專利名稱：光聲彈性成像方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種彈性成像技術(shù)，特別涉及光聲彈性成像方法及其裝置。
背景技術(shù)：
彈性是表征一種物質(zhì)物理特性的重要參數(shù)，測量某種物質(zhì)的彈性或者對它的彈性特性分布進行成像對于了解該種物質(zhì)的屬性及結(jié)構(gòu)是一種相當重要的手段。彈性成像作為一種新的成像方法，它通過獲取有關(guān)組織彈性信息進行成像，彌補了 X射線、超聲成像 (US)、磁共振成像(MRI)、計算機斷層掃描(CT)等傳統(tǒng)成像模態(tài)不能直接提供組織彈性的不足。彈性成像(elastography) —詞最初出自靜態(tài)/準靜態(tài)壓縮的超聲彈性成像，狹義的彈性成像就僅指這種成像方式，其基本原理為對某一組織施加一個內(nèi)部(包括自身的) 或外部的、動態(tài)或靜態(tài)/準靜態(tài)的激勵；在彈性力學、生物力學等物理條件下，組織將產(chǎn)生一個響應。例如位移、應變與速度的分布；彈性模量較大的組織應變較小，或者振動的幅度和速度較?。焕贸暢上窕虼殴舱癯上竦确椒?，結(jié)合數(shù)字信號處理或者數(shù)字圖像技術(shù)，可估計出組織內(nèi)部的位移、應變等參數(shù)，從而間接或直接反映其彈性模量等力學屬性的差異。根據(jù)采用的成像模態(tài)的不同，現(xiàn)有的彈性成像方法主要包括超聲彈性成像 (ultrasound elastography, ultrasound elasticity imaging)禾口磁共振彈性成像 (magnetic resonance elastography，MR elastography，MRE)，還有光學相干斷層彈性成像 (optical coherence tomographic elastography, OCTelastography)等。以上■禾中" 專 充彈性成像方法必須先給組織施加作用力使之形變，但這種作用方式是施加于整個組織，而非只針對感興趣的特定區(qū)域，這樣，周圍組織的運動和形變就可能對測量產(chǎn)生不利的影響。在國外也有一種光聲技術(shù)測量生物組織彈性的方法(由日本的National Defense Medical College提出)，這種技術(shù)是基于光聲信號在穿過樣品時的衰減速度來計算弛豫時間，以此來表征彈性。因為這種方法需要對樣品進行特定的加工，所以在對組織的彈性信息成像方面有很大的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有彈性成像技術(shù)的缺點與不足，提供一種光聲彈性成像方法，所述方法利用強度調(diào)制的連續(xù)光源聚焦于被檢測樣品并逐點掃描，通過測量激發(fā)產(chǎn)生的光致熱彈超聲的主頻信號與光源調(diào)制信號的相位差，把對應各點的相位差延遲以灰度形式映射到顯示屏上，得到該平面上組織彈性的二維灰度圖像。本發(fā)明的另一目的在于提供一種光聲彈性成像裝置。為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種光聲彈性成像方法，所述方法包括下述步驟(1)連續(xù)激光器發(fā)出連續(xù)激光到電光調(diào)制器中，電光調(diào)制器根據(jù)由函數(shù)發(fā)生器輸入的正弦波形信號對連續(xù)激光進行強度調(diào)制，其調(diào)制頻率等同于由函數(shù)發(fā)生器輸入信號的
3頻率；(2)強度調(diào)制的連續(xù)激光通過聚焦透鏡聚焦照射到樣品上并產(chǎn)生主頻與調(diào)制頻率相同的受迫光聲信號；(3)受迫光聲信號通過超聲耦合劑由超聲探測器接收，再通過前置放大器放大之后輸入到鎖相放大器，由鎖相放大器檢頻出與函數(shù)發(fā)生器同等頻率的信號，再將此信號與函數(shù)發(fā)生器的信號進行相位差比較，計算機將采集此相位差值并存儲到計算機中；(4)由計算機控制的控制電路驅(qū)動步進電機逐點掃描樣品的表面，并依次接收、采集數(shù)據(jù)；(5)在計算機中對采集的數(shù)據(jù)進行處理，并將對應各點的相位延遲時間以灰度值的形式映射到顯示屏上，得到反映該平面上組織彈性性質(zhì)的二維灰度圖像。所述步驟中的采集數(shù)據(jù)是采用基于LABVIEW控制平臺的單通道實時采集系統(tǒng)，并將各點采集得到的數(shù)據(jù)與樣品各點坐標一一對應。所述步驟( 中對采集的數(shù)據(jù)進行處理，是指通過MATLAB程序?qū)鼽c的相位延遲以灰度形式進行圖像重建，從而得到待測部位的光聲彈性圖像。