一种光声显微成像自适应扫描系统及方法与流程

本发明涉及显微成像技术领域，尤其涉及一种光声显微成像自适应扫描系统及方法。

背景技术：

光声成像是近些年来发展迅速的一种无损医学成像方法，结合了纯超声成像的高穿透特性和纯光学成像的高对比度特性。它是以脉冲激光作为激励源、光声信号作为信息载体，根据不同生物组织对特定波长激光具有差别较大的光学吸收系数进而辐射不同强度超声波的原理进行成像，通过对采集到的光声信号进行图像重建处理而得到组织内部结构信息的一种成像方法。光声成像技术将光学和声学有机地结合起来，部分地克服了光在组织中传播时组织的强散射效应对成像的影响，因此光声成像技术具有比纯光学成像技术更好的生物组织穿透性。光声信号既依赖于生物组织的光学特性，也依赖于生物组织的声学特性，能够给医学诊断提供大量的有效信息，所以光声成像技术应用前景广阔，正逐渐成为生物组织无损检测技术领域的一个研究热点。

光声显微镜(Photoacoustic microscope，PAM)使用扫描的方式获得信号，而不需要复杂的重建算法。扫描的方式主要有两种，第一种是通过扫描一个聚焦的超声探测器以获取光声图像，这种方式被称为超声分辨率光声显微镜，它通过超声来进行定位，分辨率决定于超声探头的带宽以及中心频率。第二种扫描方式是采用会聚的激光束进行扫描，通过这样的方式能达到光学分辨率的光声成像，它的分辨率取决于会聚激光束的衍射极限，因此它也被称为光学分辨率光声显微镜。

然而，当光学分辨率光声显微镜的成像对象表面平整度不高时，由于激光的焦点和超声探头的声焦点的客观存在，使得在使用传统激光束扫描方式时，获得的光声信号并不总能具有较强的均匀的功率密度，这对成像质量造成极大的不利影响，也使光学分辨率光声显微镜的应用范围被限制在平整度较高的材料(如半导体硅片)或者生物组织(如小鼠的耳部血管)的成像上，而无法对平整度较低的材料或者生物组织(如小鼠脑部)进行较好的成像。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种光声显微成像自适应扫描系统，用以自动调整扫描系统与待测组织表面之间的距离，解决光学分辨率光声显微镜无法对平整度较低的材料或者生物组织进行高品质成像的问题。

为此目的，本发明提出了一种光声显微成像自适应扫描系统,包括：

主控装置，与所述主控装置连接的激光器、超声探头、红外测距装置和驱动装置，所述激光器用于发射激光束，所述激光束依次通过光纤束和物镜聚焦在待测组织表面，产生光声信号；所述物镜、所述超声探头和所述红外测距装置的相对位置固定；

当所述红外测距装置位于待测组织的第一位置点上方时，所述红外测距装置用于检测所述超声探头与所述第一位置点之间的第一垂直距离并传输至所述主控装置；

所述主控装置用于控制所述驱动装置驱动所述超声探头和所述物镜移动到至所述第一位置点上方，同时所述红外测距装置移动至所述待测组织的第二位置点上方；当所述红外测距装置位于所述第二位置点上方时，所述红外测距装置还用于检测所述超声探头与第二位置点之间的第二垂直距离并传输至所述主控装置；

所述主控装置还用于根据所述第一垂直距离和第二垂直距离控制所述驱动装置驱动所述超声探头和所述物镜移动到至所述第二位置点上方，使所述超声探头与所述第二位置点之间的距离等于所述第一垂直距离；

所述超声探头用于采集所述第一位置点和第二位置点产生的光声信号并传输至所述主控装置。

优选的，所述主控装置包括数据处理单元，所述数据处理单元用于根据所述超声探头采集的各个位置点产生的光声信号，并通过最大值投影法重建光声图像。

优选的，所述主控装置还包括：与所述数据处理单元连接的数据采集单元，所述数据采集单元包括：分别与所述超声探头、红外测距装置和激光器连接的主控电路，以及依次连接的时间增益补偿放大单元、预滤波单元、A/D转换单元；所述主控电路连接所述时间增益补偿放大单元；

