CN108717045A - 一种超声、光声和荧光三模态成像*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超声、光声和荧光三模态成像***，包括：激光光源模块、运动扫描模块、数据采集模块和控制处理模块；激光光源模块，用于向成像样本提供脉冲激光辐射和使成像样本产生光声与荧光信号，向数据采集模块和控制处理模块发送同步触发信号；运动扫描模块，用于依据预设运动参数对样本进行三维扫描；数据采集模块，包括用于采集成像样本产生的光声/超声/荧光信号；控制处理模块，用于接收脉冲激光光源的触发脉冲信号，以及使运动扫描装置根据控制指令对目标样本进行扫描，同时处理接收到的目标样本数据，将光声/超声/荧光图像进行融合得到多模态重建图像。本发明降低成像中扫描时间、提高成像***的成像分辨率和成像速度。

Description

一种超声、光声和荧光三模态成像***

技术领域

本发明涉及光声成像技术领域，具体涉及一种超声、光声和荧光三模态成像***。

背景技术

光声成像(Photoacoustic Imaging，PAI)是近年来蓬勃兴起的一种基于生物组织内部的光学吸收特性差异，以超声作为信息载体的新型无损生物医学成像方法，具备纯光学成像的高对比度特性和纯超声成像的深穿透特性。光声成像通过探测生物组织中的光吸收体因瞬时热弹效应而产生的光声信号，以声波代替光子检测，从原理上避开了光学散射的影响，突破了光学成像深度“软极限”，约1mm，可实现深度达7cm的深层组织活体成像。光声成像不仅具备获取生物组织的功能信息，而且能够对深层组织进行跨尺度高分辨成像

目前光声成像具体包括三种成像方式：光声显微成像技术(PhotoacousticMicroscopy,PAM)、光声计算断层成像(Photoacousic Computed Tomography,PACT)和光声内窥成像(Photoacousic Endoscopy,PAE)。光声计算断层成像PACT具有快速数据采集和实时成像能力，在现有光声成像模式中最具临床转化潜力。但是，光声计算断层成像具有扫描时间长、分辨率较低以及探测角度有限等不足。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种超声、光声和荧光三模态成像***，实现提高成像分辨率和成像对比度，并具有成像速度快的特点。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种超声、光声和荧光三模态成像***，包括：控制处理模块、数据采集模块、运动扫描模块和激光光源模块；

所述运动扫描模块上设置有所述数据采集模块和存放待成像样本的样本台，所述运动扫描模块带动所述数据采集模块进行水平旋转和垂直移动，以使运动扫描模块上的所述数据采集模块对样本台上的待成像样本进行数据采集；

其中，所述运动扫描模块的控制端与所述控制处理模块电连接，以使所述控制处理模块通过所述控制端控制所述运动扫描模块进行水平旋转和垂直移动；

所述激光光源模块与所述控制处理模块电连接，所述激光光源模块对待成像样本发射脉冲激光信号，以及向所述控制处理模块发送激光触发信号；

所述数据采集模块向待成像样本发射超声波，并采集待成像样本接收超声波和脉冲激光信号后产生的超声信号、光声信号和荧光信号；

所述数据采集模块与所述控制处理模块电连接，所述数据采集模块将采集的超声信号、光声信号和荧光信号发送至所述控制处理模块；

所述控制处理模块接收所述激光光源模块发送的激光触发信号后生成控制指令和采样控制指令；并向所述运动扫描模块发送控制指令以使所述运动扫描模块按照预设的运动参数进行运动；以及向所述数据采集模块发送采样控制指令以使所述数据采集模块采集超声信号、光声信号和荧光信号；

