CN102608036A - 基于声学透镜和传感器阵列的三维光声成像***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于声学透镜和传感器阵列的三维光声成像***及方法，该***为正方体实验台，主要包括激光器、扩束镜、声子晶体透镜、光声传感器阵列、数据总线、毛玻璃器皿、数据采集模块及用于图像处理的计算机；利用了激光照射正方体毛玻璃容器四个侧面的中心点，使得透过毛玻璃散射均匀照射到样本，使样本均匀受热膨胀，使得样本膨胀产生的声信号聚焦形成波束，通过光声传感器阵列、数据采集模块及用于图像处理的计算机实时、采集、记录光声成像的三维数据，经过图像处理可以在显示器上直接看到检测样本的光吸收分布三维图像，具有功能完善，性能稳定，成本低廉等优点，可在生物、医学、材料分析等领域的广泛应用。

Description

基于声学透镜和传感器阵列的三维光声成像***及方法

技术领域

本发明属于光声成像技术领域，具体地说是基于声学透镜和传感器阵列的三维光声成像方法及其装置。

背景技术

光声成像技术是近年来发展起来的一种无损医学成像方法，它结合了纯光学成像的高对比度特性和纯超声成像的高穿透深度特性，可以提供高分辨率和高对比度的组织成像。光声成像技术是采用“光激发--超声波成像”的新型成像技术。光声成像技术是一种适性强、灵敏度高的检测技术，特别适用于强散射、非透明样品的非破坏性检测，在生物、医学、材料分析等领域应用十分广泛。

目前，光声成像技术可归纳三种模式：相控聚焦法、基于Radon反演的滤波反投影成像法和声透镜成像法。Xing等根据相控聚焦的原理，利用320阵元的换能器线阵，实现了快速光声成像。Wang L.V.等把Radon反演算法发展成一种高分辨率的光声成像方法.这两种成像方法都避免了声波衍射效应的限制，因而可以实现高分辨率成像，但由于需要对成像物体进行扫描和数据平均处理等，所需时间较长，还可能会引起重建伪迹。

现已有很多模拟组织的光声成像和在体功能成像研究的相关报道，但其实验装置复杂，数据采集时间长，且成像算法复杂，计算量大，获得一幅完整的重建图像的时间通常需要几分钟至数十分钟，无法满足实际临床应用的要求。同时，由于采用几百个角度的机械扫描和长时间的数据采集过程，机械振动和仪器长时间工作的随机参量漂移等不稳定因素对研究结果不可避免带来随机误差，从而严重影响成像的质量和研究结果的可靠性和稳定性。

现有光声成像***还存在着一些不足，一般的光源采用脉冲激光器，体积比较庞大，设备昂贵，另外图像效果还达不到其他成像技术的水平，尤其是深层组织的成像受组织的吸收影响比较严重。而且现有光声成像***的成像大多数采用水听器来实现的是二维成像，很少有使用阵列实现三维高分辨率光声成像***。此外，现有光声成像***很少有考虑到样本的不规则性。

发明内容

本发明的目的是克服现有光声成像技术存在的不足和缺点，提供一种减小***误差，能够实时、快速接收、准确记录光声成像的三维数据，并经过图像处理能够在显示器上直接看到检测样本的光吸收分布三维图像的基于声学透镜和传感器阵列的三维光声成像方法及***。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

基于声学透镜和传感器阵列的三维光声成像***，为正方体实验台，包括激光器、扩束镜、声子晶体透镜、光声传感器阵列、数据总线、毛玻璃器皿、数据采集模块及用于图像处理的计算机；其特征是：所述的激光器与扩束镜各有四个，所述的毛玻璃器皿放置在正方体内部底面中心位置处；四个激光器部于在正方体实验台四个垂面的底部，并与内部的毛玻璃器皿成空间垂直状态；四个扩束镜紧贴在毛玻璃器皿的外壁，空间位置与激光器相对应；声子晶体构成的声学透镜在毛玻璃器皿的正上方，光声传感器阵列位于声学透镜的正上方，在声透镜焦点位置，并且光声传感器通过数据总线与数据采集模块及计算机相连接。所述的用于图象处理的计算机含有图像处理、显示模块及图像处理软件，能够把接收到的三维光声数据进行光声图像降噪、增强处理，以得到检测样本的光吸收分布三维图像，并能够在显示器上显示二维或三维图像。

