CN110132849A - 一种光学分辨光声显微三维层析成像的深度修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学分辨光声显微三维层析成像的深度修正方法，将第一纵深平面上获得的光声幅值平均值作为基准，将每个纵深平面上获得的光声平均值与基准比较并获得差值，然后将每个纵深平面上获得的实时光声幅值分别减去每个纵深平面上对应的差值，即可得到深度修正后的被测组织每个纵深平面上的光声幅值，最后再分别利用二维和三维图像重建算法，最终获得经过深度修正后的被测组织在某个纵深平面上的二维光声图像以及整个被测组织的三维光声图像。与现有光声成像相比，本发明提出的方法具有方便快捷、易于实现等特点。同时，本发明提出的方法适用于包括前向、后向和侧向探测模式在内的光声检测及成像***。

Description

一种光学分辨光声显微三维层析成像的深度修正方法

技术领域

本发明属于生物医学光子学诊断技术领域，具体涉及一种光学分辨光声三维层析成像的深度修正方法。

背景技术

在生物医疗诊断中，通常需要对生物体内的组织及病变情况进行成像，以此来进行辅助治疗。目前，常用的检测方法有：X光照相术、X-CT、核磁共振和PET成像等等，但是这些检测方法中大部分采用的是具有放射性元素的光线，如果长期被这些放射性元素照射，在一定程度上会对人体等生物正常组织也带来致病性的影响。光声技术是一种新型的生物医学光子学检测技术，结合了光学和超声学的优势，利用短脉冲可见光或近红外光作为激励光源，对生物组织进行激发产生超声机械波，即：光声信号，该光声信号携带了能反映组织生物特性的信息，并且能反映生物体内不同组织对入射光的吸收差异性，相比而言，病变组织对入射光的吸收要远大于正常组织的吸收，通过获取不同组织吸收入射光产生的光声信号，再对光声信号进行预处理并通过重建算法，就可以获取被测生物组织内部的图像。这种技术不仅绿色环保、无放射性污染，并且具有高分辨率和高对比度特点。在光声成像方法中，光学分辨的光声显微成像具有高分辨率特点，可以对被测组织实现微米或纳米级别的高分辨率检测。该技术利用光学分辨技术，即：通过聚焦透镜将入射脉冲激光光束入射至被测组织内部，在生物组织内部产生微米平方量级的聚焦光斑，在光斑处的组织对入射光会有能量吸收和沉积，并产生局部快速温度变化，进而激发局部组织产生快速的膨胀或收缩，从而激发产生超声机械波。利用层析扫描方法，可以对被测生物体内的某个纵深断层面上进行二维扫描，并且也可以得到每个纵深层面的二维光声图像，然后利用三维图像重建算法得到三维光声图像。但是，在利用光学分辨的光声显微技术对生物组织进行三维光声层析成像时，由于每个纵深层面上的激发光声源与超声探头之间的距离不一样，而光声值是与光声源的探测距离成比例的，即：探测距离越小，光声信号强度越大。如果在某个与超声探头较远的纵深处存在病变组织或者损伤组织，其探测得到的光声信号或许比光声源距离超声探头较近的某个层面组织上获得的光声强度要小，使得原本想体现病变组织的光声信号被距离超声探头较近的光声信号所淹没了，这势必会严重影响被测生物内部病变或者受损组织的光声三维重建，从而无法正确地对被测病变或受损组织进行清楚地影像来辅助治疗。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种光学分辨光声三维层析成像的深度修正方法，具体步骤和方法如下：

(1)利用光学分辨光声成像***，将准直脉冲激光光束经过聚焦透镜后，将聚焦光束入射到被测组织中，使得在被测组织内形成聚焦光斑并激发产生光声信号。其中，被测组织和超声探测器放置于样品支架上，样品支架安装固定在三维扫描平移台上，可以在三维扫描平移台步进电机驱动下沿X、Y和Z方向上做平移扫描运动。

(2)先通过控制软件初始化三维扫描平移台，让聚焦光斑入射在被测组织的第一纵深平面(S1)上，然后，设置好三维扫描平移台在X、Y和Z方向步进电机移动的移动长度(分别为Lx、Ly和Lz)、移动步数(分别为s、k和n)，即：在X、Y和Z方向上，三个步进电机的移动步数范围分别为：1,2，…,s；1,2，…,k和1,2,…,n。

(3)驱动三维扫描平移台先在第一纵深平面(S1)上做X和Y方向的逐行连续扫描，即：被测组织中的聚集光斑会在被测样品的第一纵深平面(S1)上进行一定步距的逐行二维C型扫描，得到该初始平面(S1)上每个X和Y步距下的光声幅值数据矩阵，即：

