CN105572049A - 光声定量弹性成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光声定量弹性成像方法及装置，所述方法包括：激光器发出脉冲激光，该脉冲激光通过聚焦透镜聚焦，照在组织样品上，激发出光声信号，光声信号经过耦合槽的耦合液后被超声探测器接收；超声探测器接收的光声信号经放大器放大后，被示波器采集，将信号信息存储到计算机中，计算机控制步进电机逐点移动组织样品，对应的组织样品上形成X-Y二维平面扫描区域；示波器采集完全部信号后，计算机计算各点的组织样品定量弹性模量；根据计算的定量弹性模量，重建出组织样品的定量弹性二维图像；所述装置包括光声激发源、信号采集/传输/重建组件、耦合槽、步进电机和X-Y二维扫描平台。本发明可以实现无损、高分辨的组织弹性定量测量和成像。

Description

光声定量弹性成像方法及装置

技术领域

本发明涉及一种弹性成像方法及装置，尤其是一种光声定量弹性成像方法及装置，属于生物医学检测技术领域。

背景技术

组织的病理变化往往伴随其机械性质特别是弹性模量的变化，因此可以通过分析组织的物理参数实现组织的病变检测。目前，通过检测组织的弹性预测组织疾病的方法已经被医生及影像学研究者广泛地接收，如利用超声弹性检测的方法实现无损肝硬化的检测方法已经应用于临床疾病的参数检测。

现有的定量弹性检测方法主要为静态超声弹性检测和超声剪切波弹性成像。静态超声弹性检测方法采用静态或准静态的组织激励方法，人为利用已知大小的力挤压组织是组织产生形变，利用超声成像获得组织中的位移大小，根据弹性模量等于(力/位移大小)，可以获得定量弹性模量。该方法的缺点是，将组织建模为纯弹性体，忽略组织具有粘弹性质的事实，不可避免的会导致测量结果不准确。同时该方法中施加在组织上的力在组织中的分布受到组织样品形状及激励手段的影响，导致测量结果与真实值偏差较大。超声剪切波弹性成像利用聚焦超声在焦点处引起的非线性效应激励剪切波，通过测量剪切波在组织中的传播速度获得组织的弹性模量。该方法主要应用于如乳腺及甲状腺等大组织器官的弹性检测，存在激发效率较低对小病灶区检测不准确等缺点，且聚焦区域能量过高导致温度升高对生物组织造成损伤或者探测区域生理性质的改变不可避免。同时。目前的弹性定量检测和成像主要能够在大器官能够实现，对于血管疾病的弹性成像还停留在成像应变图而无法实现定量弹性成像的程度。本文提出的组织弹性模量的光声定量测量与成像方法能够实现无损小病灶区的定量弹性测量和成像，与已有弹性测量和成像技术相比具有无法比拟的优越性。

目前，利用光声方法检测组织弹性在我国已有报道，如2011年9月7日公开的发明专利：光声弹性成像方法与装置，申请人：华南师范大学，申请日：2011年1月14日，申请号：201110008213.5，其采用了强度调制的连续光源激发产生光声信号，通过测量该信号与调制信号之间的相位差并逐点扫描可以重建出检测组织样品的弹性分布图像。但在上述方法中，未能够实现组织弹性模量的定量测量，也就是不能获得弹性模量的绝对值，只能提供相对值，降低了该方法在实际应用中测量结果的准确性。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种光声定量弹性成像方法，该方法可以实现无损、高分辨的组织弹性定量测量和成像。

本发明的另一目的在于提供一种实现上述方法的光声定量弹性成像装置。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

光声定量弹性成像方法，所述方法包括以下步骤：

1)将组织样品放置在X-Y二维扫描平台上，并浸没在耦合槽的耦合液中；将聚焦透镜设置在组织样品正上方，并调整聚焦透镜的高度使聚焦透镜的焦点不偏离组织样品表面；将超声探测器对准组织样品，并使超声探测器的下端进入耦合槽的耦合液中；