所述的声学透镜由声子晶体组成，其中：声子晶体由直径约为0.78cm的铅球外面均匀包覆0.02cm软性的橡胶，再嵌入在环氧树脂立方体中构成。

基于声透镜和传感器阵列的三维光声成像的方法，其特征是：

(1)激光照射样本受热膨胀发射声信号：由激光照射毛玻璃容器四个侧面，使得样本均匀受热膨胀发射声信号，由时序控制电路实现激光信号发射的参数控制及时间记录；记录初始时刻t₀，由激光器同时照射容器四周的中心，使得样本受热膨胀发射声波信号；

(2)声学透镜聚焦：由声子晶体组成声透镜，接收样本发射的声波，进行聚焦；按照声透镜成像模型拟定好样本在光声传感器阵列中的成像位置，反射的光声信号由声子晶体聚焦；

(3)声信号接收、调理：光声传感器阵列并在各自光声传感器的焦点位置接收发射的光声信号，通过数据采集模块实时采集、接收和记录光声成像的三维数据；其中：

当光声传感器阵列有声波信号时，记录此时时刻为t₁，存储在计算机的数据存储器RAM中；同时光声传感器阵列将微弱的光声信号转变为电信号，电信号的值，即是反射声波的能量E；

按照声学透镜的负折射规律，即能够获得样本成像区域的二维成像数据f(x，y)；利用声波的游历时间T可以计算出检测样本声源到接收阵列的距离L，此距离L，即是样本的成像区域的第三维坐标数据z，其中：T＝t₁-t₀，L＝T*散射液体中声速，(z＝L)；利用坐标数据z结合二维成像数据f(x，y)就能够获得样本的成像区域的光声图像的三维成像数据f(x，y，z)，反射声波的能量E为样本的成像区域的光声图像的三维成像数据f(x，y，z)，即E＝f(x，y，z)；

(4)光声图像处理及显示：所述的光声图像的三维成像数据f(x，y，z)，其中二维成像数据f(x，y)由声透镜成像模型得到，另一维坐标数据f(z)由散射液体中的游历时间T决定，E为样本光声压的大小也就是光声图像的灰度值；把接收到的三维成像数据进行光声图像的增强、特征提取、分类和识别，将得到的三维成像数据输入计算机或单片机，经图像处理实现检测样本的三维显示与分析。

本发明的有益效果：

本发明利用了激光照射正方体毛玻璃容器四个侧面的中心点，使得透过毛玻璃散射均匀照射到样本，使样本均匀受热膨胀，尽可能小的减小***误差。另外，利用声子晶体完美透镜的特点，使得样本膨胀产生的声信号聚焦形成波束，在声透镜焦点位置放置声信号接受阵列，接受阵列可以实时、快速接收、准确记录光声成像的三维数据，经过图像处理可以在显示器上直接看到检测样本的光吸收分布三维图像，即可得到样本的光吸收分布三维图像。

本发明所提供的***具有功能完善，性能稳定，成本低廉等优点，可在生物、医学、材料分析等领域的广泛应用，在癌变组织的成像，肿瘤的探测方面的相关研究具有重要意义。

附图说明

图1为光声成像***结构示意图。

图2为声子晶体构成图。

图3为声波通过声透镜聚焦成像图。

图4为单独的光声传感器构成图。

图5为光声传感器阵列构成图。

图6为数据采集处理工作。

图7为图像处理的流程。

图8为图像处理后的三维效果图。

图1中附图标记：1是激光器，2是扩束镜，3是声子晶体透镜，4是传感器阵列，5是数据总线，6是玻璃容器，7是(细胞)样本，8扩束后激光，9是辐射的声波，10是检测样本的二维图像，11是感应纤维，12电桥电路，13聚能腔，14是256路模拟信号，15是16位数据采集板，16是控制板，17是RAM存储器 18是被检测(细胞)样本的三维图像。