所述主控电路用于向所述激光器发送脉冲激光发射控制信号，并接收所述超声探头返回的光声信号，还用于向所述红外测距装置发送距离检测控制信号。

所述时间增益补偿放大单元用于对所述光声信号进行时间增益补偿放大处理；

所述预滤波单元用于将放大处理后的光声信号进行预滤波处理；

所述A/D转换单元用于将经过预滤波的所述光声信号转换为数字光声信号。

优选的，所述数据采集单元还包括：与所述A/D转换单元连接的数据缓存单元、与所述数据缓存单元连接的数据传输单元；

所述数据缓存单元用于对所述数字光声信号进行存储；

所述数据传输单元用于将所述数据缓存单元存储的数字光声信号传输至所述数据处理单元。

优选的，所述物镜的焦点与所述超声探头的焦点一致且对准所述待测组织表面。

优选的，该系统还包括：三维扫描平台，所述物镜、超声探头、红外测距装置和光纤束均固定在所述三维扫描平台的支架上；

所述驱动装置为连接所述主控装置的步进电机，所述步进电机用于在所述主控装置的控制下，驱动所述三维扫描平台在竖直方向上移动，以调整所述超声探头与所述待测组织表面之间的距离。

优选的，所述步进电机为3台，用于控制所述三维扫描平台分别在x轴、y轴、z轴三个方向上移动。

另一方面，本发明实施例还提供了一种采用上述任意一种所述的系统进行光声显微成像自适应扫描的方法，该方法包括：

当所述红外测距装置位于待测组织的第一位置点上方时，控制所述红外测距装置检测所述超声探头与所述第一位置点之间的第一垂直距离；

控制所述驱动装置驱动所述超声探头和所述物镜移动到至所述第一位置点上方，同时控制所述红外测距装置移动至所述待测组织的第二位置点上方；

当所述红外测距装置位于所述第二位置点上方时，控制所述红外测距装置检测所述超声探头与第二位置点之间的第二垂直距离；

根据所述第一垂直距离和第二垂直距离控制所述驱动装置驱动所述超声探头和所述物镜移动到至所述第二位置点上方，使所述超声探头与所述第二位置点之间的距离等于所述第一垂直距离；

控制所述超声探头采集所述第一位置点和第二位置点产生的光声信号。

优选的，该方法还包括：

通过数据处理单元根据各个位置点采集的所述光声信号，通过最大值投影法重建光声图像。

优选的，在所述根据各个位置点采集的所述光声信号，通过最大值投影法重建光声图像之前，还包括：

对所述光声信号进行时间增益补偿放大处理；

将放大处理后的光声信号进行预滤波处理；

将经过预滤波的所述光声信号转换为数字光声信号。

本发明实施例提供的光声显微成像自适应扫描系统，通过红外测距装置检测超声探头与待测组织表面第一位置点之间的距离以及超声探头与待测组织表面第二位置点之间的距离，以此控制超声探头在移动至第二位置点时，超声探头与第二位置点之间的距离与超声探头与第一位置点之间的距离相同，从而在对平整度较低的材料或生物组织进行成像时，可以自动调整超声探头与待测组织之间的距离，保证实时对焦，实现光声图像的高分辨率成像。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种光声显微成像自适应扫描系统的框架示意图；

图2为本发明另一实施例提供的一种光声显微成像自适应扫描系统的框架示意图；

图3为本发明一实施例提供的一种光声显微成像自适应扫描方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供了一种光声显微成像自适应扫描系统，该系统包括：