一種光聲彈性成像裝置，所述裝置具體包括光聲激發(fā)光源發(fā)生組件、光聲信號采集組件、光聲信號處理組件、控制電路、樣品池、步進電機以及二維掃描平臺，所述聲激發(fā)光源發(fā)生組件、樣品池、光聲信號采集組件、光聲信號處理組件按順序依次連接；所述控制電路與步進電機連接；所述二維掃描平臺置于樣品池中，所述樣品池中充滿超聲耦合劑；所述光聲激發(fā)光源發(fā)生組件包括連續(xù)激光器、函數(shù)發(fā)生器、電光調(diào)制器、聚焦透鏡，電光調(diào)制器根據(jù)函數(shù)發(fā)生器的輸出波形對連續(xù)激光器輸出的連續(xù)激光進行強度調(diào)制， 所述連續(xù)激光器與電光調(diào)制器、聚焦透鏡依次相連，所述函數(shù)發(fā)生器的輸出端與電光調(diào)制器相連；所述光聲信號采集組件包括超聲探測器、前置信號放大器、單通道采集卡；所述光聲信號處理組件包括鎖相放大器和計算機；所述超聲探測器與前置放大器、鎖相放大器、 單通道采集卡、計算機、控制電路以及步進電機依次相連，所述鎖相放大器與函數(shù)發(fā)生器相連，所述超聲探測器固定在二維掃描平臺上的支架上；所述超聲探測器置于超聲耦合劑中，超聲耦合劑為水；所述超聲探測器為單元或多元超聲探測器；所述連續(xù)激光器的激光波長為500nm 1064nm，激光調(diào)制頻率為40kHZ 10MHZ。所述計算機內(nèi)有LABVIEW數(shù)據(jù)采集控制平臺和圖像重建的MATLAB程序。本發(fā)明裝置的工作原理是經(jīng)過強度調(diào)制的連續(xù)波激光束照射在樣品上，樣品產(chǎn)生主頻與調(diào)制頻率相同的受迫光聲信號，根據(jù)粘彈性力學理論，樣品產(chǎn)生的光致熱彈超聲信號與強度調(diào)制的激光波形之間會有一個相位延遲，這個相位延遲與組織的彈性相關(guān)。通過測量激發(fā)產(chǎn)生的超聲信號的主頻與光源調(diào)制頻率的相位差，把對應各點的相位延遲時間以灰度值的形式映射到顯示屏上，就可以得到反映該平面組織彈性性質(zhì)的二維灰度圖像。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點和效果(1)本發(fā)明裝置利用高度聚焦的激光進行逐點掃描，因而可以得到高分辨率的樣品彈性信息。(2)本發(fā)明裝置只用激光激發(fā)信號，沒有周圍組織對加力的激勵產(chǎn)生的影響，可以得到高精度的成像結(jié)果。(3)本發(fā)明裝置采用激光作為激勵源，在對深層組織成像時，還可以通過光纖深入組織，減少傳播過程中強度的衰減，應用較廣泛。


圖1是本發(fā)明所述光聲彈性成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是實施例1中通過圖1所示裝置對不同物質(zhì)的信號進行的相位差對比圖；圖3是實施例1的成像樣品示意圖以及樣品的光聲彈性圖像。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的敘述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。圖1所示是光聲彈性成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，所述裝置具體包括光聲激發(fā)光源發(fā)生組件、光聲信號采集組件、光聲信號處理組件、控制電路12、樣品池8、步進電機13以及二維掃描平臺，所述光聲激發(fā)光源發(fā)生組件、樣品池、光聲信號采集組件、光聲信號處理組件按順序依次連接；所述控制電路12與步進電機13連接；所述二維掃描平臺置于樣品池8 中，所述樣品池8中充滿超聲耦合劑，所述光聲激發(fā)光源發(fā)生組件包括連續(xù)激光器1、函數(shù)發(fā)生器3、電光調(diào)制器2、聚焦透鏡4，電光調(diào)制器2根據(jù)函數(shù)發(fā)生器3的輸出波形對連續(xù)激光器1輸出的連續(xù)激光進行強度調(diào)制，所述連續(xù)激光器1與電光調(diào)制器2、聚焦透鏡4依次相連，所述函數(shù)發(fā)生器3的輸出端與電光調(diào)制器2相連；所述光聲信號采集組件包括超聲探測器9-2、前置信號放大器9-1、單通道采集卡 10-1 ；所述光聲信號處理組件包括鎖相放大器10和計算機11 ；所述超聲探測器9-2與前置放大器9-1、鎖相放大器10、單通道采集10-1卡、計算機11、控制電路12以及步進電機13 依次相連，所述鎖相放大器10與函數(shù)發(fā)生器3相連，所述超聲探測器9-2固定在二維掃描平臺上的支架上；所述超聲探測器9-2置于超聲耦合劑中，超聲耦合劑為水；所述超聲探測器9-2為單元超聲探測器；所述連續(xù)激光器1的激光波長為500nm 1064nm，激光調(diào)制頻率為40kHZ IOMHZ0所述超聲探測器9-2為單元超聲探測器。