CN116942103A - 一种暗场光声层析成像***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种暗场光声层析成像***及方法，待测体吸收扩束脉冲光的能量后产生局部压强变化，并以超声波的形式向待测体外多个方向传播超声信号；***中超声探测模块包含多个超声换能器单元形成一个或多个超声换能器阵列，超声换能器阵列在有效超声探测范围内对沿多个传播方向超声信号进行探测，并将超声信号转化为电压信号输出；所述扩束脉冲光在待测体表面照射范围与超声探测模块有效超声探测范围在待测体表面不存在重叠区域，或在待测体表面的照射范围与超声探测模块有效超声探测范围在待测体表面的重叠区域面积不大于在待测体表面照射范围的50%，利用***约束待测体表面形状和方位，在待测体有效成像区域的表面区域实现光声层析暗场照明。

Description

一种暗场光声层析成像***及方法

技术领域

本发明涉及生物医学影像技术，尤其涉及一种暗场光声层析成像***及方法。

背景技术

作为一种新兴的生物医学影像技术，光声层析成像具备速度快、分辨率高、成像信息丰富、安全无辐射的特点，与传统医学影像技术形成了优势互补，并于近年开始向临床转化。光声层析成像技术利用脉冲光照射生物组织，对光有吸收的生物组织成分会在光声效应下产生超声信号，通过探测该超声信号即重建生物组织中吸光成分的图像。

光声效应的机理在于，当脉冲光照射生物体时，对该波长光照有吸收的组织成分会产生短暂的温度升高，从而引起局部压强的快速变化。该压强变化会以超声波（也称光声信号）的形式向生物体外传播，被周边的超声换能器所探测。基于超声换能器在不同位置和时间探测到的不同强度的光声信号，图像重建算法测算生物体中吸光色团的成分（如血红蛋白）、浓度、位置，提供吸光色团分布图像。因此，在光声层析成像***中，脉冲光照与超声探测的配合从根本上决定了光声层析成像***的成像性能。

经过了近二十年的发展，光声成像技术已经有了长足的进步。然而，现有的光声层析成像***在设计中，特别是脉冲光照与超声探测的协同配合上，尚未进行优化与规范，常见的问题在于，现有光声层析成像***中，脉冲光照在生物组织表面的光照分布与超声探测范围存在较大重叠，造成超声探测区域内的光通量（单位面积的光能量）分布差异较大。由于光在进入生物组织后随深度指数衰减，所以光声成像***接收到来自组织表面的光声信号通常远强于来自深层组织的光声信号。然而，在有效成像区域内较大的光声信号幅度差异会导致在使用反投影或延时求和等图像重建算法时，在深层组织图像中易呈现无法忽略的浅表信号伪影。除此之外，组织表面较强的光通量产生的较强光声信号在声学特性不均一的生物组织中传播会经历不规则散射，该无效散射信号在被超声换能器接收后，也将在重建图像中产生伪影。

发明内容

针对现有光声层析成像技术的不足，本发明提供一种暗场光声层析成像***及方法。

一种暗场光声层析成像***，包括导光模块、超声探测模块和承载塑形模块；

所述导光模块对脉冲光束进行扩束和/或定形后形成扩束脉冲光照射待测体，待测体中对扩束脉冲光有吸收的成分吸收扩束脉冲光的能量后产生局部压强变化，局部压强变化以超声波的形式向待测体外多个方向传播超声信号；所述超声探测模块对沿多个方向传播的超声信号进行探测，并将超声信号转化为电压信号；所述承载塑形模块通过安装塑形槽，承载待测体并约束待测体表面形态与方位，从而使得扩束脉冲光在待测体表面的照射范围与入射角度稳定可控；

所述导光模块调节扩束脉冲光在待测体表面的照射范围，从而调节与超声探测模块对待测体的有效超声探测范围之间的相对位置和角度，使扩束脉冲光在待测体表面的照射范围与超声探测模块的有效超声探测范围在待测体表面不存在重叠区域，或者重叠区域的面积不大于扩束脉冲光在待测体表面照射范围的50%，形成暗场照明；