2)激光器发出脉冲激光，该脉冲激光通过聚焦透镜聚焦，照在组织样品上，激发出光声信号，光声信号经过耦合槽的耦合液后被超声探测器接收；

3)超声探测器接收的光声信号经放大器放大后，被示波器采集，示波器将采集的信号信息存储到计算机中，计算机控制步进电机逐点移动组织样品，对应的组织样品上形成X-Y二维平面扫描区域，步进电机每移动一次，示波器就进行一次信号采集；

4)示波器采集完全部信号后，计算机将各点的信号对时间进行一次积分，得到组织样品表面振动位移的时间函数；获取组织样品表面振动位移从零上升至其最大值时所需时间，利用该时间计算各点的组织样品定量弹性模量；根据计算的定量弹性模量，重建出组织样品的定量弹性二维图像。

作为一种优选方案，步骤1)中，所述使超声探测器的下端进入耦合槽的耦合液中具体为：使超声探测器的下端进入耦合槽的耦合液深度5-8mm处。

作为一种优选方案，步骤3)中，所述计算机控制步进电机逐点移动组织样品是指：计算机利用Labview程序控制步进电机逐点移动组织样品；步骤4)中，所述计算机将各点的信号对时间进行一次积分是指：计算机利用Matlab程序将各点的信号对时间进行一次积分。

作为一种优选方案，步骤4)中，所述计算各点的组织样品定量弹性模量，采用下式：

$E=2.998\mathrm{\ρ}{\left(\frac{R}{t_{\max }}\right)}^2$

其中，ρ为生物组织密度，R为激光光斑半径，t_max为组织样品表面振动位移从零上升至其最大值时所需时间。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

光声定量弹性成像装置，所述装置包括光声激发源、信号采集/传输/重建组件、耦合槽、步进电机和X-Y二维扫描平台，所述光声激发源包括激光器和聚焦透镜；所述信号采集/传输/重建组件包括超声探测器、放大器、示波器和计算机，所述超声探测器、放大器、示波器和计算机依次相连，所述计算机安装有采集控制及信号处理***；所述步进电机与计算机相连，所述X-Y二维扫描平台放置在耦合槽中，所述耦合槽中充满耦合液；

测试时，组织样品放置在X-Y二维扫描平台上，并浸没在耦合槽的耦合液中；所述聚焦透镜设置在组织样品正上方，且聚焦透镜的焦点不偏离组织样品表面，所述激光器发出的脉冲激光通过聚焦透镜聚焦，照在组织样品上；所述超声探测器对准组织样品，且超声探测器的下端进入耦合槽的耦合液中，接收组织样品被激发出的光声信号；所述计算机控制步进电机逐点移动组织样品。

作为一种优选方案，所述装置还包括仪器固定/支撑器械组件，所述仪器固定/支撑器械组件用于固定/支撑X-Y二维扫描平台、聚焦透镜以及超声探测器。

作为一种优选方案，所述超声探测器为水听器，其响应频率为200KHz-15MHz，直径为1mm；超声探测器的压电转换部件是一厚度为28μm的金电极聚偏二氟乙烯膜，接收光声信号时，该金电极聚偏二氟乙烯膜对准组织样品。

作为一种优选方案，所述示波器的采样率为2.5GHz，所述计算机安装的采集控制及信号处理***利用Labview和Matlab程序编写而成。

作为一种优选方案，所述激光器发出的脉冲激光波长为400～2500nm，脉冲宽度为1～50ns，重复频率为1Hz～5KHz。

作为一种优选方案，所述耦合槽中的耦合液为水，监测水温，使水温与组织样品的温度保持一致。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明将示波器采集的信号对时间进行一次积分，得到组织样品表面振动位移的时间函数，获取组织样品表面振动位移从零上升至其最大值时所需时间，利用该时间计算组织定量弹性模量，与已有的相对弹性测量的方法相比，无需正常组织作为参考，具有更高的准确性。

2、本发明利用激光器发出脉冲激光，该脉冲激光通过聚焦透镜聚焦，照在组织样品上，激发出光声信号，从而进行进行组织弹性检测，与传统的超声弹性检测方法相比，具有组织特异性和高分辨能力。