主控装置1，与所述主控装置1连接的激光器2、超声探头3、红外测距装置4和驱动装置5，所述激光器2用于发射激光束，所述激光束依次通过光纤束7和物镜8聚焦在待测组织10表面，产生光声信号；所述物镜8、所述超声探头3和所述红外测距装置4的相对位置固定；

当所述红外测距装置4位于待测组织10的第一位置点上方时，所述红外测距装置4用于检测所述超声探头3与所述第一位置点之间的第一垂直距离并传输至所述主控装置1；

所述主控装置1用于控制所述驱动装置5驱动所述超声探头3和所述物镜8移动到至所述第一位置点上方，同时所述红外测距装置4移动至所述待测组织10的第二位置点上方；当所述红外测距装置4位于所述第二位置点上方时，所述红外测距装置4还用于检测所述超声探头3与第二位置点之间的第二垂直距离并传输至所述主控装置1；

所述主控装置1还用于根据所述第一垂直距离和第二垂直距离控制所述驱动装置5驱动所述超声探头3和所述物镜8移动到至所述第二位置点上方，使所述超声探头3与所述第二位置点之间的距离等于所述第一垂直距离；

所述超声探头3用于采集所述第一位置点和第二位置点产生的光声信号并传输至所述主控装置1。

需要说明的是，本发明实施例提供的光声显微成像自适应扫描系统可以应用于光声显微镜中，其中，该激光器2可以为OPO高能激光器，可以选用德国Innolas公司spitlight600激光器，脉冲宽度最低为1μs，最大能量90mJ，最高重复频率20Hz；超声探头3可以选用128阵元的宽带线阵探头，探头带宽为5～9MHz，阵元间距为0.3mm。该光纤束7可以为高能光纤束7。超声探头3的阵元面、光纤束7的出光口正对待测组织10，OPO高能激光器发出的脉冲激光可以经过镜组6作用后照射到待测组织10的表面，产生光声信号。该镜组6可以包括聚焦透镜和棱镜等。物镜8、超声探头3和红外测距装置4可以固定在移动平台上，使三者的相对位置固定。

具体的，当红外测距装置4位于待测组织10的第一位置点上方时，此时超声探头3位于前一位置点，红外测距装置4检测超声探头3与第一位置点之间的第一垂直距离并传输至主控装置1；主控装置1控制驱动装置5驱动所超声探头3和物镜8移动到至第一位置点上方，此时红外测距装置4移动至待测组织10的第二位置点上方；主控装置1控制激光器2发出脉冲激光，脉冲激光经过镜组6作用并通过光纤束7和物镜8照射在待测组织10表面的第一位置点，并产生光声信号，超声探头3采集第一位置处的光声信号。当红外测距装置4位于第二位置点上方时，红外测距装置4检测所述超声探头3与第二位置点之间的第二垂直距离并传输至所述主控装置1(此时超声探头3位于第一位置点上方)；主控装置1根据第一垂直距离和第二垂直距离控制驱动装置5驱动所述超声探头3和物镜8移动到至所述第二位置点上方，使所述超声探头3与所述第二位置点之间的距离等于所述第一垂直距离；主控装置1控制激光器2发出脉冲激光，脉冲激光经过镜组6作用并通过光纤束7和物镜8照射在待测组织10表面的第二位置点，并产生光声信号，超声探头3采集第二位置点产生的光声信号。超声探头3将采集的第一位置点和第二位置点产生的光声信号传输至主控装置1。

本发明实施例提供的光声显微成像自适应扫描系统，通过红外测距装置4检测超声探头3与待测组织10表面第一位置点之间的距离以及超声探头3与待测组织10表面第二位置点之间的距离，以此控制超声探头3在移动至第二位置点时，超声探头3与第二位置点之间的距离与超声探头3与第一位置点之间的距离相同，从而在对平整度较低的材料或生物组织进行成像时，可以自动调整超声探头3与待测组织10之间的距离，保证实时对焦，实现光声图像的高分辨率成像。