所述待测体为生物体、生物组织或者非生物体中的一种或者几种组合；

所述超声探测模块包括多个超声换能器单元，分布于待测体周围，多个超声换能器单元形成一个或多个超声换能器阵列，超声换能器阵列在有效超声探测范围内探测扩束脉冲光在待测体中产生的沿多个方向传播的超声信号，并将超声信号转化为电压信号输出；每个换能器单元可选择自聚焦或非自聚焦的形状，每个换能器单元的有效探测范围服从超声衍射公式；每个超声换能器阵列或探测矩阵的有效超声探测范围亦服从空间采样定理；

所述超声探测模块可根据不同需求设计为不同形态，具体为：

（1）超声探测模块包括一个或多个弧形超声换能器阵列，超声换能阵列的弧度范围在 10度至359度，弧形超声换能器阵列形成弧形超声换能模块；

（2）超声探测模块包括两个或以上线性超声换能器阵列，排列形成一个多边形或多边形的一部分；

（3）超声探测模块包括多个超声换能器单元，超声换能器单元在空间排布成球面的一部分，形成球面超声换能器阵列；

（4）超声探测模块包括多个超声换能器单元，超声换能器单元在空间排布成一多面体的一部分，形成多面体超声换能器阵列；

所述弧形超声换能器阵列的两侧放置导光模块，形成双侧暗场照明；线性超声换能器阵列的一侧放置导光模块，形成单侧暗场照明；球面超声换能器阵列的边缘放置导光模块，形成环形暗场照明；多面体超声换能器阵列的超声换能器单元间隙放置导光模块，形成多边形暗场照明；

所述承载塑形模块通过在成像窗口附近安装塑形槽对待测体进行承载与塑形，塑形槽采用坚固或不易形变的材料；承载塑形模块在有效成像区域附近留出供扩束脉冲光和超声信号穿过的成像窗口，窗口采用光和超声易穿过的材料覆盖，在保证约束待测体表面形状的同时，保证不遮挡扩束脉冲光对待测体的照射，也不遮挡超声探测模块对超声信号的探测；

所述有效成像区域为超声探测模块的有效超声探测范围在待测体内覆盖区域，为待测体一定厚度的截面或者待测体的立体空间；有效成像区域包括表面区域和深层区域，表面区域靠近承载塑形模块，深层区域远离承载塑形模块；有效成像区域的表面区域距离靠近承载塑形模块的承载待测体表面垂直距离0至1 mm，有效成像区域的深层区域距离靠近承载塑形模块的待测体表面垂直距离大于1 mm并小于100 mm；

扩束脉冲光的照射方向指向或近似指向有效成像区域的中心位置，从待测体表面的照射区域到有效成像区域的中心位置直线距离不超过5 cm，扩束脉冲光在待测体中传播并衰减后，成像区域的深层区域的光通量分布强度至少高于待测体表面最强光通量的1/1000；

扩束脉冲光在待测体表面的照射范围和角度与有效成像区域的尺寸和形状匹配，从而使扩束脉冲光在待测体中传播并散射后在待测体内的光通量分布涵盖有效成像区域的深层区域和表面区域，有效成像区域内的最强光通量与有效成像区域内的最弱光通量的关系为：最强光通量与最弱光通量之比小于等于200；

所述一种暗场光声层析成像***还包括：脉冲生成模块、空间扫描模块、数据采集模块以及图像重建模块：

所述脉冲光生成模块包括一个或多个光源，用于生成单波长或多波长脉冲光光束；所述空间扫描模块调整待测体与光声成像***主体的相对位置；所述数据采集模块对超声探测模块输出的电压信号进行处理输出信号数据；所述图像重建模块根据信号数据计算待测体中各吸光色团浓度的分布，生成待测体的图像；

所述空间扫描模块调节待测体有效成像区域至与操作者期望观测的区域重叠，同时增大光声层析成像***成像范围；具体通过定位镜头或标记定位点反馈待测体与光声层析成像***主体的相对位置或角度；根据待测体的安放位置，手动、自动、自适应中的任意一种或几种方式移动或转动光声成像***主体与待测体的相对位置；所述光声成像***主体包括：脉冲生成模块、导光模块、超声探测模块和数据采集模块；

