系統(tǒng)及其成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光聲層析成像(Photoacoustic Tomography) PAT是一種基于光聲效應(yīng)的層析成像技術(shù)。該成像技術(shù)具有無創(chuàng)性，并結(jié)合了光學(xué)成像的高對比度和超聲成像的高分辨率特性，能在較深層組織中獲得較高分辨率的圖像。
[0003]圍繞物體進(jìn)行環(huán)形探測是光聲層析成像的重要實現(xiàn)方式，在小動物成像、關(guān)節(jié)成像和乳腺成像上都廣泛使用。目前的環(huán)形探測系統(tǒng)主要包括兩種形式:少數(shù)單超聲換能器環(huán)形旋轉(zhuǎn)探測，以及超聲換能器陣列探測。前者需要相對較長的時間，而且隨著探頭數(shù)目增加旋轉(zhuǎn)時容易出現(xiàn)信號線盤繞的情況；后者只需少量或無需旋轉(zhuǎn)掃描，大大縮短了成像所需時間，但成本遠(yuǎn)高于前者。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明將滑環(huán)引入到光聲計算層析成像系統(tǒng)，形成了結(jié)合滑環(huán)的光聲計算層析成像系統(tǒng)及其成像方法。
[0005]本發(fā)明的一個目的在于提供一種結(jié)合滑環(huán)的光聲計算層析成像系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明的光聲計算層析成像系統(tǒng)包括:多個超聲換能器、圓環(huán)、滑環(huán)、電動旋轉(zhuǎn)臺、機(jī)架、激光器、擴(kuò)束器、圓錐鏡體、檢查臺、透聲反光鏡、水槽和計算機(jī)；其中，滑環(huán)包括外側(cè)的動子和內(nèi)部的定子，二者同軸；定子固定在機(jī)架上，并且在定子的中心具有通孔；動子的一底面固定于電動旋轉(zhuǎn)臺，另一底面固定圓環(huán)，圓環(huán)與滑環(huán)同軸；多個超聲換能器均勻地安裝在圓環(huán)上；檢查臺放置在透聲反光鏡的中央，與超聲換能器一起放置在水槽內(nèi)；激光器發(fā)出脈沖激光，經(jīng)擴(kuò)束器擴(kuò)束后豎直入射到圓錐鏡體，經(jīng)反射形成半徑沿傳播方向隨傳播距離不斷增大的圓環(huán)狀光束，經(jīng)透聲反光鏡反射，在水平面內(nèi)聚光照射至放置在檢查臺上的待測體上，產(chǎn)生超聲波，經(jīng)透聲反光鏡透射，超聲換能器接收超聲波，將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)前置放大器放大后通過滑環(huán)，隨后經(jīng)次級放大器放大、數(shù)據(jù)采集卡信號數(shù)字化后傳輸至計算機(jī)，電動旋轉(zhuǎn)臺帶動滑環(huán)的動子旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)超聲換能器圍繞系統(tǒng)的中心軸旋轉(zhuǎn)掃描。
[0007]本發(fā)明引入滑環(huán)，并對滑環(huán)進(jìn)行改進(jìn)，內(nèi)側(cè)為定子，外側(cè)為動子，并把動子的底面半徑加大，動子的底面半徑是定子半徑的2?4倍，超聲換能器固定在滑環(huán)外側(cè)的動子上，從而獲得更大的成像范圍?，F(xiàn)有技術(shù)中，滑環(huán)的裝配底面為水平朝向，級軸向為水平方向，而本發(fā)明中滑環(huán)采用裝配底面朝下的擺放，即滑環(huán)的軸向沿豎直方向，方便超聲換能器由上而下地固定，有利于動子與超聲換能器和電動旋轉(zhuǎn)臺固定?；h(huán)中心處設(shè)置有通孔，方便待測體自由穿過滑環(huán)。
[0008]在滑環(huán)外側(cè)的動子上，通過圓環(huán)均勻地固定多個超聲換能器，超聲換能器的個數(shù)為N，N為大于2的自然數(shù)，相鄰的兩個超聲換能器之間的夾角為360° /N，超聲換能器掃描一層需要旋轉(zhuǎn)的角度為360° /N ;并且旋轉(zhuǎn)時不會出現(xiàn)信號線盤繞的情況，從而相對單個超聲換能器探測縮短了探測時間；滑環(huán)的成本較為低廉，裝配滑環(huán)和多個超聲換能器的系統(tǒng)的價格也遠(yuǎn)低于超聲換能器陣列，從而降低系統(tǒng)的研發(fā)成本。超聲換能器統(tǒng)一固定于圓環(huán)，隨后把圓環(huán)裝配到滑環(huán)上，這樣便可在系統(tǒng)外把所有超聲換能器對準(zhǔn)中心軸，簡化了系統(tǒng)的校準(zhǔn)難度。
[0009]滑環(huán)上不僅可以裝配多個超聲換能器，而且能夠替換不同頻率的超聲換能器，低頻超聲換能器可探測生物內(nèi)部器官的宏觀形態(tài)，高頻超聲換能器可得到內(nèi)部臟器的精細(xì)結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)行多尺度的成像。多個超聲器可以采用相同的頻率，也可以分別采用不同的頻率。
