光声成像装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种光声成像装置及方法，包括：激光发射单元、激光调制单元、承载目标的载物单元、检测单元、及向激光调制单元发送调制信号的处理单元；其中，激光调制单元根据调制信号调制激光发射单元发射的激光，将调制后的激光投射到目标；检测单元对目标由激光的照射产生的超声波信号进行检测，并将超声波信号转换为电信号向处理单元发送；处理单元对调制信号与电信号进行关联运算，获取目标图像。本发明光声成像装置具有抗干扰能力强、成像快速精确、时空分辨率高的优点，在医学检测领域具有广阔的应用前景。
【专利说明】
光声成像装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及光声成像领域，尤其涉及一种基于量子关联成像技术的光声成像装置 及方法。
【背景技术】
[0002] 光声成像技术是医学领域新兴的无损检测技术，具有无创伤、非电离、对比度高、 穿透能力强的特点，在一种有效的临床检测手段。光声成像的原理是：当激光辐照生物组织 时，位于组织内部的肿瘤等吸收体吸收光能量升温膨胀，产生超声波，位于组织表面的超声 探测器件接收超声波，并据此重建生物组织的光吸收图像。光声成像技术在医学上具有广 阔的应用前景，是一种对人体几乎无害的检测手段，能够深入组织达到50mm-60mm，满足大 部分疾病的检测要求，尤其在血管造影、肿瘤检查、关节炎诊断方面具有重要价值。
[0003] 现有的光声成像设备一般采用激光器作为激励源，发出激光向生物组织照射，采 集生物组织吸收激光产生的超声波，对超声波进行处理后采用图像重构算法生成生物组织 图像。现有技术存在以下不足：
[0004] 1. -般采用点探测的方式扫描生物组织，成像效率较低。
[0005] 2.采用滤波反投影、迭代重建等算法重建图像，运算较为复杂，图像质量较差。
[0006] 3.只通过采集生物组织产生的超声波成像，时空分辨率较差。
[0007] 因此，亟需一种成像效率高、时空分辨率较好的光声成像装置及方法，以解决上述 问题。
【发明内容】
[0008] 本发明提供了一种基于量子关联成像技术的光声成像装置及方法，通过关联计算 激光信号与其激发的超声波信号来重建目标图像，实现了快速精确、时空分辨率较佳的光 声成像方式。
[0009] 本发明一方面提供一种光声成像装置，包括:激光发射单元、激光调制单元、承载 目标的载物单元、检测单元、及向激光调制单元发送调制信号的处理单元;其中，激光调制 单元根据所述调制信号调制激光发射单元发射的激光，将调制后的激光投射到目标;检测 单元对目标由激光的照射产生的超声波信号进行检测，并将超声波信号转换为电信号向处 理单元发送;处理单元对调制信号与电信号进行关联运算，获取目标图像。
[0010] 优选地，所述装置还包括：同步单元，用于向激光调制单元与检测单元发送同步信 号，使调制信号与电信号同步。
[0011] 优选地，调制信号为矩阵信号&(1，7);以及处理单元对调制信号与电信号利用公 式1进行关联运算：
[0012]
[0013]其中，X、y分别为激光光场的横、纵坐标，i为不大于Μ的正整数，Μ为调制信号总数， S(x，y)为目标图像，Bi为与Ai(x，y)对应的电信号;〈>为相关函数。
[0014]优选地，目标由激光的照射产生超声波信号符合公式2:
[0015]
[0016] 其中，P为超声波信号对应的光声压，β为等体积膨胀系数，F为激光的光能流率，μ 为光吸收率，V为目标中的超声波声速，C为目标的比热容。
[0017] 优选地，所述装置还包括聚光单元与导光单元;其中，聚光单元将激光调制单元调 制后的激光聚集到导光单元;导光单元将接收的激光引导到目标。
[0018] 优选地，激光发射单元为脉冲激光器，激光调制单元为数字微镜器件，检测单元为 超声波换能器，聚光单元为凸透镜。
[0019] 优选地，处理单元发送调制信号的频率与脉冲激光器的脉冲频率相同。
[0020] 本发明另一方面提供一种光声成像方法，包括：
[0021] 向目标投射经调制信号调制的激光;采集目标由激光的照射产生的超声波信号， 并将超声波信号转换为电信号;对调制信号与电信号进行关联运算，获取目标图像。
[0022]优选地，在对调制信号与电信号进行关联运算之前，所述方法还包括:使调制信号 与电信号保持同步。
[0023]优选地，所述对调制信号与电信号进行关联运算具体为:利用公式1对调制信号与 电信号进行关联运算：
[0024]
[0025]其中，Ad^y)为调制信号，x、y分别为激光光场的横、纵坐标，i为不大于Μ的正整 数，Μ为调制信号总数，S(x，y)为目标图像，Bi为与Ai(x，y)对应的电信号;〈>为相关函数。
[0026] 由上述技术方案可知，本发明通过关联计算激光信号与其激发的超声波信号来重 建目标图像，实现了成像快速精确、时空分辨率高的技术效果。
【附图说明】
[0027] 图1是本发明的光声成像装置示意图；