所述数据采集模块对超声探测模块输出的电压信号进行、采集、处理、传输和存储，并输出信号数据，输出的信号数据幅度正比于与待测体种类有关的超声信号幅度，亦正比于待测体中局部压强变化幅度；

所述图像重建模块根据数据采集模块的信号数据所包含的时间信息和幅度信息进行待测体的图像重建，计算有效成像区域中局部压强变化幅度的分布，进而计算待测体中各吸光色团浓度的分布，生成待测体的图像；

所述局部压强变化幅度正比于吸光成分的光学吸收系数和局部光通量F的乘积，吸光成分的光学吸收系数/>能够表征待测体中各吸光色团浓度，为了基于局部压强变化幅度/>最终获得待测体中吸光成分的光学吸收系数/>，需要根据脉冲光生成模块、导光模块及待测体种类对有效成像区域提供相对均匀或可控的光通量F分布。

一种暗场光声层析成像方法，基于上述一种暗场光声层析成像***实现，包括如下步骤：

步骤1：设计并测试超声探测模块的有效超声探测范围；

步骤2：根据超声探测模块的有效超声探测范围安装承载塑形模块，固定承载塑形模块位置，从而进一步标定脉冲光照区域与承载塑形模块的位置关系；

步骤3：确定导光模块的初步安装位置及角度，安装导光模块，引导脉冲光生成模块发出的光束在定形、扩束后照射拟照明区域；通过调节导光模块的光学器件，调整光照范围与角度，与步骤2中标定的脉冲光照区域重叠，以实现光声层析暗场照明；

步骤4：在待测体承载塑形模块中放置与人体声学特性相近仿生假体测试其成像效果，通过微调光照的范围与角度，优化成像质量；在优化完成后，判断在拟成像区域内的光学能量密度和功率密度是否服从美国国家激光安全标准；如符合，脉冲光束、超声探测模块、承载塑形模块三者的相对位置与角度得以优化并相对稳定；不符合则继续调节；

步骤5：根据承载塑形模块所反馈待测体的安放位置，利用空间扫描模块手动、自动或自适应调节待测体与光声层析成像***主体的相对位置，使得待测体目标成像区域与有效成像区域重叠；

步骤6：测试完成后放置待测样品，基于暗场光声层析成像***完成光照激发、超声探测、空间扫描、数据采集，与图像重建，得到待测体图像。

本发明有益技术效果：

在光声层析成像中，由于脉冲光在进入待测体后光通量一般随穿透深度的增加呈指数衰减，传统光声层析成像***接收到来自待测体浅表区域的超声信号通常远强于来自深层区域的超声信号。然而，在成像区域内若存在较大的超声信号幅度差异将会导致在使用反投影或延时求和等图像重建算法时，在待测体深层区域图像中呈现无法忽略的来自浅表区域信号的伪影。除此之外，组织表面区域较强的光通量产生的较强超声信号在声学特性不均一的组织中传播会经历不规则散射，该无效散射信号经超声换能器接收后，也将在待测体深层区域的图像中产生伪影。由于对待测体表面的形状和位置通常缺乏约束或限制，通常导致对待测体表面的光照分布区域可控性较差，降低了光声层析成像***的成像质量稳定性。为此本发明提出一种暗场光声层析成像***及方法，采用光声层析暗场照明，解决现有技术的不足。

在本发明中，待测体由承载塑形模块对其进行承载和表面形态的约束；扩束脉冲光在待测体表面的照射范围与超声探测模块的有效超声探测范围在待测体表面不存在重叠区域，或者扩束脉冲光在待测体表面的照射范围与超声探测模块的有效超声探测范围在待测体表面的重叠区域的面积不大于扩束脉冲光在待测体表面照射范围的50%；待测体的有效成像区域为超声探测模块的有效超声探测范围在待测体内覆盖区域，有效成像区域包括表面区域和深层区域，表面区域靠近承载塑形模块，深层区域远离承载塑形模块。调节扩束脉冲光在待测体表面的照射范围与待测体的有效成像区域之间的相对位置和角度，扩束脉冲光不直接照射有效成像区域中的表面区域，在有效成像区域的表面区域实现光声层析暗场照明，使扩束脉冲光在待测体中传播并衰减后，在有效成像区域内提供比传统光声层析成像***更均匀的光通量分布。