3、本发明采用的超声探测器为水听器，其响应频率为200KHz-15MHz，直径为1mm，具有探测灵敏度高、无带宽限制的优点，从而保证了高灵敏检测的能力。

4、本发明的光声定量弹性检测的方法具备快速检测的能力，实现该方法的装置结构简单、使用方便，可以广泛应用于组织的弹性成像中，便于产业化。

附图说明

图1为本发明实施例1的光声定量弹性成像装置的结构示意图。

图2为本发明实施例1的位移对时间的依赖关系曲线图。

图3为本发明实施例2的琼脂样品a的示意图。

图4为本发明实施例2的琼脂样品b的示意图。

图5为本发明实施例2的琼脂样品a的光声图像。

图6为本发明实施例2的琼脂样品b的光声图像。

图7为本发明实施例2的琼脂样品a的光声弹性图像。

图8为本发明实施例2的琼脂样品b的光声弹性图像。

图9为图3和图4虚线处的弹性模量曲线图。

其中，1-耦合槽，2-步进电机，3-激光器，4-聚焦透镜，5-超声探测器，6-放大器，7-示波器，8-计算机，9-组织样品。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1所示，本实施例的光声定量弹性成像装置包括光声激发源、信号采集/传输/重建组件、耦合槽1、步进电机2、X-Y二维扫描平台和仪器固定/支撑器械组件(图中未示出)，所述光声激发源包括激光器3和聚焦透镜4；所述信号采集/传输/重建组件包括超声探测器5、放大器6、示波器7和计算机8，所述超声探测器5、放大器6、示波器7和计算机8依次相连；所述示波器7的采样率为2.5GHz；所述计算机8安装有采集控制及信号处理***，该***利用Labview和Matlab程序编写而成；所述步进电机2与计算机8相连，所述X-Y二维扫描平台放置在耦合槽1中，所述耦合槽1中充满耦合液；

所述超声探测器5为水听器，其响应频率为200KHz-15MHz，直径为1mm；超声探测器的压电转换部件是一厚度为28μm的金电极聚偏二氟乙烯膜。

所述仪器固定/支撑器械组件用于固定/支撑X-Y二维扫描平台、聚焦透镜4以及超声探测器5。

实现本实施例的光声定量弹性成像方法，主要采用以下原理：

组织被激光照射产生剪切波，其方程为：

$\frac{{\∂}^2{u}_z}{\∂t^2}-(c_t^2+v\frac{\∂}{\∂t}){\mathrm{\Δ}}_{\⊥}{u}_z=F_z---\left(1\right)$

其中，u_z为在z方向即激发光线方向的位移，是剪切波位移也是组织被激励后产生光声信号时的位移。为剪切波波速，μ为剪切模量，v＝μ/ρ为动态剪切粘性系数，F_z为光致热弹辐射力。在激光焦点位置，M＝β₀αI₀，β₀为热膨胀系数，α为组织的吸收系数，I₀为激光强度。r为位置自变量，R为激光光斑半径，φ(t)为激光强度随时间变化关系，脉冲宽度为t₀。

按照常微分方程的解法，并进行汉克尔变换得到：

上面的方程写成格林函数的形式：

此剪切位移同时是产生光声信号时生物组织表面的位移。

因为光声信号和位移之间满足：

$\▿p=-\mathrm{\ρ}\frac{{\∂}^{2}u}{\∂t^2}---\left(4\right)$

考虑在激光焦点处温度变化为时间慢变化，通过对上式进行分析变量：

$u=-\frac{1}{{\mathrm{\ρc}}_L}\∫pdt---\left(5\right)$

光声信号幅值从零变化到其最大值所经历时间满足t_max＝R/c_t，剪切模量μ满足μ＝ρ(R/t_max)²；其中，ρ为生物组织密度，可取为1100kg/m³，通过利用弹性模量和剪切模量关系E＝2μ(1+η)，其中，η为生物组织泊松比，由于生物组织不可压缩，取为0.499，从而获得组织的定量弹性模量大小：