[0028] 图2是本发明的光声成像方法示意图。
【具体实施方式】
[0029] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实 施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为 了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以 实现本发明的这些方面。
[0030] 本发明考虑到现有的光声成像装置存在以下不足:一般采用点探测的方式扫描生 物组织，成像效率较低;采用滤波反投影、迭代重建等算法重建图像，运算较为复杂，图像质 量较差；只通过采集生物组织产生的超声波成像，时空分辨率较差。
[0031] 基于上述考虑，本发明将量子关联成像技术引入光声成像，以突破现有技术的瓶 颈。
[0032] 量子关联成像技术是近年来快速发展的一种新型成像技术。与传统光学成像方式 不同，量子关联成像采用的探测器为不具有空间分辨能力的单像素探测器或桶探测器，因 此又被称作单像素成像。具体而言，激光束经过空间光调制器后被调制成特定的动态散斑， 之后照射到目标上，由单像素探测器或桶探测器采集目标的光强涨落信息，通过关联算法 对动态散斑和光强信息进行关联，即可得到目标的图像信息。量子关联成像方式独特新颖， 具有非定域性、抗干扰能力强、突破衍射极限、超分辨和宽光谱特性等优点，在遥感、光学加 密和生物医学等领域具有巨大的潜在应用前景。
[0033] 本发明将量子关联成像的原理应用到传统的光声成像装置中，将激光调制得到的 光场信息作为量子关联的参考臂，将超声波换能器得到的电信号作为物臂，对二者通过量 子关联算法进行重构就可以得到生物组织的光吸收图像。同时，本发明采用面探测方式扫 描生物组织，提高了成像效率及时空分辨率。
[0034] 图1示出了本发明的光声成像装置，如图1所示，光声成像装置包括:激光发射单元 1、激光调制单元2、载物单元3、检测单元4及处理单元5。
[0035] 激光发射单元1用于发射激光。激光调制单元2用于根据处理单元5发送的调制信 号调制激光发射单元1发射的激光，将调制后的激光投射到目标。目标承载于可在二维平面 自由移动的载物单元3之上，吸收照射的激光后产生超声波信号。检测单元4对超声波信号 进行检测，将超声波信号转换为电信号发送到处理单元5。处理单元5对调制信号与电信号 进行关联运算，得到目标图像。
[0036] 上述设置将量子关联成像的方式应用到现有的光声成像装置中，将激光调制信号 作为量子关联的参考臂，将超声波转换的电信号作为物臂，对调制信号与电信号进行关联 就可以得到目标的光吸收图像。如上设置的光声成像装置成像速度快、抗干扰能力强、时空 分辨率高。
[0037] 在本发明优选实施例中，检测单元4为超声波换能器，激光调制单元2为数字微镜 器件DMD(Digital Micromirror Device)，处理单元5为计算机。
[0038] 较佳地，在本发明优选实施例中，光声成像装置还包括同步单元6,其用于向激光 调制单元2与检测单元4发送同步信号，使调制信号与电信号同步。较佳地，同步单元6为高 精度时钟板卡。
[0039]在本发明优选实施例中，调制信号为矩阵信号六1(1，7)，调制后的激光光场分布与 矩阵AK^y)相符。处理单元5对调制信号与电信号利用公式1进行关联运算：
[0040] t=l
[0041] 其中，x、y分别为激光光场的横、纵坐标，i为不大于Μ的正整数，Μ为调制信号总数， S(x，y)为目标图像，Bi为与Ai(x，y)对应的电信号;〈>为相关函数。
[0042]以上相关运算的具体表达为：
[0043]
[0044]
[0045]
[0046] 上述设置表明，本发明采用面探测方式扫描目标，与现有的点探测方式相比，大大 提高了光声成像装置的成像效率。
[0047] 在本发明优选实施例中，目标由激光的照射产生超声波信号符合公式2:
[0048]
[0049] 其中，P为超声波信号对应的光声压，β为等体积膨胀系数，F为激光的光能流率，μ 为光吸收率，V为目标中的超声波声速，C为目标的比热容。
[0050] 作为一个备选方案，光声成像装置还包括聚光单元与导光单元。聚光单元将激光 调制单元2调制后的激光聚集到导光单元;导光单元将接收的激光引导到目标。较佳地，聚 光单元为凸透镜，导光单元有诸如丙烯酸树脂或聚碳酸酯树脂之类的透明树脂制成。
[0051] 在本发明优选实施例中，激光发射单元1为短脉冲激光器，能够发射具有大峰值功 率、高光谱纯度和集中指向性的激光。短脉冲激光器的脉冲频率与处理单元5发送调制信号 的频率相同。这样就能保证激光器每发出一束激光，就能对应一个新的调制信号。
[0052]在本发明优选实施例中，处理单元5采用实时仿真计算机，配置3GHz主频的ABD Opteron处理器。同步单元6采用时间精度为ns级别的高精度时钟板卡。处理模块与检测模 块通过RS422接口连接。上述设置保证了快速的关联运算速度与较高的成像效率。