在上述实施例的基础上，如图2所示，本发明实施例提供的一种光声显微成像自适应扫描系统，所述主控装置1包括数据处理单元11，所述数据处理单元11用于根据所述超声探头3采集的各个位置点产生的光声信号，并通过最大值投影法重建光声图像。

其中，所述主控装置1还包括：与所述数据处理单元11连接的数据采集单元12，所述数据采集单元12包括：分别与所述超声探头3、红外测距装置4和激光器2连接的主控电路121，以及依次连接的TGC(时间增益补偿)放大单元122、预滤波单元123、A/D转换单元124；所述主控电路121连接所述TGC放大单元122；

所述主控电路121用于向所述激光器2发送脉冲激光发射控制信号，并接收所述超声探头3返回的光声信号，还用于向所述红外测距装置4发送距离检测控制信号。

所述TGC放大单元122用于对所述光声信号进行时间增益补偿放大处理；

所述预滤波单元123用于将放大处理后的光声信号进行预滤波处理；

所述A/D转换单元124用于将经过预滤波的所述光声信号转换为数字光声信号。

其中，所述数据采集单元12还包括：与所述A/D转换单元124连接的数据缓存单元125、与所述数据缓存单元125连接的数据传输单元126；

所述数据缓存单元125用于对所述数字光声信号进行存储；

所述数据传输单元126用于将所述数据缓存单元125存储的数字光声信号传输至所述数据处理单元11。

具体的，主控电路121控制激光器2发出脉冲激光，脉冲激光经过镜组6作用并通过光纤束7后，照射在待测组织10表面的第一位置点，并产生光声信号，超声探头3采集该位置处的光声信号，并传输至主控电路121，之后通过依次连接的TGC放大单元122、预滤波单元123、A/D转换单元124、数据缓存单元125和数据传输单元126可以对该光声信号进行同步放大、预滤波、A/D转换和缓存，最后上传到数据处理单元11，由数据处理单元11根据超声探头3采集的各个位置点产生的光声信号，并通过最大值投影法重建光声图像。其中，数据缓存单元125可以为基于FPGA的数据采集电路，该数据传输单元126可以为USB数据传输电路。其中，主控电路121与除预滤波单元123以外的其他单元(TGC放大单元122、A/D转换单元124、数据缓存单元125和数据传输单元126)均电气连接。与超声探头3的移动方向对应的红外测距装置4可以位于第二位置点的上方，用于检测超声探头3与待测组织10第二位置点之间的第二垂直距离，可以由主控电路121控制红外测距装置4进行超声探头3与待测组织10之间距离的测量，红外测距装置4检测的结果返回给主控电路121，可以由主控电路121控制驱动装置5，带动超声探头3和光纤束7出光口(包括物镜8)到达第二位置点上方，在超声探头3和光纤束7出光口到达第二位置点时，可以由主控电路121根据红外测距装置4返回的结果(即超声探头3与第二位置点之间的距离)控制驱动装置5带动超声探头3、红外测距装置4和光纤束7的出光口移动，从而调整光纤束7的出光口和超声探头3与待测组织10之间的距离，使该距离与超声探头3位于第一位置点上方时的距离相等。

在上述实施例的基础上，优选的，所述物镜8的焦点与所述超声探头3的焦点一致且对准所述待测组织10表面。优选的，该系统还包括：三维扫描平台9，所述物镜8、超声探头3、红外测距装置4和光纤束7均固定在所述三维扫描平台9的支架上；所述驱动装置5为连接所述主控装置1的步进电机，所述步进电机用于在所述主控装置1的控制下，驱动所述三维扫描平台9在竖直方向上移动，以调整所述超声探头3与所述待测组织10表面之间的距离。