所述控制处理模块对接收所述数据采集模块发送的超声信号、光声信号和荧光信号进行融合，得到待成像样本的多模态重建图像。

进一步的，所述激光光源模块，包括：脉冲激光器和多模光纤耦合光路；

所述多模光纤耦合光路将所述脉冲激光器产生的一束激光耦合分为N束，以使N束激光照射在待成像样本上。

进一步的，所述多模光纤耦合光路，包括：多模光纤、凸透镜、光阑、光纤耦合器和N个透镜组；

所述脉冲激光器产生的激光经过所述光阑的限制以及经过所述凸透镜进行准直和聚焦后，通过所述光纤耦合器进行耦合；所述光纤耦合器将激光耦合进入所述多模光纤的入口；将所述多模光纤的出口分为N束；

其中，每一束多模光纤的出口对应一个透镜组。

进一步的，每一个所述透镜组均包括：

在多模光纤的出口处依次设置的平凸透镜和平柱面镜，多模光纤的出口的中心、平凸透镜的中心和平柱面镜的中心处于同一条直线上。

进一步的，所述透镜组的个数为8个。

进一步的，所述运动扫描模块还包括：

电动旋转台、设置在电动旋转台上的垂直位移台，以及设置在电动旋转台下的支架；

其中，支架上设置有所述数据采集模块。

进一步的，所述数据采集模块，包括：单阵元超声换能器、CCD相机、滤波放大器和多通道数据采集器；

所述单阵元超声换能器的采集输出端与所述滤波放大器的输入端电连接，所述滤波放大器的输出端与所述多通道数据采集器的输入端电连接；

所述CCD相机的输出端与所述多通道数据采集器的输出端均与所述控制处理模块的输入端电连接；

其中，所述单阵元超声换能器向待成像样本发射超声波，并采集待成像样本产生的超声信号和光声信号；

所述CCD相机采集待成像样本产生的荧光信号，并将采集的荧光信号发送至所述控制处理模块；

所述多通道数据采集器对滤波和放大后的超声信号和光声信号进行采样，并将采样的超声信号和采样的光声信号发送至所述控制处理模块。

由上述技术方案可知，本发明所述的一种超声、光声和荧光三模态成像***，通过运动扫描模块实现对待成像样本的成像断面进行环形扫描，降低光声计算断层成像中扫描时间；通过激光光源模块向待成像样本发射激光光束，使待成像样本表面形成环形光斑，为待成像样本提供更均匀的激光照射，提高成像***的成像分辨率；通过数据采集模块进行稀疏采样，降低数据采集量而提高成像速度；光声、超声和荧光三模态成像可以在同一幅图像上反映待成像样本结构和功能的不同层面的信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供一种超声、光声和荧光三模态成像***的总体示意图；

图2是本发明实施例提供一种超声、光声和荧光三模态成像***的结构示意图；

图3是本发明实施例提供一种超声、光声和荧光三模态成像***中一路的光路图；

图4是本发明实施例提供一种超声、光声和荧光三模态成像***中八路光路的俯视图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种超声、光声和荧光三模态成像***，参见图1-图2，具体包括：

控制处理模块100、数据采集模块200、运动扫描模块300和激光光源模块400；

所述运动扫描模块300上设置有所述数据采集模块200和存放待成像样本500的样本台，所述运动扫描模块300带动所述数据采集模块200进行水平旋转和垂直移动，以使运动扫描模块300上的所述数据采集模块200对样本台上的待成像样本500进行数据采集；

其中，所述运动扫描模块300的控制端与所述控制处理模块100电连接，以使所述控制处理模块100通过所述控制端控制所述运动扫描模块300进行水平旋转和垂直移动，实现对待成像样本进行三维扫描；

所述激光光源模块400与所述控制处理模块100电连接，所述激光光源模块400对待成像样本500发射脉冲激光信号，以及向所述控制处理模块100发送激光触发信号；

在具体实施时，所述激光光源模块，包括：脉冲激光器和多模光纤耦合光路；

所述多模光纤耦合光路将所述脉冲激光器产生的一束激光耦合分为N束，以使N束激光照射在待成像样本上。

在所述激光光源模块中，脉冲激光器可以为DYE激光器，输出的激光脉冲为Nd：YAF(Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet)，并以激光触发电信号的形式发送激光触发信号至控制处理模块。