$E=2.998\mathrm{\ρ}{\left(\frac{R}{t_{max}}\right)}^2---\left(6\right)$

因此，本实施例的光声定量弹性成像方法包括以下步骤：

1)将组织样品9放置在X-Y二维扫描平台上，并浸没在耦合槽1的耦合液中；将聚焦透镜4设置在组织样品9正上方，并调整聚焦透镜4的高度使聚焦透镜4的焦点不偏离组织样品9表面；将超声探测器5对准组织样品9，即金电极聚偏二氟乙烯膜对准组织样品9，并使超声探测器5的下端进入耦合槽1的耦合液深度约5-8mm处中，耦合液为水，监测水温，使水温与组织样品9的温度保持一致；

2)激光器3发出脉冲激光，发出的脉冲激光波长为400～2500nm，脉冲宽度为1～50ns，重复频率为1Hz～5KHz，该脉冲激光通过聚焦透镜4聚焦，照在组织样品9上，激发出光声信号，光声信号经过耦合槽1的耦合液后被超声探测器5接收；

3)超声探测器5接收的光声信号经放大器6放大后，被示波器7采集，示波器7将采集的信号信息存储到计算机8中，计算机8利用Labview程序控制步进电机2逐点移动组织样品9，对应的组织样品9上形成X-Y二维平面扫描区域，步进电机2每移动一次，示波器7就进行一次信号采集；

4)示波器7采集完全部信号后，计算机8利用Matlab程序将各点的信号对时间进行一次积分，得到组织样品表面振动位移的时间函数；获取组织样品表面振动位移从零上升至其最大值时所需时间，如图2所示，图中给出了四种位移随着时间的变化关系，不同的弹性模量，位移到达最大值所需的时间是不相同的；通过上述式(6)，利用该时间计算各点的组织样品定量弹性模量；根据计算的定量弹性模量，重建出组织样品的定量弹性二维图像。

实施例2：

本实施例是利用琼脂样品进行的实验，主要包括以下步骤：

1)在浓度为20g/L的琼脂中加入10％的墨水做成方形样品，在它中间做成浓度为15g/L的琼脂并加入3％的墨水做成方圆形样品，这形成了图3中的琼脂样品a；在浓度为30g/L的琼脂中加入10％的墨水做成方形样品，在它中间做成浓度为25g/L的琼脂并加入3％的墨水做成方圆形样品，这形成了图4中的琼脂样品b；

2)启动激光器，输出脉冲激光波长为532nm，脉宽为10ns，重复频率是15Hz；该脉冲激光通过聚焦透镜聚焦后照射在琼脂样品a和b上，琼脂样品a和b被激发出光声信号，光声信号经过耦合槽中的耦合液后被超声探测器接收；

3)超声探测器接收的光声信号经放大器放大后，将其传输到示波器进行数据采集，示波器再将数据传输并存储到计算机中，计算机控制步进电机对应的在样品上形成扫描区域；

4)采集完全部信号后，对采集的数据先归一化，然后用最大值投影法和弹性投影法重建光声图像和光声弹性图像，图5和图6分别是琼脂样品a和b的光声图像，可以看出，显示的背景琼脂光声成像几乎没有对比度，中间圆形区域的光声成像也几乎没有对比度；图7和图8分别是琼脂样品a和b的光声弹性图像，可以看出，显示的光声弹性图像则显示大的对比度，这说明了光声弹性成像的必要性；图9中的a和b分别显示的是图3和图4虚线处琼脂样品的弹性值，可以看出弹性值的明显变化。

综上所述，本发明提出了一种新的组织定量弹性模量测量方法，与已有的相对弹性测量的方法相比，无需正常组织作为参考，具有更高的准确性；利用聚焦激光进行组织弹性检测，与传统的超声弹性检测方法相比，具有组织特异性和高分辨能力；采用的超声探测器为水听器，具有探测灵敏度高、无带宽限制的优点，从而保证了高灵敏检测的能力。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.光声定量弹性成像方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)将组织样品放置在X-Y二维扫描平台上，并浸没在耦合槽的耦合液中；将聚焦透镜设置在组织样品正上方，并调整聚焦透镜的高度使聚焦透镜的焦点不偏离组织样品表面；将超声探测器对准组织样品，并使超声探测器的下端进入耦合槽的耦合液中；