如图2所示，本发明实施例提供的一种光声显微成像自适应扫描系统，所述光纤束7的出光口通过物镜8将所述脉冲激光照射到所述待测组织10表面；所述物镜8的焦点与所述超声探头3的焦点一致且对准所述待测组织10表面。其中，为了便于调整物镜8、超声探头3、红外测距装置4以及光纤束7，该系统还包括：三维扫描平台9，所述物镜8、超声探头3、红外测距装置4和光纤束7均固定在所述三维扫描平台9的支架上；驱动装置5包括连接所述主控电路的步进电机，所述步进电机用于在所述主控电路的控制下，驱动所述三维扫描平台9在竖直方向上移动，以调整所述超声探头3与所述待测组织10表面之间的距离以及所述物镜8(即光纤束7出光口)与所述待测组织10表面之间的距离。需要说明的是，由于物镜8、超声探头3、红外测距装置4和光纤束7均固定在所述三维扫描平台9的支架上，所以主控电路通过控制步进电机驱动三维扫描平台9的上下移动，就可以带动该平台支架上的物镜8、超声探头3、红外测距装置4和光纤束7一起上下移动，从而可以改变超声探头3与待测组织10之间的距离，以及物镜8与待测组织10之间的距离，但不改变超声探头3和物镜8的相对距离。其中，该红外测距装置46可以为两个，分别装配在三维扫描平台9的X轴的两个方向上。该主控电路可以包括用于控制该步进电机的步进电机控制器以及RS485数据传输电路，相应的，该数据处理单元11可以为高能计算机，该高能计算机具有连接步进电机控制器的RS485接口以及与USB数据传输电路连接的PCIE接口。

进一步的，该步进电机可以为3台，用于控制所述三维扫描平台9分别在x轴、y轴、z轴三个方向上移动。其中，该三维扫描平台9还可以包括面包板，用于各种电路单元的组装。举例来说，可以用于数据采集单元12的装配。

如图3所示，本发明实施例提供的一种光声显微成像自适应扫描方法，该方法可以采用上述实施例所述的光声显微成像自适应扫描系统，该方法包括以下步骤:

S1：当所述红外测距装置4位于待测组织10的第一位置点上方时，控制所述红外测距装置4检测所述超声探头3与所述第一位置点之间的第一垂直距离；

S2：控制所述驱动装置5驱动所述超声探头3和所述物镜8移动到至所述第一位置点上方，同时控制所述红外测距装置4移动至所述待测组织10的第二位置点上方；

S3：当所述红外测距装置4位于所述第二位置点上方时，控制所述红外测距装置4检测所述超声探头3与第二位置点之间的第二垂直距离；

S4：根据所述第一垂直距离和第二垂直距离控制所述驱动装置5驱动所述超声探头3和所述物镜8移动到至所述第二位置点上方，使所述超声探头3与所述第二位置点之间的距离等于所述第一垂直距离；

S5：控制所述超声探头3采集所述第一位置点和第二位置点产生的光声信号。

本发明实施例提供的光声显微成像自适应扫描方法，通过红外测距装置4检测超声探头3与待测组织10表面第一位置点之间的距离以及超声探头3与待测组织10表面第二位置点之间的距离，以此控制超声探头3在移动至第二位置点时，超声探头3与第二位置点之间的距离与超声探头3与第一位置点之间的距离相同，从而在对平整度较低的材料或生物组织进行成像时，可以自动调整超声探头3与待测组织10之间的距离，保证实时对焦，实现光声图像的高分辨率成像。

优选的，该方法还包括：

通过数据处理单元11根据各个位置点采集的所述光声信号，通过最大值投影法重建光声图像。

优选的，在所述根据各个位置点采集的所述光声信号，通过最大值投影法重建光声图像之前，还包括：

对所述光声信号进行时间增益补偿放大处理；

将放大处理后的光声信号进行预滤波处理；

将经过预滤波的所述光声信号转换为数字光声信号。

对于与系统对应的光声显微成像自适应扫描方法实施例而言，由于其与系统实施例基本相似，达到的技术效果也与系统实施例起到的效果相同，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。