本发明方法可以降低表面区域较强的光声信号在图像中的伪影，同时也有助于降低成像***对数据采集模块中数据采样深度即数位分辨率的要求。通过优化光照区域与超声探测范围，规范待测物体的位置和形态，大幅度降低待测体浅表区域产生的超声信号在深层区域的伪影，提升光声层析成像***的图像清晰度和图像质量稳定性。

附图说明

图1为本发明光声层析成像***结构示意图。

图2为本发明光声层析成像***暗场照明示意图。

图3为本发明成像女性乳腺内部血管例图。

图4为本发明弧形超声换能器阵列的两侧放置导光模块，形成双侧暗场照明示意图。

图5为本发明多边形超声换能器阵列一侧放置导光模块，形成单侧暗场照明示意图。

图6为本发明承载塑形模块示意图。

图7为本发明半球面超声换能器阵列结合环形暗场照明的结构示意图。

图8为本发明多面体超声换能器阵列结合多边形暗场照明的结构示意图。

具体实施方式

本发明为了改进光声层析***的成像性能与图像质量，提出了一种暗场光声层析成像***；下面结合说明书附图和具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本发明提供的一种暗场光声层析成像***如图1所示，该***包括脉冲光生成模块1、导光模块2、超声探测模块3、承载塑形模块4、空间扫描模块5、数据采集模块6和图像重建模块7。

所述脉冲光生成模块1包括一个或多个光源，用于生成单波长或多波长脉冲光光束；脉冲光为单波长光束或多波长光束，波长范围为0.3μm–3μm。脉冲光生成模块1为现有技术，例如Nd:YAG纳秒脉冲激光器。

所述导光模块2，包括反射镜、棱镜、散射片、透镜、光纤和/或光导臂，用于对脉冲光生成模块1发出的脉冲光束进行扩束和/或定形后形成扩束脉冲光，扩束脉冲光照射至待测体，待测体中的吸光成分吸收扩束脉冲光能量后发生局部压强变化，以超声波的形式向待测体外多个方向传播超声信号；待测体可选为生物体、生物组织、非生物体中的一种或者几种组合。

扩束脉冲光在待测体内衰减，其衰减特性服从Beer-Lambert定律，即待测体内距离体表距离z处的光通量 ，其中/>为待测体表面的光通量，待测体在脉冲光波长下的有效衰减系数 /> ，其中/>为待测体在脉冲光波长下的光学吸收系数，/>为待测体在脉冲光波长下的光学约化散射系数。

所述超声探测模块3，包括多个超声换能器单元，分布于待测体周围，多个超声换能器单元形成一个或多个超声换能器阵列，超声换能器阵列在有效超声探测范围内探测扩束脉冲光在待测体中产生的沿多个方向传播的超声信号，并将超声信号转化为电压信号输出；每个换能器单元可选择自聚焦或非自聚焦的形状，每个换能器单元的有效探测范围服从超声衍射公式；每个超声换能器阵列或者探测矩阵的有效超声探测范围亦需服从空间采样定理。

超声探测模块3的有效超声探测范围与超声换能器阵列的超声换能器单元的分布范围、相邻间距、探测超声信号波长有关。超声探测模块3的超声换能器阵列在有效探测范围内的空间采样间距短于超声信号波长的一半。

如图4所示，超声探测模块3包括一个或多个弧形超声换能器阵列，超声换能阵列的弧度范围在10度至359度，弧形超声换能器阵列组合形成超声探测模块3。弧形超声换能器阵列的两侧放置导光模块2，形成双侧暗场照明。

如图5所示，超声探测模块3包括两个或以上线性超声换能器阵列，排列形成一个多边形或多边形的一部分。线性超声换能器阵列的一侧放置导光模块2，形成单侧暗场照明。

如图7所示，超声探测模块3包括多个超声换能器单元，超声换能器单元在空间排布成球面的一部分，形成球面超声换能器阵列。球面超声换能器阵列的边缘放置导光模块2，形成环形暗场照明。

如图8所示，超声探测模块3包括多个超声换能器单元，超声换能器单元在空间排布成一多面体的一部分，形成多面体超声换能器阵列。多面体超声换能器阵列的超声换能器单元间隙放置导光模块，形成多边形暗场照明。