2)激光器发出脉冲激光，该脉冲激光通过聚焦透镜聚焦，照在组织样品上，激发出光声信号，光声信号经过耦合槽的耦合液后被超声探测器接收；

3)超声探测器接收的光声信号经放大器放大后，被示波器采集，示波器将采集的信号信息存储到计算机中，计算机控制步进电机逐点移动组织样品，对应的组织样品上形成X-Y二维平面扫描区域，步进电机每移动一次，示波器就进行一次信号采集；

4)示波器采集完全部信号后，计算机将各点的信号对时间进行一次积分，得到组织样品表面振动位移的时间函数；获取组织样品表面振动位移从零上升至其最大值时所需时间，利用该时间计算各点的组织样品定量弹性模量；根据计算的定量弹性模量，重建出组织样品的定量弹性二维图像。

2.根据权利要求1所述的光声定量弹性成像方法，其特征在于：步骤1)中，所述使超声探测器的下端进入耦合槽的耦合液中具体为：使超声探测器的下端进入耦合槽的耦合液深度5-8mm处。

3.根据权利要求1所述的光声定量弹性成像方法，其特征在于：步骤3)中，所述计算机控制步进电机逐点移动组织样品是指：计算机利用Labview程序控制步进电机逐点移动组织样品；步骤4)中，所述计算机将各点的信号对时间进行一次积分是指：计算机利用Matlab程序将各点的信号对时间进行一次积分。

4.根据权利要求1所述的光声定量弹性成像方法，其特征在于：步骤4)中，所述计算各点的组织样品定量弹性模量，采用下式：

$E=2.998\mathrm{\ρ}{\left(\frac{R}{t_{\max }}\right)}^2$

其中，ρ为生物组织密度，R为激光光斑半径，t_max为组织样品表面振动位移从零上升至其最大值时所需时间。

5.光声定量弹性成像装置，其特征在于：所述装置包括光声激发源、信号采集/传输/重建组件、耦合槽、步进电机和X-Y二维扫描平台，所述光声激发源包括激光器和聚焦透镜；所述信号采集/传输/重建组件包括超声探测器、放大器、示波器和计算机，所述超声探测器、放大器、示波器和计算机依次相连，所述计算机安装有采集控制及信号处理***；所述步进电机与计算机相连，所述X-Y二维扫描平台放置在耦合槽中，所述耦合槽中充满耦合液；

测试时，组织样品放置在X-Y二维扫描平台上，并浸没在耦合槽的耦合液中；所述聚焦透镜设置在组织样品正上方，且聚焦透镜的焦点不偏离组织样品表面，所述激光器发出的脉冲激光通过聚焦透镜聚焦，照在组织样品上；所述超声探测器对准组织样品，且超声探测器的下端进入耦合槽的耦合液中，接收组织样品被激发出的光声信号；所述计算机控制步进电机逐点移动组织样品。

6.根据权利要求5所述的光声定量弹性成像装置，其特征在于：所述装置还包括仪器固定/支撑器械组件，所述仪器固定/支撑器械组件用于固定/支撑X-Y二维扫描平台、聚焦透镜以及超声探测器。

7.根据权利要求5或6所述的光声定量弹性成像装置，其特征在于：所述超声探测器为水听器，其响应频率为200KHz-15MHz，直径为1mm；超声探测器的压电转换部件是一厚度为28μm的金电极聚偏二氟乙烯膜，接收光声信号时，该金电极聚偏二氟乙烯膜对准组织样品。

8.根据权利要求5或6所述的光声定量弹性成像装置，其特征在于：所述示波器的采样率为2.5GHz，所述计算机安装的采集控制及信号处理***利用Labview和Matlab程序编写而成。

9.根据权利要求5或6所述的光声定量弹性成像装置，其特征在于：所述激光器发出的脉冲激光波长为400～2500nm，脉冲宽度为1～50ns，重复频率为1Hz～5KHz。

10.根据权利要求5或6所述的光声定量弹性成像装置，其特征在于：所述耦合槽中的耦合液为水，监测水温，使水温与组织样品的温度保持一致。