具体实施方式

以下结合附图进行本发明的详细说明。

如图1所示，基于声学透镜和传感器阵列的三维光声成像***，为正方体实验台，一种基于声学透镜和传感器阵列的三维光声成像***，为正方体实验台；包括激光器1、扩束镜2、声子晶体透镜3、光声传感器阵列4、数据总线5、毛玻璃器皿6、数据采集模块及用于图像处理的计算机；其特征是：所述的激光器与扩束镜各有四个，所述的毛玻璃器皿放置在正方体内部底面中心位置处；四个激光器部于在正方体实验台四个垂面的底部，并与内部的毛玻璃器皿成空间垂直状态；四个扩束镜紧贴在毛玻璃器皿的外壁，空间位置与激光器相对应；声子晶体构成的声学透镜在毛玻璃器皿的正上方，光声传感器阵列位于声学透镜的正上方，在声透镜焦点位置，并且光声传感器通过数据总线与数据采集模块及计算机相连接。

1、激光激发超声。

首先，由单片机控制电路记录激发时的初始时刻t₀，存储在数据存储器RAM中，在此时四个同一型号的激光器同时照射毛玻璃容器四个侧面的中心，使得(细胞)样本7均匀受热膨胀发射声波信号。

2、声波聚焦。

如图2所示，激发的声信号经过声子晶体构成的声学透镜进行聚焦，样本中不同位置的发射声波分别聚焦于不同的焦点，接收阵上的基元按这些焦点位置布放，这些焦点组成了焦平面，接收阵与焦平面重合。如图3所示，样本发射出的声波经过声子晶体透镜的折射聚焦在接收阵上形成照射面的二维图像10。被检测目标在视场中被划分为多个基元，基元的划分决定了聚焦平面的分辨率，本***的接收阵是16*16的256个基元聚焦平面，矩阵划分的越细致，接收到的二维图像就越清晰。

3、声波接收。

如图4所示，光声传感器阵列是接收模块，为介观压阻声传感器，其中：光声传感器阵列由MEMS制成。它由相同的四个压敏电阻连接成两路全桥电路。当有沿Z轴方向的声信号作用于聚能腔时，聚能腔受声压的激励，产生震动，聚能腔底部通过纤维联系压敏电阻，由于该压敏电阻通过惠斯通电桥方式连接，当外加激励时即可产生模拟电流。聚能腔接收到的声能不一样，激励的大小不一样，压敏电阻值不一样，产生的电流即不一样。

在光声成像***中，把很多光声传感器按成像规律和焦点分布排成一个阵，称为接收基阵，各光声传感器就称为阵元或基元。某一方向的声波经过声透镜聚焦在一点(焦点)上，在此放置一个接收基元，即可以实现对该方向的波束接收。在聚焦平面上布放一个由多个基元组成的接收阵(见图5所示)，则可以接收到不同方向的入射声波，不同采样时刻对应着不同的距离。光声传感器阵列在各自光声传感器的焦点位置接收发射的光声信号，通过单片机控制电路和计数电路，计算出光声信号到达阵列的时间，记录此时时刻为t₁，并存储在数据存储器RAM中，因为样本结构、三维轮廓不一致，所以激发出来的超声波到达接收阵上的时间t₁不一致，所以利用接收阵时间t₁即可得到散射液体中声波游历时间T(T＝t₁-t₀)，同时结合声波的游历时间T[T＝t₁-t₀]可以计算出检测样本声源到接收阵列的距离L[L＝T*散射液体中声速]，此距离L即是样本的成像区域的第三维坐标数z(z＝L)，结合以上述的声学透镜的负折射规律得到图像的二维成像数据f(x，y)，即可得到光声图像的三维坐标(x，y，z)，同时由于光声传感器将微弱的光声信号转变为电信号，电信号的值即是样本光声压的大小(幅值)记为E，也就是光声图像的灰度值。综上可以得到光声图像的三维坐标数据为E＝f(x，y，z)，其中(x，y)的坐标值由声透镜成像模型得到，(z)的坐标值由散射液体中的游历时间T决定。