所述計算機1內(nèi)有LABVIEW數(shù)據(jù)采集控制平臺和圖像重建的MATLAB程序。其中光聲激發(fā)光源發(fā)生組件中連續(xù)激光器1發(fā)射的激光通過電光調(diào)制器2后調(diào)制成強度周期變化的連續(xù)波激光；函數(shù)發(fā)生器3輸出一個正弦波形到電光調(diào)制器2里，電光調(diào)制器2根據(jù)此輸入信號調(diào)制激光；出射的激光經(jīng)過聚焦透鏡4聚焦在樣品6上，從而激發(fā)樣品6產(chǎn)生光聲信號。光聲信號通過超聲耦合劑由超聲探測器9-2接受，通過前置放大器9-1 放大之后然后輸入到鎖相放大器10，由鎖相放大器10檢頻出與函數(shù)發(fā)生器3同等頻率的信號，再將此信號與函數(shù)發(fā)生器3的信號進行相位差比較，將計算出的相位差信號通過單通道采集卡10-1輸入到計算機11。由計算機11控制的控制電路12驅(qū)動步進電機13使樣品
5逐點移動，單元探頭實時接受光聲信號，由計算機11儲存各點的信號與坐標，并將其一一對應。實施例1本裝置的構(gòu)件選型如下連續(xù)激光器1選用國產(chǎn)半導體激光器，可發(fā)出波長為 808nm的連續(xù)激光；電光調(diào)制器2選用美國conoptics公司的產(chǎn)品，型號為M-360 ；函數(shù)發(fā)生器為泰克公司的產(chǎn)品，其輸出信號設(shè)定為頻率為50Khz的正弦波形信號；采集控制程序由 LABVIEff軟件實現(xiàn)，圖像重建程序用matlab軟件實現(xiàn)；計算機11可以選用P4微機，內(nèi)存在 128M以上；樣品池8是用有機玻璃制成的長方體盒子，樣品池8中充滿水，其內(nèi)壁涂有吸聲材料；樣品由瓊脂5和待測樣品6構(gòu)成，具體是用2克的瓊脂粉和98克的水加熱到70°C然后冷卻凝結(jié)而成，待測樣品6是將金屬、塑料、膠帶、肥皂等具有不同彈性的材料置于同一平面內(nèi)，并用瓊脂5將樣品固定。半導體激光器發(fā)射的激光經(jīng)過電光調(diào)制器后被調(diào)制成強度以50Khz的頻率成正弦變化的連續(xù)波激光，從調(diào)制器出射后的激光經(jīng)過透鏡4聚焦于待測樣品上，聚焦后的光斑為1mm2，被激發(fā)出的光聲信號由超聲探測器9-2接受，然后由鎖相放大器10檢出與函數(shù)發(fā)生器3同等頻率的光聲信號，也即是光聲信號的主頻，鎖相放大器將算出該主頻信號與函數(shù)發(fā)生器的信號之間的相位差值，最后將此相位差值存儲到電計算機11中。計算機11通過控制電路12驅(qū)動步進電機13使樣品逐步移動，實現(xiàn)對樣品6中固定的金屬、塑料、膠帶、肥皂等幾種不同的物質(zhì)的依次掃描。對上述等幾種物質(zhì)測量采集到的相位差值的進行比較，可以確定其彈性的差異(如圖2所示)。從實驗結(jié)果可以看出本發(fā)明的方法和裝置能夠測量不同物質(zhì)的彈性差異。實施例2將一片動物肌肉、一片動物脂肪和一塊動物骨組織等具有不同彈性的生物組織置于同一平面內(nèi)，構(gòu)成待測樣品6，并用瓊脂5將樣品固定，具體形狀如圖3a所示。然后電腦通過控制電路12驅(qū)動步進電機13使樣品逐點移動，實現(xiàn)對樣品逐點掃描，同時單元探頭實時接受光聲信號，由鎖相放大器10檢頻和計算相位差，由計算機11儲存各點的相位差值與坐標，并將其一一對應。掃描步距為1mm。對采集的數(shù)據(jù)利用MATLAB軟件實現(xiàn)圖像重建 (如圖北所示)。從實驗結(jié)果可以看出本發(fā)明的方法和裝置能夠重建出待測樣品彈性差異分布的光聲圖像。