(4)完成第一纵深平面(S1)的二维C型扫描后，再根据第二步中设置好的Z方向的步距，驱动三维扫描平移台改变Z方向的位置，使得入射聚焦光斑在第二个纵深平面(S2)位置，然后，再在第二步设置好了的X和Y方向的步距下，在第二个纵深平面(S2)上做逐行二维C型扫描，得到第二个纵深平面(S2)上的每个X和Y步距下的光声幅值数据矩阵

(5)当完成第二个纵深平面(S2)上的逐行C型扫描后，重复第三步的操作，直至纵深方向步进电机移动步数达到n为止，并得到第n个纵深平面(Sn)上的二维光声幅值数据矩阵此时整个光声三维扫描操作结束，并得到了每个纵深平面上的二维光声数据矩阵(P1,P2,…,Pn)。

(6)得到从第一纵深平面(S1)到第n个纵深平面(Sn)上每个平面与超声探头的距离分别为(h1,h2,…,hn-1,hn)。接着，对第一纵深平面(S1)到第n个纵深平面(Sn)上的二维光声数据矩阵P1，P2，…,Pn分别取平均值，得到每个纵深平面二维光声数据的平均值分别为M1，M2,…,Mn。然后，利用各个纵深平面上的光声幅度平均值(M1，M2,…,Mn)与每个平面与探头的距离(h1,h2,…,hn)之间建立映射关系模型，即：Mn＝f(hn)。

(7)以第1个纵深平面(S1)上得到的平均值M1作为基准，将每个纵深平面光声幅值平均值(M1，M2,…,Mn)减去第1个纵深平面(S1)的光声幅值平均值M1，可以得到每个平面与第1纵深平面(S1)的光声幅值平均值之差，即：(ΔP1，ΔP2,…,ΔPn)其中ΔPn＝Pn-P1。

(8)将第1个纵深平面(S1)到第n个纵深平面(Sn)上每个聚集光斑点处获得的实时光声幅值数据矩阵(P1，P2，…,Pn)，减去每个纵深平面对应的ΔPn，就可以得到深度修正后的光声幅值数据矩阵P1’,P2’，…,Pn’。其中Pn’＝Pn-ΔPn，其中Pn为深度校正前每个纵深平面上每个光声聚集光斑处的实时光声幅值，Pn’为深度校正后的每个纵深平面上每个光声聚集光斑处的实时光声幅值。

(9)最后，利用二维和三维光声图像重建算法，对光声图像进行重建，可以得到深度修正后的被测组织的在每个纵深平面上的二维光声图像以及整个被测组织探测区域的三维光声图像。

本发明具有以下有益效果：

(1)采用光学分辨的光声显微技术来对被测组织进行光声无损检测，可以大大提高被测组织检测的精度，同时重建的光声图像的分辨率也可以得到提高；

(2)采用本发明提出的深度修正方法，可以克服由于被测组织内部不同纵深层面上的光声源与超声探测器距离不同导致的重建光声图像出现误差的不足，大大提高了光声三维层析成像的准确度。

附图说明

图1为本发明采用的光学分辨光声显微三维层析成像装置原理图。其中，1为准直脉冲激光光束；2为聚焦透镜；3为聚焦光束；4为聚焦光斑；5为被测组织；6为超声探测器；7为样品支架；8为三维扫描平移台。

图2为本发明提出的深度修正方法的原理示意图。

图3为实施例1中被测组织在3个纵深深度平面上未经深度修正的某一行光声幅值数据。

图4为实施例1中被测组织在3个纵深深度平面上深度修正后的光声幅值数据。

具体实施例

结合附图1和2，本发明的具体实施方法如下：

本发明提出了一种光学分辨光声三维层析成像的深度修正方法，具体步骤和方法如下：

(1)如图1所示，利用光学分辨光声成像***，将准直脉冲激光光束1经过聚焦透镜2后，将聚焦光束3入射到被测组织5中，使得在被测组织内形成聚焦光斑4并激发产生光声信号。其中，被测组织5和超声探测器6放置于样品支架7上，样品支架7安装固定在三维扫描平移台8上，可以在三维扫描平移台步进电机驱动下沿X、Y和Z方向上做平移扫描运动。

(2)先通过控制软件初始化三维扫描平移台8，让聚焦光斑4入射在被测组织5的第一纵深平面(S1)上，然后，设置好三维扫描平移台8在X、Y和Z方向步进电机移动的移动长度(分别为Lx、Ly和Lz)、移动步数(分别为s、k和n)，即：在X、Y和Z方向上，三个步进电机的移动步数范围分别为：1,2，…,s；1,2，…,k和1,2,…,n。