所述多模光纤耦合光路，包括：多模光纤、凸透镜、光阑、光纤耦合器和N个透镜组；

所述脉冲激光器产生的激光经过所述光阑的限制以及经过所述凸透镜进行准直和聚焦后，通过所述光纤耦合器进行耦合；所述光纤耦合器将激光耦合进入所述多模光纤的入口；将所述多模光纤的出口分为N束；

该多模光纤用于激光的传输，多模光纤的出口一分为八，激光经过多模光纤的出口进入所述透镜组；

其中，每一束多模光纤的出口对应一个透镜组，多模光纤的出口为八个，透镜组的个数为八个。

该光阑是设置在脉冲激光器的出口，用于缩小脉冲激光器产生的激光光束，实现对激光光束进行限制。

凸透镜设置在光阑外侧，将用到两个相同的凸透镜；凸透镜1置于光阑外侧后，用于将激光器出射的经过光阑限制的激光光束进行准直，随后经过凸透镜2对已经准直的激光光束进行聚焦，通过光纤耦合器将激光光束耦合到多模光纤的入口。

光纤耦合器，用于耦合激光光束进入多模光纤，优选的是thorlabs的光纤耦合器，通过耦合器上的平移台进行微调使耦合率最大。

每一个所述透镜组均包括：在多模光纤的出口处依次设置的平凸透镜和平柱面镜，多模光纤的出口的中心、平凸透镜的中心和平柱面镜的中心处于同一条直线上。

激光光束从多模光纤的出***出后，先经过平凸透镜准直后经过平柱面镜进行单方向聚焦，最终通过透光率较高的透光反声玻璃片于待成像样本表面形成条形光斑。多模光纤的八个出口端分别对应八组透镜组，最终八个条形光斑在待成像样本表面形成环形光斑。以使待成像样本产生光声信号和荧光信号。

参见图3，为本实施例中的一路光，***设计为八路光，并且是以4个超声换能器和CCD相机为例，图3中为多模光纤出口后的光路部分，图4为该部分光路的俯视图。

所述数据采集模块200向待成像样本500发射超声波，并采集待成像样本500接收超声波和脉冲激光信号后产生的超声信号、光声信号和荧光信号；

其中，待成像样本在接收到脉冲激光信号和超声波时，产生光声效应、荧光效应和超声波反射，并向所述数据采集模块200提供光声信号、荧光信号和超声信号

所述数据采集模块200与所述控制处理模块100电连接，所述数据采集模块200将采集的超声信号、光声信号和荧光信号发送至所述控制处理模块100；

其中，所述数据采集模块200，包括：单阵元超声换能器210、CCD相机220、滤波放大器230和多通道数据采集器240；单阵元超声换能器210为偶数个。

所述单阵元超声换能器210的采集输出端与所述滤波放大器230的输入端电连接，所述滤波放大器230的输出端与所述多通道数据采集器240的输入端电连接；

所述CCD相机220的输出端与所述多通道数据采集器240的输出端均与所述控制处理模块100的输入端电连接；

在数据采集模块200中，所述单阵元超声换能器210向待成像样本500发射超声波，并采集待成像样本500产生的超声信号和光声信号；

所述CCD相机220采集待成像样本500产生的荧光信号，并将采集的荧光信号发送至所述控制处理模块100；

所述多通道数据采集器240可以为Alazar digtizer系列产品，用于将接收到的光声信号和超声信号数字化并传输至所述控制处理模块，其对滤波和放大后的超声信号和光声信号进行采样，并将采样的超声信号和采样的光声信号发送至所述控制处理模块100。

所述控制处理模块100接收所述激光光源模块400发送的激光触发信号后生成控制指令和采样控制指令；并向所述运动扫描模块300发送控制指令以使所述运动扫描模块300按照采样控制指令中的预设的运动参数进行三维扫描；以及向所述数据采集模块200发送采样控制指令以使所述数据采集模块200采集超声信号、光声信号和荧光信号；