上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光聲彈性成像方法，其特征在于，所述方法包括步驟(1)連續(xù)激光器發(fā)出連續(xù)激光到電光調(diào)制器中，電光調(diào)制器根據(jù)由函數(shù)發(fā)生器輸入的正弦波形信號對連續(xù)激光進行強度調(diào)制，其調(diào)制頻率等同于由函數(shù)發(fā)生器輸入的信號的頻率；(2)強度調(diào)制的連續(xù)激光通過聚焦透鏡聚焦照射到樣品上并產(chǎn)生主頻與調(diào)制頻率相同的受迫光聲信號；(3)受迫光聲信號通過超聲耦合劑由超聲探測器接收，再通過前置放大器放大之后輸入到鎖相放大器，由鎖相放大器檢頻出與函數(shù)發(fā)生器的輸出信號同等頻率的信號，再將此信號與函數(shù)發(fā)生器的信號進行相位差比較，計算機將采集此相位差值并存儲到計算機中；(4)由計算機控制的控制電路驅(qū)動步進電機逐點掃描樣品的表面，并依次接收、采集數(shù)據(jù)；(5)在計算機中對采集的數(shù)據(jù)進行處理，并將對應各點的相位延遲時間以灰度值的形式映射到顯示屏上，得到反映該平面上組織彈性質(zhì)的二維灰度圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光聲彈性成像方法，其特征在于，所述步驟C3)中的相位差比較是指通過比較激發(fā)產(chǎn)生的光致熱彈超聲的主頻信號與調(diào)制光源的正弦波形信號之間的相位差，來表征各點的彈性差異。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光聲彈性成像方法，其特征在于，所述步驟( 中對采集的數(shù)據(jù)進行處理，是指通過MATLAB程序?qū)鼽c的相位延遲以灰度形式進行圖像重建， 從而得到待測部位的光聲彈性圖像。
4.一種光聲彈性成像裝置，其特征在于，所述裝置具體包括光聲激發(fā)光源發(fā)生組件、 光聲信號采集組件、光聲信號處理組件、控制電路、樣品池、步進電機以及二維掃描平臺，所述光聲激發(fā)光源發(fā)生組件、樣品池、光聲信號采集組件、光聲信號處理組件按順序依次連接；所述控制電路與步進電機連接；所述二維掃描平臺置于樣品池中，所述樣品池中充滿超聲耦合劑；所述光聲激發(fā)光源發(fā)生組件包括連續(xù)激光器、函數(shù)發(fā)生器、電光調(diào)制器、聚焦透鏡，電光調(diào)制器根據(jù)函數(shù)發(fā)生器的輸出波形對連續(xù)激光器輸出的連續(xù)激光進行強度調(diào)制；所述連續(xù)激光器與電光調(diào)制器、聚焦透鏡依次相連，所述函數(shù)發(fā)生器的輸出端與電光調(diào)制器相連；所述光聲信號采集組件包括超聲探測器、前置信號放大器、單通道采集卡；所述光聲信號處理組件包括鎖相放大器和計算機；所述光聲信號處理組件包括鎖相放大器和計算機； 所述超聲探測器與前置放大器、鎖相放大器、單通道采集卡、計算機、控制電路以及步進電機依次相連，所述鎖相放大器與函數(shù)發(fā)生器相連，所述超聲探測器固定在二維掃描平臺上的支架上；所述超聲探測器置于超聲耦合劑中。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種光聲彈性成像裝置，其特征在于，所述超聲探測器為單元或多元超聲探測器。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種光聲彈性成像裝置，其特征在于，所述連續(xù)激光器發(fā)出激光的波長為500nm 1064nm，激光調(diào)制頻率為40kHZ 10MHZ。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種光聲彈性成像裝置，其特征在于，所述計算機內(nèi)有 LABVIEff數(shù)據(jù)采集控制平臺和圖像重建的MATLAB程序。
全文摘要
本發(fā)明公開了光聲彈性成像方法，所述光聲彈性成像方法主要指利用強度調(diào)制的連續(xù)光源激發(fā)產(chǎn)生光致熱彈超聲信號，通過測量該信號與調(diào)制信號之間的相位差并逐點掃描可以重建出檢測樣品的彈性分布圖像。本發(fā)明還公開了一種光聲成像裝置，所述光聲彈性成像裝置，包括光聲激發(fā)光源發(fā)生組件、光聲信號采集組件、光聲信號處理組件；光聲激發(fā)光源發(fā)生組件、光聲信號采集組件和光聲信號處理組件依次電氣連接。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)彈性成像方法受待測區(qū)域周圍組織影響等缺點，可提供新原理的反映組織彈性分布的圖像，具有定位準確，分辨率高的優(yōu)點。本發(fā)明的裝置造價較為低廉，易于推廣。
文檔編號G01N29/34GK102175776SQ20111000821
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月14日
發(fā)明者楊思華, 邢達, 高國棟 申請人:華南師范大學