承载塑形模块4，通过安装塑形槽承载待测体并约束待测体表面10形态与方位与预期相同或近似，从而使得扩束脉冲光在待测体表面10的照射范围与入射角度稳定可控，如图6所示。承载塑形模块4通过在成像窗口附近安装塑形槽401对待测体进行承载与塑形，塑形槽401采用坚固或不易形变的材料，包括环氧树脂、塑料、硅胶、橡胶等。承载塑形模块4在有效成像区域9附近留出供扩束脉冲光和/或超声信号穿过的窗口402，窗口采用光和/或超声易穿过的材料覆盖，包括玻璃、亚克力、透明树脂、透明塑料等材料，在保证约束待测体表面10形状的同时，保证不遮挡扩束脉冲光对待测体的照射，也不遮挡超声探测模块3对超声信号的探测。

待测体的有效成像区域9为超声探测模块3的有效超声探测范围在待测体内覆盖的区域，为待测体一定厚度的截面或者待测体的立体空间。有效成像区域9包括表面区域和深层区域，表面区域靠近承载塑形模块4，深层区域远离承载塑形模块4。有效成像区域9的表面区域距离待测体表面10的垂直距离为0至1 mm，有效成像区域9的深层区域距离待测体表面10的垂直距离大于1 mm且小于100 mm。

通过导光模块2调节扩束脉冲光在待测体表面10的照射范围与待测体的有效成像区域9之间的相对位置和角度，使扩束脉冲光在待测体表面10上的照射范围与超声探测模块3的有效超声探测范围在待测体表面10上不存在重叠区域，或者重叠区域的面积不大于扩束脉冲光在待测体表面10照射范围的50%，从而在有效成像区域9的表面区域实现光声层析暗场照明。 如附图2所示；

扩束脉冲光的照射方向指向或近似指向有效成像区域9的中心位置，从待测体表面10的照射区域到有效成像区域9的中心位置直线距离不超过5 cm，扩束脉冲光在待测体中传播并衰减后，有效成像区域的光通量分布强度至少高于待测体表面10上最强光通量的1/1000。

扩束脉冲光在待测体表面10的的照射范围与有效成像区域9的尺寸和形状匹配，使扩束脉冲光在待测体中传播并经过待测体散射后在待测体内的光通量分布覆盖有效成像区域9的深层区域和表面区域，在有效成像区域9内的最强光通量与有效成像区域9内的最弱光通量的关系为：最强光通量与最弱光通量之比小于等于200。

空间扫描模块5包括运动模组和导轨，用于调整待测体与超声探测模块3的相对位置，从而将待测体中有效成像区域9与操作者希望期望观测的区域重叠，同时增大光声层析成像***成像范围。待测体与光声层析成像***的相对位置或角度通过定位镜头或标记定位点反馈。

数据采集模块6对超声探测模块3输出的电压信号进行放大、采集、处理、传输和存储，并输出信号数据，信号数据的幅度正比于超声信号幅度，亦正比于待测体中局部压强变化幅度。数据采集模块6为现有技术，例如PST的LEGION ADC。

图像重建模块7根据数据采集模块6的信号数据所包含的时间信息和幅度信息进行待测体的图像重建，计算有效成像区域9中局部压强变化幅度的分布，进而计算待测体中各吸光色团浓度的分布，生成待测体的图像。

如图3所示是女性乳腺内部血管成像例图，图像反映接近4cm的深度处依然有一定的血管信号未被体表的信号干扰，形成了较为清晰的血管图像；而常规的光声层析成像设备在4cm深度处会被体表的强信号严重干扰，无法肯定该位置超声信号的确切来源。

局部压强变化幅度正比于吸光成分的光学吸收系数和局部光通量F的乘积，吸光成分的光学吸收系数/>能够表征待测体中各吸光色团浓度，为了基于局部压强变化幅度最终获得待测体中吸光成分的光学吸收系数/>，需要对有效成像区域9提供相对均匀或可控的光通量F分布。