控制处理模块100接收所述激光光源模块400中的激光触发信号后，启动控制处理模块100中的预设置的运动参数和采样参数生成控制指令和采样控制指令。

所述控制处理模块100对接收所述数据采集模块200发送的超声信号、光声信号和荧光信号进行融合，得到待成像样本500的多模态重建图像。

以下提供了控制处理模块具体实现方式：

控制处理模块可以划分为：数据采集控制部分、运动控制部分和信号处理部分，硬件上包括个人计算机和运动控制卡，运动控制卡优选为ADT-8920A1，其中；

数据采集控制部分为基于LabVIEW的人机交互程序，用于所述数据采集卡采样参数进行初始化设置，以使数据采集卡能按照设置好的采样参数进行数据采集并保存数据；

所述运动控制部分由运动控制卡和人机交互控制程序组成，用于接收脉冲激光光源的触发脉冲信号，同步启动运动控制模块根据预设置的运动参数生成运动控制指令，并将运动控制指令发送至运动扫描装置，以驱动其根据采样控制指令对目标样本进行环形扫描；

所述信号处理部分由所述个人计算机执行，用于将目标样本的光声信号、超声信号和荧光信号数据进行重建，并将三者数据进行融合得到三维多模态光声图像。

在具体实施时，所述运动扫描模块还包括：

电动旋转台、设置在电动旋转台上的垂直位移台，以及设置在电动旋转台下的支架；

其中，支架上设置有所述数据采集模块。

运动扫描模块300用于依据预设置的运动参数，旋转单阵元超声换能器210和CCD相机220对待成像样本进行三维空间扫描，进一步的，电动旋转台，用于接收控制处理器发送的控制指令，并根据控制指令驱动对光声信号采集的单阵元超声换能器和对荧光信号采集的CCD相机的转动；垂直电动位移台，用于根据指令驱动待成像样本的垂直移动，对待成像样本多个断面进行扫描，以实现样本的三维扫描。

需要说明的是，运动扫描模块中的电动旋转台接收到控制处理模块发送的控制指令后带动对光声、超声和荧光信号采集的单阵元超声换能器和CCD相机转动，偏转至待成像样本的第一采样点；

数据采集模块中的多通道数据采集卡将对第一采样点进行样本数据采集，并将采集到的样本数据发送至控制处理器。

进而数据采集模块中的单阵元超声换能器和CCD电机偏转至下一采样点，该采样点是按照采样控制指令对应的；使得数据采集装置可以采集下一采样点的样本数据；

以此类推，直至采集完成采样控制指令所有采样点对应的样本数据。

所述信号处理部分由所述个人计算机执行，用于将目标样本的光声信号、超声信号和荧光信号数据进行重建，并将三者数据进行融合得到三维多模态光声图像。

个人计算机接收采集到的目标样本的光声信号、超声信号和荧光信号数据，根据空间复合成像方式将采集获得的数据进行融合，并进行光声图像的重建，其中，重采用基于压缩感知的环形光声图像重建算法构建待成像样本500的多模态重建图像。

从上述描述可知，本发明实施例提供的一种超声、光声和荧光三模态成像***，通过多个超声换能器和CCD相机实现对成像断面的环形扫描，多个超声换能器与滤波放大装置组成多通道并行的接收和处理***，克服传统的光声断层成像中扫描时间长，成像速度慢的缺点；光路上采用多路激光束在待成像样本表面形成环形光斑，为待成像样本提供更均匀的激光照射，提高成像***的成像分辨率；数据采集模块采用稀疏采样方法，降低数据采集量而提高成像速度；光声/超声/荧光三模态成像可以在同一幅图像上反映待成像样本结构和功能等不同层面的信息；本发明实施例通过三维扫描后再重建的方式实现光声信号、超声信号和荧光信号的三模态成像，与现有技术相比，具有成像速度快、提高成像空间分辨率和图像对比度的优点。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释呈反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明并不局限于任何单一的方面，也不局限于任何单一的实施例，也不局限于这些方面和/或实施例的任意组合和/或置换。而且，可以单独使用本发明的每个方面和/或实施例或者与一个或更多其他方面和/或其实施例结合使用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (7)

