扩散光学层析和光声层析联合测量系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学成像技术在生物医学方向上的应用领域，特别涉及一种扩散光学 层析和光声层析联合测量系统、多模态测量方法。
【背景技术】
[0002] 随着生物、医学、光电技术及计算机技术的发展，各种先进医学影像设备不断呈 现，为临床诊断提供了多种模式的医学图像。由于成像机理不同和人体组织结构的高度复 杂性，单一模式的医学图像不能提供医生所需要的足够信息，不同模态的医学图像提供的 信息是不能覆盖、相互补充的。因此，在临床诊断和治疗中，对于多模态医学成像技术的发 展有着十分重要的意义。
[0003] 随着多种模式医学成像手段的发展，现代医学研宄发展方向也逐渐地发生转变， 即从通过传统的解剖学成像方法对已形成的疾病进行诊断，发展至利用医学功能成像技术 揭示疾病的形成机制。光学成像作为一种功能成像手段，因在灵敏度、特异性、对比度、定量 性和辐射安全性等关键指标上具有其它模态无法兼有的综合优势而倍受关注，已在生物医 学研宄领域得到广泛应用。尤其随着近红外组织光谱技术（near-infrared spectroscopy， NIRS)的兴起，针对活体组织的光学功能检测技术得到了迅速发展。其中，建立在NIRS基础 上的扩散光学层析成像技术（diffuse optical tomography，DOT)是针对组织体生化功能 信息的无创检测技术，可以实现活体组织深部生理和病理指标相关信息的三维实时定量获 取。但是，受到组织体高散射特性的影响，该类纯光学成像技术在成像深度和空间分辨率上 无法兼得，其空间分辨率被限制在成像组织尺寸的5% -10% ;基于光声效应的光声层析成 像技术（photoacoustic tomography，PAT)方法有效地结合了光学成像和超声成像的优点， 是一种以超声作为媒介的生物光子成像方法。该方法采用脉冲激光照射生物组织，组织吸 收光能量后产生超声（光声）信号，通过测量携有生物组织光学吸收特征信息的光声信号， 能够重建出组织体的光能吸收分布图像。由于超声波低衰减和高穿透性等特点，大幅度降 低了组织体散射效应的影响，PAT方法能够对深层组织进行高空间分辨率和高对比度的结 构和功能成像。但是，传统PAT技术通过重建初始声压计算组织体光能吸收密度的空间分 布，并假设组织体的吸收系数与光能吸收密度成线性关系，最终获得吸收系数重建图像。当 面向深层组织成像时，由于复杂生物组织体内吸收和散射分布不均匀性，这种线性假设关 系与实际情况不符，组织体内光能分布特征成为了影响光学参数重建定量性的关键问题。
[0004] 因此，寻找一种既保有光学功能成像的高对比度优势，又同时满足成像定量性和 高空间分辨率要求的医学成像方法，是生物医学成像领域亟待解决的问题。换而言之，该方 法需要具有DOT成像技术的高定量性以及PAT成像技术的高空间分辨率特性，即保有两种 成像方式所长，互相补充不足，从而得到较为理想的定量性和空间分辨率的光学功能图像。 把不同模态成像技术提供的互补信息综合起来，不仅可以在一幅图像上同时表达多幅图像 的信息，还可以通过理论学上的创新形成一种全新的多模态成像方法，那么此方法所提供 的图像可以为医生做出确切诊断提供愈来愈详细和精确的生理病理信息，也能为医生对病 灶的观察和疾病的诊断提供更直观、全面和清晰的判断依据，提高疾病的检出率。
【发明内容】
[0005] 为了克服上述现有技术的问题，本发明提出了一种扩散光学层析和光声层析联合 测量系统及方法，利用扩散光学层析和光声层析的联合测量的手段，实现多模态测量，最终 可获得目标体的光学参数在二维或三维空间上的分布图像。