(3)如图2所示，驱动三维扫描平移台8先在第一纵深平面(S1)上做X和Y方向的逐行连续扫描，即：被测组织5中的聚集光斑4会在被测样品的第一纵深平面(S1)上进行一定步距的逐行二维C型扫描，得到该初始平面(S1)上每个X和Y步距下的光声幅值数据矩阵，即：

(4)完成第一纵深平面(S1)的二维C型扫描后，再根据第二步中设置好的Z方向的步距，驱动三维扫描平移台8改变Z方向的位置，使得入射聚焦光斑4在第二个纵深平面(S2)位置，然后，再在第二步设置好了的X和Y方向的步距下，在第二个纵深平面(S2)上做逐行二维C型扫描，得到第二个纵深平面(S2)上的每个X和Y步距下的光声幅值数据矩阵

(5)当完成第二个纵深平面(S2)上的逐行C型扫描后，重复第三步的操作，直至纵深方向步进电机移动步数达到n为止，并得到第n个纵深平面(Sn)上的二维光声幅值数据矩阵此时整个光声三维扫描操作结束，并得到了每个纵深平面上的二维光声数据矩阵(P1,P2,…,Pn)。

(6)得到从第一纵深平面(S1)到第n个纵深平面(Sn)上每个平面与超声探头的距离分别为(h1,h2,…,hn-1,hn)。接着，对第一纵深平面(S1)到第n个纵深平面(Sn)上的二维光声数据矩阵P1，P2，…,Pn分别取平均值，得到每个纵深平面二维光声数据的平均值分别为M1，M2,…,Mn。然后，利用各个纵深平面上的光声幅度平均值(M1，M2,…,Mn)与每个平面与探头的距离(h1,h2,…,hn)之间建立映射关系模型，即：Mn＝f(hn)。

(7)以第1个纵深平面(S1)上得到的平均值M1作为基准，将每个纵深平面光声幅值平均值(M1，M2,…,Mn)减去第1个纵深平面(S1)的光声幅值平均值M1，可以得到每个平面与第1纵深平面(S1)的光声幅值平均值之差，即：(ΔP1，ΔP2,…,ΔPn)其中ΔPn＝Mn-M1。

(8)将第1个纵深平面(S1)到第n个纵深平面(Sn)上每个聚集光斑点处获得的实时光声幅值数据矩阵(P1，P2，…,Pn)，减去每个纵深平面对应的ΔPn，就可以得到深度修正后的光声幅值数据矩阵P1’,P2’，…,Pn’。其中Pn’＝Pn-ΔPn，其中Pn为深度校正前每个纵深平面上每个光声聚集光斑4处的实时光声幅值，Pn’为深度校正后的每个纵深平面上每个光声聚集光斑4处的实时光声幅值。

(9)最后，利用二维和三维光声图像重建算法，对光声图像进行重建，可以得到深度修正后的被测组织5的在每个纵深平面上的二维光声图像以及整个被测组织探测区域的三维光声图像。

实施例1

对某一仿体组织，在仿体组织内植入两根碳纤维，得到被测样品。根据步骤(1)和(2)，先将样品水平放置于前段均匀涂抹超声耦合液的超声探头上，然后，对三维扫描平台的参数设置如下：三维扫描平移台8在X、Y和Z方向步进电机移动的移动长度(分别为Lx＝4.5mm、Ly＝4.5mm和Lz＝4.5mm)、移动步长均为0.025mm，移动步数(分别为s＝180、k＝180和n＝180)，即：在X、Y和Z方向上，三个步进电机的移动步数范围分别为：1,2，…,180；1,2，…,k和1,2,…,180。

然后，按照本发明中所提出的步骤(3)至(5)进行操作。首先，可以得到第一纵深平面(S1)、第二纵深平面(S2)和第三纵深平面(S3)上的被测样品的光声幅值矩阵数据，如图3所示，为了方便说明，这里只取三个纵深平面上在X方向上的光声幅值矩阵数据的一列数据。从图3中可以看出，随着探测纵深增加，光声源距离探头越近，被测样品的光声幅值越大。

然后，根据步骤(6)，得到第一纵深平面(S1)、第二纵深平面(S2)和第三纵深平面(S3)上的光声幅值平均值，分别为：M1＝0.3403V，M2＝1.0825V和M3＝1.6112V。根据步骤(7)，以第一纵深平面(S1)作为基准，将第一纵深平面(S1)、第二纵深平面(S2)和第三纵深平面(S3)的光声幅值平均值之差,即：ΔP1＝0，ΔP2＝0.7422，ΔP2＝1.2709。最后，根据步骤(8)，将每个纵深平面上获得的光声幅值减去每个纵深平面上对应的光声幅值平均值之差，即可获得深度修正后的被测样品的光声幅值数据，如图4所示。