1.一种超声、光声和荧光三模态成像***，其特征在于，包括：控制处理模块、数据采集模块、运动扫描模块和激光光源模块；

所述运动扫描模块上设置有所述数据采集模块和存放待成像样本的样本台，所述运动扫描模块带动所述数据采集模块进行水平旋转和垂直移动，以使运动扫描模块上的所述数据采集模块对样本台上的待成像样本进行数据采集；

其中，所述运动扫描模块的控制端与所述控制处理模块电连接，以使所述控制处理模块通过所述控制端控制所述运动扫描模块进行水平旋转和垂直移动；

所述激光光源模块与所述控制处理模块电连接，所述激光光源模块对待成像样本发射脉冲激光信号，以及向所述控制处理模块发送激光触发信号；

所述数据采集模块向待成像样本发射超声波，并采集待成像样本接收超声波和脉冲激光信号后产生的超声信号、光声信号和荧光信号；

所述数据采集模块与所述控制处理模块电连接，所述数据采集模块将采集的超声信号、光声信号和荧光信号发送至所述控制处理模块；

所述控制处理模块接收所述激光光源模块发送的激光触发信号后生成控制指令和采样控制指令；并向所述运动扫描模块发送控制指令以使所述运动扫描模块按照预设的运动参数进行运动；以及向所述数据采集模块发送采样控制指令以使所述数据采集模块采集超声信号、光声信号和荧光信号；

所述控制处理模块对接收所述数据采集模块发送的超声信号、光声信号和荧光信号进行融合，得到待成像样本的多模态重建图像。

2.根据权利要求1所述的成像***，其特征在于，所述激光光源模块，包括：脉冲激光器和多模光纤耦合光路；

所述多模光纤耦合光路将所述脉冲激光器产生的一束激光耦合分为N束，以使N束激光照射在待成像样本上。

3.根据权利要求2所述的成像***，其特征在于，所述多模光纤耦合光路，包括：多模光纤、凸透镜、光阑、光纤耦合器和N个透镜组；

所述脉冲激光器产生的激光经过所述光阑的限制以及经过所述凸透镜进行准直和聚焦后，通过所述光纤耦合器进行耦合；所述光纤耦合器将激光耦合进入所述多模光纤的入口；将所述多模光纤的出口分为N束；

其中，每一束多模光纤的出口对应一个透镜组。

4.根据权利要求3所述的成像***，其特征在于，每一个所述透镜组均包括：

在多模光纤的出口处依次设置的平凸透镜和平柱面镜，多模光纤的出口的中心、平凸透镜的中心和平柱面镜的中心处于同一条直线上。

5.根据权利要求2所述的成像***，其特征在于，所述透镜组的个数为8个。

6.根据权利要求1所述的成像***，其特征在于，所述运动扫描模块还包括：

电动旋转台、设置在电动旋转台上的垂直位移台，以及设置在电动旋转台下的支架；

其中，支架上设置有所述数据采集模块。

7.根据权利要求1所述的成像***，其特征在于，所述数据采集模块，包括：单阵元超声换能器、CCD相机、滤波放大器和多通道数据采集器；

所述单阵元超声换能器的采集输出端与所述滤波放大器的输入端电连接，所述滤波放大器的输出端与所述多通道数据采集器的输入端电连接；

所述CCD相机的输出端与所述多通道数据采集器的输出端均与所述控制处理模块的输入端电连接；

其中，所述单阵元超声换能器向待成像样本发射超声波，并采集待成像样本产生的超声信号和光声信号；

所述CCD相机采集待成像样本产生的荧光信号，并将采集的荧光信号发送至所述控制处理模块；

所述多通道数据采集器对滤波和放大后的超声信号和光声信号进行采样，并将采样的超声信号和采样的光声信号发送至所述控制处理模块。