[0006] 本发明提出一种扩散光学层析和光声层析的联合测量系统，该系统包含扩散光学 层析测量部分（1)、仿CT空间扫描系统（2)、光声层析测量部分（3)及工业控制计算机（4); 其中：所述扩散光学层析测量部分（1)和所述光声层析测量部分（3)共同连接仿CT空间扫 描系统（2)形成一个完整的多模态测量系统；所述工业控制计算机（4)中的系统自动控制 软件、数据处理和图像重建软件用于实现扩散光学信号和光声信号的自动化探测、数据采 集及预处理和图像重建；其中，自动控制软件用于实现对扩散光学层析和光声层析联合测 量系统各组成部分的时序控制，以实现测量过程的自动化；数据处理和图像重建软件用于 对联合测量系统测量数据进行预处理，并采用图像重建算法对扩散光测量数据与光声测量 数据进行图像重建，从而得到目标体扩散光学层析和光声层析双模态联合重建图像；
[0007] 所述扩散光学层析测量部分（1)进一步还包括光学接收系统（11)、稳态光源系统 (12)、滤光系统（13)和检测系统（14);所述光声层析测量部分（3)进一步还包括光声探测 系统（31)、脉冲光源系统（32)和数据采集系统（33)。
[0008] 所述仿CT空间扫描系统包括水箱（21)、浸入水箱中设置的电控升降台和旋转台 (22) 、成像腔（23)以及用于挂载第一超声换能器（311)、第二超声换能器（312)以实现信 号环形扫描的电控环形探测旋转台（24)，目标体（5)置于圆柱形的成像腔（23)内，成像腔 (23) 维持圆柱形状且能保证超声信号有效传播；成像腔（23)固定于电控升降台和旋转台 (22)上，通过对升降间距和旋转角度的控制，调整不同成像面（6)上不同光源入射角度，即 实现空间采样率的任意设定；所述水箱（21)中承载的水作为超声耦合液，将整个扫描系统 浸于耦合液中，用于声学信号的传播及减少超声信号的衰减。
[0009] 所述扩散光学层析测量部分（1)还包括光学接收系统（11)、稳态光源系统（12)、 电控滤光系统（13)和检测系统（14);其中：
[0010] 所述光学接收系统（11)由目标体（5)对侧的同探测平面位置上等角度间隔均匀 分布8根探测光纤组成，采用与成像腔同轴的半圆形光纤支架固定；
[0011] 所述稳态光源系统（12)包括两个波长分别为λ 1和λ 2的第一稳态半导体激光 器（121)、第二稳态半导体激光器（122)，且连接同轴入射光纤；入射光经过准直器（123)后 垂直入射至目标体（5)表面；分别接入到8:1光开关（111)的不同通道内，8:1光开关（111) 出射光经准直器（112)至电控滤光系统（13);
[0012] 所述电控滤光系统（13)包括滤光轮控制器（131)和电控滤光轮（132)，出射光通 过电控滤光系统入射至检测系统（14);
[0013] 所述检测系统（14)包括光电倍增管（141)与计数模块（142)，所述光电倍增管 (141)接收光信号并转换成电信号，由计数模块（142)进行处理与记录。
[0014] 所述光声层析测量部分（3)还包括光声探测系统（31)、脉冲光源系统（32)和数据 采集系统（33);其中：
[0015] 所述脉冲光源系统（32)采用脉冲激光器（321)的分布式多束入射方式来实现高 能量脉冲入射光对目标体（5)表面的均匀照射，连接一组双臂光纤束（322)，光纤束传导激 光分别均匀照射成像面的1/4半圆域；
[0016] 所述光声探测系统（31)由挂载于电控环形探测旋转台（24)上的第一超声换能 器（311)和第二超声换能器（312)组成，相对入射光源位于反射测量面；其探头的环形扫描 位置由电控环形探测旋转台（24)来调整；目标体（5)出射的光声信号由第一超声换能器 (311)和第二超声换能器（312)探测后转化成电信号，传送至数据采集系统（33);
[0017] 所述数据采集系统（33)包括前置放大器（331)与高速数据采集卡（332)。
[0018] 本发明还提出一种扩散光学层析和光声层析的联合测量方法，该方法包括以下步 骤：
[0019] 步骤（1)、将选定波长的稳态光源系统连接到同轴入射光纤，入射光纤经过准直器 后垂直入射至目标体表面，在其对侧的同平面位置上等角度间隔均匀分布8根探测光纤， 分别接入到多通道光开关的不同通道内，通过8:1光开关的切换获得不同探测位置的出射 光信号；8:1光开关出