在本实施例中，数据采集模块6的各数据采集通道与超声换能器阵列8的各超声换能器单元一一对应，因此，每个光照脉冲后都能够完成对待测体中一个二维截面的成像。空间扫描模块5可根据定位镜头或标记定位点所反馈待测体的安放位置，手动、自动、或自适应移动或转动待测体或光声层析成像设备，进而在三维空间内提供更大的成像范围。

具体地，半球面超声换能器阵列8在空间扫描模块5的作用下，可以对待测体在三维空间内提供密集的空间采样，在三维有效成像区域9内实现各向均一的空间分辨率，同时该阵列也可接收在三维空间内沿多个方向传播的超声信号。

本实施例所述一种暗场光声层析成像方法，基于上述一种暗场光声层析成像***实现，包括如下步骤：

步骤1：设计并测试所述超声探测模块3的有效超声探测范围。在设计过程中如果是在模拟条件下，可借助理论计算、声场仿真软件或有限元分析对超声换能器阵列8的声学特性进行计算和模拟，分析其声场分布等参数，从而确定其有效超声探测范围；如果在实验条件下，可利用单通道超声换能器、超声麦克风等测试工具，测量超声换能器阵列8的声场特性，确定其有效超声探测范围；

步骤2：根据超声探测模块3的有效超声探测范围安装承载塑形模块4，并进一步标定拟实施的脉冲光照区域与待测体承载塑形模块4的位置关系；

步骤3：根据待测体种类和有效成像区域9的大小确定拟实施的脉冲光照区域光斑的位置及尺寸；

根据需求选择不同特性的扩散片，具体为：根据脉冲光生成模块1发出脉冲光束的光斑大小选择扩散片大小，根据导光模块2的安装方式选择扩散片形状，根据重建图像幅度选择扩散片的扩散角大小，初步计算扩散片到承载塑形模块4上成像窗口402的大致空间距离；

运用折射定律计算扩束脉冲光进入成像窗口402时的入射角，使扩束脉冲光的光照区域在超声探测模块3的有效成像区域9内，且照射方向指向或近似指向有效成像区域9的中心位置；

依据上述理论计算的空间距离和入射角，安装导光模块2，引导脉冲光生成模块1发出的光束在定形、扩束后照射拟照明区域。进一步地，通过调节导光模块2的光学器件，调整光照范围与角度，与理论计算中标定的脉冲光照区域重叠，以实现光声层析暗场照明。在该步骤中，可在拟照明的区域处放置激光显影纸、能量/功率计，或光斑测量仪等光学测量装置，确定实际光照的范围、角度，及能量均匀性等参数；

步骤4：在待测体承载塑形模块4中放置与人体声学特性相近仿生假体（如琼脂）并测试其成像效果，通过微调光照的范围与角度，优化成像质量。在优化完成后，确认在拟成像区域内的光学能量密度和功率密度服从美国国家激光安全标准（ANSI，z136.131–2014）。自此，脉冲光束、超声探测模块3、承载塑形模块4三者的相对位置与角度得以优化并相对稳定；

步骤5：安装并调节空间扫描模块5，可根据承载塑形模块4所反馈待测体的安放位置，手动、自动、或自适应调节待测体与光声层析成像***的相对位置，使得待测体中的目标成像区域与超声成像探测区域重叠；

步骤6：安放待测样品，完成光照激发、超声探测、空间扫描、数据采集，与图像重建。

Claims (10)

1.一种暗场光声层析成像***，其特征在于，包括导光模块、超声探测模块和承载塑形模块；

所述导光模块对脉冲光束进行扩束和/或定形后形成扩束脉冲光照射待测体，待测体中对扩束脉冲光有吸收的成分吸收扩束脉冲光的能量后产生局部压强变化，局部压强变化以超声波的形式向待测体外多个方向传播超声信号；所述超声探测模块对沿多个方向传播的超声信号进行探测，并将超声信号转化为电压信号；所述承载塑形模块通过安装塑形槽，承载待测体并约束待测体表面形态与方位，从而使得扩束脉冲光在待测体表面的照射范围与入射角度稳定可控。