4、数据接收。

如图6所示，数据接收***是由一块控制板和16块以16通道为单位进行数据采集的数据采集板组成，对声波接收基阵接收到的256路模拟信号进行采集、处理，并将三维光声数据存储到RAM中，以便后期的图像处理使用。数据采集板接收来自接收阵的256路模拟信号，每路的基本结构是相同的，可以采用模块化的方式进行设计。每一块采集板上有16路模拟输入，16个模拟信号处理单元，1个以FPGA和DSP为核心器件的控制处理单元，这样每块数据采集板完成16路信号的采集、处理和传输，共需要16块采集板同时工作。具体工作流程为：中央控制板在启动发射模块时，将给数据接收***发送工作参数和启动采集的命令，该部分控制板根据相应的工作参数设置A/D转换器的采样时间，当声波到达接收模块时，控制板会同时启动16块数据采集板进行数据采集，当数据全部采集完毕后，控制板接收中断，产生片选信号，片选有模拟信号的单元进行信号调理，经过模拟信号调理电路的放大、滤波、包络检波等处理，转换为符合A/D转换器要求的信号并进行采样，控制板将数据保存在RAM中，为后期处理进行准备。

5、图像处理及显示。

将数据采集模块中的三维光声数据导入计算机(单片机或PC机)中进行图像处理及显示。如图7所示，在图像处理中对经典图像进行降噪和增强处理，最后使用开源可视化程序库VTK，开发了光声三维数据可视化平台，可以得到被检测(细胞)样本光吸收分布三维图像18，如图8所示。

基于传感器的信号弹发射高度的测量***的工作原理是：首先，激光照射使得样本均匀受热膨胀发射声信号，样本激发出来声波经过声学透镜在焦点位置聚焦；在焦点组成的焦平面放置光声信号接受阵列，接收样本发射出来的光声信号，光声信号接受阵列主要是由基于介观压阻效应的光声传感器组成；该传感器将接收到的微弱声信号转换为电信号，然后由信号调理电路对该电信号进行前置放大、滤波，再将模拟信号转换为数字信号，从而实时记录、存储每个传感器接收到的超声信号的时域特性和幅度特性，利用声波在液体中游历时间同时结合声透镜成像的模型获得的二维成像数据，即可得到三维光声成像数据，将此数据存储、传输到图像处理、显示模块进行光声图像降噪、增强、从而得到检测样本的光吸收分布三维图像。

该***成像原理科学、电路结构简单，减少了***的硬件规模，很大的降低了***的成本，采用合理的激光分布、利用先进的声子晶体构成的声学透镜，结合光声传感器阵列，三维光声数据采集及三维声图像数据处理，实现了检测样本的三维高分辨率图像的显示和分析。

本发明在病变细胞组织成像应用的操作具体步骤：

(1)将病变细胞组织置于实验台的毛玻璃器皿中。

(2)打开四个方向的激光器，发射激光，通过扩束镜和毛玻璃扩束，使激光均匀照射到病变组织上。

(3)经过激光照射的病变细胞会升温膨胀并向外发射声波，这些声波通过声子晶体聚焦到位于焦平面上的由16*16的256个基元构成的光声传感器阵列上。

(4)光声传感器将病变细胞发出的声信号转化为电信号，并通过滤波放大信号调理得到模拟信号，模拟信号通过数据采集卡转换为数字信号。根据负折射规律得到病变细胞的二维图像的成像模型。

(5)将每个光声传感器接收到的超声信号的时域特性和幅度特性，传送到RAM中，并结合声透镜成像的模型，可得到三维光声成像数据。

(6)再由计算机(单片机或PC机)将此数据存储、传输到图像处理、显示模块进行光声图像降噪、增强，从而得到检测样本的光吸收分布三维图像数据。

(7)三维数据处理及成像技术有：

方案一：是将三维数据通过嵌入式***处理后经显示器显示。

方案二：是将三维数据通过外设计算机处理后成像显示。

最后需要说明的是：以上述实例，仅仅是为清楚地说明本发明所做的举例，而并非对实施方式的限定，就技术而言还可以对上述说明做出其它不同形式的变化或变动。这里也无法对所有实施方式予以穷举。而由此衍生出的显而易见的变化或变动仍处于本发明保护范围之中。