[0053]图2示出了本发明的光声成像方法示意图，参见图2,光声成像方法具体如下执行： [0054]在步骤S1中，向目标投射经调制信号调制的激光，目标由于激光的照射产生超声 波。
[0055] 较佳地，调制后的激光可以经过凸透镜的聚集，再经过导光器件的引导，投射到目 标。
[0056] 接下来，在步骤S2中，采集目标上述超声波信号，并将超声波信号转换为电信号。 [0057]接着，在步骤S3中，对调制信号与电信号进行关联运算，获取目标图像。
[0058]上述过程将量子关联成像的方式应用到现有的光声成像装置中，将激光调制信号 作为量子关联的参考臂，将超声波转换的电信号作为物臂，对调制信号与电信号进行关联 就可以得到目标的光吸收图像。上述光声成像装置方法具有成像速度快、抗干扰能力强、时 空分辨率高的优点。
[0059] 作为一个优选方案，在对调制信号与电信号进行关联运算之前，使调制信号与电 信号保持同步。
[0060] 较佳地，利用公式1对调制信号与电信号进行关联运算：
[0061；
[0062]其中，Ad^y)为调制信号，x、y分别为激光光场的横、纵坐标，i为不大于Μ的正整 数，Μ为调制信号总数，S(x，y)为目标图像，Bi为与Ai(x，y)对应的电信号;〈>为相关函数。
[0063]本发明提供的光声成像装置及方法，创造性地将量子关联成像技术引入光声成像 设备，实现了抗干扰能力强，快速精确、时空分辨率较佳的光声成像方式，在医学检测领域 具有十分广阔的应用前景。
[0064] 本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以 通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，如： R0M/RAM、磁碟、光盘等。
[0065] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种光声成像装置，其特征在于，包括:激光发射单元、激光调制单元、承载目标的载 物单元、检测单元、及向激光调制单元发送调制信号的处理单元;其中， 激光调制单元根据所述调制信号调制激光发射单元发射的激光，将调制后的激光投射 到目标； 检测单元对目标由激光的照射产生的超声波信号进行检测，并将超声波信号转换为电 信号向处理单元发送； 处理单元对调制信号与电信号进行关联运算，获取目标图像。2. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括： 同步单元，用于向激光调制单元与检测单元发送同步信号，使调制信号与电信号同步。3. 如权利要求2所述的装置，其特征在于，调制信号为矩阵信号仏(1，7);以及 处理单元对调制信号与电信号利用公式1进行关联运算： 其中，x、y分别为激光光场的横、纵坐标，i为不大于M的正整数，M为调制信号总数，S(x， y)为目标图像，B1为与A1(Xd)对应的电信号;〈>为相关函数。4. 如权利要求3所述的装置，其特征在于，目标由激光的照射产生超声波信号符合公式2： 公式2 其中，P为超声波信号对应的光声压，β为等体积膨胀系数，F为激光的光能流率，μ为光 吸收率，V为目标中的超声波声速，C为目标的比热容。5. 如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括聚光单元与导光单元;其中， 聚光单元将激光调制单元调制后的激光聚集到导光单元； 导光单元将接收的激光引导到目标。6. 如权利要求5所述的装置，其特征在于，激光发射单元为脉冲激光器，激光调制单元 为数字微镜器件，检测单元为超声波换能器，聚光单元为凸透镜。7. 如权利要求6所述的装置，其特征在于，处理单元发送调制信号的频率与脉冲激光器 的脉冲频率相同。8. -种光声成像方法，其特征在于，包括： 向目标投射经调制信号调制的激光； 采集目标由激光的照射产生的超声波信号，并将超声波信号转换为电信号； 对调制信号与电信号进行关联运算，获取目标图像。9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，在对调制信号与电信号进行关联运算之前， 所述方法还包括： 使调制信号与电信号保持同步。10. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述对调制信号与电信号进行关联运算具 体为： 利用公式1对调制信号与电信号进行关联运算：其中，A1(Xd)为调制信号，x、y分别为激光光场的横、纵坐标，i为不大于M的正整数，M为 调制信号总数，S(x，y)为目标图像，B1为与A1(Xd)对应的电信号;〈>为相关函数。
【文档编号】A61B5/00GK105996997SQ201610294776
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】杨照华, 闫瑞涛, 肖雅蓉, 曲少凡, 余远金, 祁振强
【申请人】北京航空航天大学, 北京航天自动控制研究所