[0010]進(jìn)一步配合軸向的電動平移臺帶動檢查臺，將檢查臺安裝在可沿軸向平移的電動平移臺上，該系統(tǒng)便能進(jìn)行三維成像。
[0011]本發(fā)明將整個成像系統(tǒng)采用“倒置”的形式，激光器在下發(fā)出脈沖激光，光路從下至上經(jīng)過待測體，超聲換能器在上接收超聲波。激光經(jīng)過凹透鏡與凸透鏡組成的擴(kuò)束器后，光束直徑擴(kuò)大了一倍，從而減少系統(tǒng)調(diào)節(jié)不夠完美而導(dǎo)致的光照不均所帶來的影響；擴(kuò)束后的激光束豎直入射到圓錐鏡體，經(jīng)反射形成半徑沿傳播方向隨傳播距離不斷增大的圓環(huán)狀光束，經(jīng)透聲反光鏡反射，在水平面內(nèi)聚光照射至放置在檢查臺上的待測體上，產(chǎn)生超聲波，經(jīng)透聲反光鏡透射，N個相互間隔360° /N的超聲換能器接收透射的超聲波，將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號，隨后電信號經(jīng)前置放大器放大后通過滑環(huán)，再經(jīng)次級放大器放大后傳輸至采集卡，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息后存儲至計算機(jī)；電動旋轉(zhuǎn)臺帶動滑環(huán)旋轉(zhuǎn)360° /N完成對待測體的360°的完整掃描采樣；系統(tǒng)的z軸方向裝配電動平移臺，在完成一次360°掃描后帶動裝有待測體的檢查臺進(jìn)行z軸方向移動，從而完成三維成像；采樣結(jié)束后，利用計算機(jī)把所有換能器采集的同一斷層的數(shù)據(jù)按照滑環(huán)旋轉(zhuǎn)的方向依次拼接，并逐一斷層使用延遲-疊加重建算法重建出斷層圖像，最后把各斷層圖像堆疊成三維圖像。
[0012]本發(fā)明的另一個目的在于提供一種結(jié)合滑環(huán)的光聲計算層析成像方法。
[0013]本發(fā)明的光聲計算層析成像方法，包括以下步驟:
[0014]I)激光器發(fā)出脈沖激光，經(jīng)擴(kuò)束器擴(kuò)束后豎直入射到圓錐鏡體，經(jīng)反射形成半徑沿傳播方向隨傳播距離不斷增大的圓環(huán)狀光束，圓環(huán)狀光束經(jīng)透聲反光鏡反射，在水平面內(nèi)聚光照射至放置在檢查臺上的待測體上，待測體接受水平面內(nèi)聚光照射后產(chǎn)生超聲波，經(jīng)透聲反光鏡透射，超聲波被超聲換能器接收后轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)過前置放大器放大后通過滑環(huán)，再經(jīng)次級放大器放大后傳輸至采集卡，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息后存儲至計算機(jī)；
[0015]2)電動旋轉(zhuǎn)臺勻速率連續(xù)旋轉(zhuǎn)，帶動多個超聲換能器旋轉(zhuǎn)，重復(fù)步驟1)，直至旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)360° /N完成對待測體的一次360°完整掃描，其中，超聲換能器的個數(shù)為N，N為自然數(shù)，旋轉(zhuǎn)速率越大，采集數(shù)據(jù)越少，耗時越短；
[0016]3)完成對待測體的一次360°掃描后，z軸方向的電動平移臺帶動裝有待測體的檢查臺進(jìn)行z軸方向移動，從而完成三維成像；
[0017]4)采樣結(jié)束后，利用計算機(jī)把所有換能器采集的同一斷層的數(shù)據(jù)按照滑環(huán)旋轉(zhuǎn)的方向依次拼接，并逐一斷層使用延遲-疊加重建算法重建出斷層圖像，最后把各斷層圖像堆疊成三維圖像。
[0018]進(jìn)一步，更換不同頻率的超聲換能器安裝在滑環(huán)上，低頻超聲換能器可探測生物內(nèi)部器官的宏觀形態(tài)，高頻超聲換能器可得到內(nèi)部臟器的精細(xì)結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)行多尺度的成像。
[0019]本發(fā)明的優(yōu)點:
[0020]本發(fā)明將滑環(huán)引入光聲計算層析成像系統(tǒng)，滑環(huán)內(nèi)側(cè)為定子，外側(cè)為動子由電動旋轉(zhuǎn)臺帶動旋轉(zhuǎn)，N個超聲換能器通過圓環(huán)均勻地安裝在外側(cè)的動子上，這樣超聲換能器掃描一層需要旋轉(zhuǎn)的角度為360° /N ;并且旋轉(zhuǎn)時不會出現(xiàn)信號線盤繞的情況，從而相對單個超聲換能器探測縮短了探測時間；滑環(huán)的成本較為低廉，裝配滑環(huán)和多個超聲換能器的系統(tǒng)的價格也遠(yuǎn)低于超聲換能器陣列，從而降低系統(tǒng)的研發(fā)成本。