Claims (4)

1.一种基于声学透镜和传感器阵列的三维光声成像***，为正方体实验台；包括激光器(1)、扩束镜(2)、声子晶体透镜(3)、光声传感器阵列(4)、数据总线(5)、毛玻璃器皿(6)、数据采集模块及用于图像处理的计算机；其特征是：所述的激光器与扩束镜各有四个，所述的毛玻璃器皿放置在正方体内部底面中心位置处；四个激光器部于在正方体实验台四个垂面的底部，并与内部的毛玻璃器皿成空间垂直状态；四个扩束镜紧贴在毛玻璃器皿的外壁，空间位置与激光器相对应；声子晶体构成的声学透镜在毛玻璃器皿的正上方，光声传感器阵列位于声学透镜的正上方，在声透镜焦点位置，并且光声传感器通过数据总线与数据采集模块及计算机相连接。

2.根据权利要求1所述的基于声学透镜和传感器阵列的三维光声成像***，其特征是：所述的用于图象处理的计算机含有图像处理、显示模块及图像处理软件，能够把接收到的三维光声数据进行光声图像降噪、增强处理，以得到检测样本的光吸收分布三维图像，并能够在显示器上显示二维或三维图像。

3.根据权利要求1所述的基于声学透镜和传感器阵列的三维光声成像***，其特征是：所述的声学透镜由声子晶体组成，其中：声子晶体由直径约为0.78cm的铅球外面均匀包覆0.02cm软性的橡胶，再嵌入在环氧树脂立方体中构成。

4.一种权利要求1所述的基于声透镜和传感器阵列的三维光声成像***的成像方法，其特征是：

(1)激光照射样本受热膨胀发射声信号：由激光照射毛玻璃容器四个侧面，使得样本均匀受热膨胀发射声信号，由时序控制电路实现激光信号发射的参数控制及时间记录；记录初始时刻t₀，由激光器同时照射容器四周的中心，使得样本受热膨胀发射声波信号；

(2)声学透镜聚焦：由声子晶体组成声透镜，接收样本发射的声波，进行聚焦；按照声透镜成像模型拟定好样本在光声传感器阵列中的成像位置，反射的光声信号由声子晶体聚焦；

(3)声信号接收、调理：光声传感器阵列并在各自光声传感器的焦点位置接收发射的光声信号，通过数据采集模块实时采集、接收和记录光声成像的三维数据；其中：

当光声传感器阵列有声波信号时，记录此时时刻为t₁，存储在计算机的数据存储器RAM中；同时光声传感器阵列将微弱的光声信号转变为电信号，电信号的值，即是反射声波的能量E；

按照声学透镜的负折射规律，即能够获得样本成像区域的二维成像数据f(x，y)；利用声波的游历时间T可以计算出检测样本声源到接收阵列的距离L，此距离L，即是样本的成像区域的第三维坐标数据z，其中：T＝t₁-t₀，L＝T*散射液体中声速，(z＝L)；利用坐标数据z结合二维成像数据f(x，y)就能够获得样本的成像区域的光声图像的三维成像数据f(x，y，z)，反射声波的能量E为样本的成像区域的光声图像的三维成像数据f(x，y，z)，即E＝f(x，y，z)；

(4)光声图像处理及显示：所述的光声图像的三维成像数据f(x，y，z)，其中二维成像数据f(x，y)由声透镜成像模型得到，另一维坐标数据f(z)由散射液体中的游历时间T决定，E为样本光声压的大小也就是光声图像的灰度值；把接收到的三维成像数据进行光声图像的增强、特征提取、分类和识别，将得到的三维成像数据输入计算机或单片机，经图像处理实现检测样本的三维显示与分析。

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