从实施例1可以看出采用本发明的技术方案可以提高光声三维层析成像的准确度。

本发明不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种光学分辨光声显微三维层析成像的深度修正方法，其实现步骤如下：

第一步，利用光学分辨光声成像***，将准直脉冲激光光束经过聚焦透镜后，将聚焦光束入射到被测组织中，使得在被测组织内形成聚焦光斑并激发产生光声信号，其中，被测组织和超声探测器放置于样品支架上，样品支架安装固定在三维扫描平移台上，可以在三维扫描平移台步进电机驱动下沿X、Y和Z方向上做平移扫描运动；

第二步，先通过控制软件初始化三维扫描平移台，让聚焦光斑入射在被测组织的第一纵深平面S1上，然后，设置好三维扫描平移台在X、Y和Z方向步进电机移动的移动长度，分别为Lx、Ly和Lz、移动步数，分别为s、k和n，即：在X、Y和Z方向上，三个步进电机的移动步数范围分别为：1,2，…,s；1,2，…,k和1,2,…,n；

第三步，驱动三维扫描平移台先在第一纵深平面S1上做X和Y方向的逐行连续扫描，即：被测组织中的聚集光斑会在被测样品的第一纵深平面S1上进行一定步距的逐行二维C型扫描，得到该初始平面S1上每个X和Y步距下的光声幅值数据矩阵，即：

第四步，完成第一纵深平面S1的二维C型扫描后，再根据第二步中设置好的Z方向的步距，驱动三维扫描平移台改变Z方向的位置，使得入射聚焦光斑在第二个纵深平面S2位置，然后，再在第二步设置好了的X和Y方向的步距下，在第二个纵深平面S2上做逐行二维C型扫描，得到第二个纵深平面S2上的每个X和Y步距下的光声幅值数据矩阵

第五步，当完成第二个纵深平面S2上的逐行C型扫描后，重复第三步的操作，直至纵深方向步进电机移动步数达到n为止，并得到第n个纵深平面Sn上的二维光声幅值数据矩阵此时整个光声三维扫描操作结束，并得到了每个纵深平面上的二维光声数据矩阵P1,P2,…,Pn；

第六步，得到从第一纵深平面S1到第n个纵深平面Sn上每个平面与超声探头的距离分别为h1,h2,…,hn-1,hn，接着，对第一纵深平面S1到第n个纵深平面Sn上的二维光声数据矩阵P1，P2，…,Pn分别取平均值，得到每个纵深平面二维光声数据的平均值分别为M1，M2,…,Mn，然后，利用各个纵深平面上的光声幅度平均值M1，M2,…,Mn与每个平面与探头的距离h1,h2,…,hn之间建立映射关系模型，即：Mn＝f(hn)；

第七步，以第1个纵深平面S1上得到的平均值M1作为基准，将每个纵深平面光声幅值平均值M1，M2,…,Mn减去第1个纵深平面S1的光声幅值平均值M1，可以得到每个平面与第1纵深平面S1的光声幅值平均值之差，即：ΔP1，ΔP2,…,ΔPn其中ΔPn＝Pn-P1；

第八步，将第1个纵深平面S1到第n个纵深平面Sn上每个聚集光斑点处获得的实时光声幅值数据矩阵P1，P2，…,Pn，减去每个纵深平面对应的ΔPn，就可以得到深度修正后的光声幅值数据矩阵P1’,P2’，…,Pn’。其中Pn’＝Pn-ΔPn，其中Pn为深度校正前每个纵深平面上每个光声聚集光斑处的实时光声幅值，Pn’为深度校正后的每个纵深平面上每个光声聚集光斑处的实时光声幅值；

第九步，最后，利用二维和三维光声图像重建算法，对光声图像进行重建，可以得到深度修正后的被测组织的在每个纵深平面上的二维光声图像以及整个被测组织探测区域的三维光声图像。

2.根据权利要求1所述的一种光学分辨光声显微三维层析成像的深度修正方法，其特征在于，该方法适用于包括前向、后向和侧向探测模式在内的光声检测及成像***。

3.根据权利要求1所述的一种光学分辨光声显微三维层析成像的深度修正方法，其特征在于，光学分辨光声成像***包括脉冲激光器、滤光片、准直透镜、聚焦透镜、反射镜、被测组织、超声探测器、样品支架、三维扫描平移台、信号放大器、信号滤波器、信号采集器、示波器和计算机。

4.根据权利要求3所述的三维扫描平移台，其特征在于，该三维扫描平移台为电动式三维扫描平移台，由三个步进电机驱动器驱动，可以使得固定在三维扫描平移台上的样品支架、超声探测器和被测组织实现X、Y和Z方向的平移扫描运动。