2.根据权利要求1所述的一种暗场光声层析成像***，其特征在于，所述导光模块调节扩束脉冲光在待测体表面的照射范围，从而调节与超声探测模块对待测体的有效超声探测范围之间的相对位置和角度，使扩束脉冲光在待测体表面的照射范围与超声探测模块的有效超声探测范围在待测体表面不存在重叠区域，或者重叠区域的面积不大于扩束脉冲光在待测体表面照射范围的50%，形成暗场照明；

所述待测体为生物体、生物组织或者非生物体中的一种或者几种组合。

3.根据权利要求1所述的一种暗场光声层析成像***，其特征在于，所述超声探测模块包括多个超声换能器单元，分布于待测体周围，多个超声换能器单元形成一个或多个超声换能器阵列，超声换能器阵列在有效超声探测范围内探测扩束脉冲光在待测体中产生的沿多个方向传播的超声信号，并将超声信号转化为电压信号输出；每个换能器单元可选择自聚焦或非自聚焦的形状，每个换能器单元的有效探测范围服从超声衍射公式；每个超声换能器阵列或探测矩阵的有效超声探测范围亦服从空间采样定理；

所述超声探测模块可根据不同需求设计为不同形态，具体为：

（1）超声探测模块包括一个或多个弧形超声换能器阵列，超声换能阵列的弧度范围在10度至359度，弧形超声换能器阵列形成弧形超声换能模块；

（2）超声探测模块包括两个或以上线性超声换能器阵列，排列形成一个多边形或多边形的一部分；

（3）超声探测模块包括多个超声换能器单元，超声换能器单元在空间排布成球面的一部分，形成球面超声换能器阵列；

（4）超声探测模块包括多个超声换能器单元，超声换能器单元在空间排布成一多面体的一部分，形成多面体超声换能器阵列；

所述弧形超声换能器阵列的两侧放置导光模块，形成双侧暗场照明；线性超声换能器阵列的一侧放置导光模块，形成单侧暗场照明；球面超声换能器阵列的边缘放置导光模块，形成环形暗场照明；多面体超声换能器阵列的超声换能器单元间隙放置导光模块，形成多边形暗场照明。

4.根据权利要求1所述的一种暗场光声层析成像***，其特征在于，所述承载塑形模块通过在成像窗口附近安装塑形槽对待测体进行承载与塑形，塑形槽采用坚固或不易形变的材料；承载塑形模块在有效成像区域附近留出供扩束脉冲光和超声信号穿过的成像窗口，窗口采用光和超声易穿过的材料覆盖，在保证约束待测体表面形状的同时，保证不遮挡扩束脉冲光对待测体的照射，也不遮挡超声探测模块对超声信号的探测；

所述有效成像区域为超声探测模块的有效超声探测范围在待测体内覆盖区域，为待测体一定厚度的截面或者待测体的立体空间；有效成像区域包括表面区域和深层区域，表面区域靠近承载塑形模块，深层区域远离承载塑形模块；有效成像区域的表面区域距离靠近承载塑形模块的承载待测体表面垂直距离0至1 mm，有效成像区域的深层区域距离靠近承载塑形模块的待测体表面垂直距离大于1 mm并小于100 mm；

扩束脉冲光的照射方向指向或近似指向有效成像区域的中心位置，从待测体表面的照射区域到有效成像区域的中心位置直线距离不超过5 cm，扩束脉冲光在待测体中传播并衰减后，成像区域的深层区域的光通量分布强度至少高于待测体表面最强光通量的1/1000；

扩束脉冲光在待测体表面的照射范围和角度与有效成像区域的尺寸和形状匹配，从而使扩束脉冲光在待测体中传播并散射后在待测体内的光通量分布涵盖有效成像区域的深层区域和表面区域，有效成像区域内的最强光通量与有效成像区域内的最弱光通量的关系为：最强光通量与最弱光通量之比小于等于200。

5.根据权利要求1所述的一种暗场光声层析成像***，其特征在于，所述一种暗场光声层析成像***还包括：脉冲生成模块、空间扫描模块、数据采集模块以及图像重建模块：

所述脉冲光生成模块包括一个或多个光源，用于生成单波长或多波长脉冲光光束；所述空间扫描模块调整待测体与光声成像***主体的相对位置；所述数据采集模块对超声探测模块输出的电压信号进行处理输出信号数据；所述图像重建模块根据信号数据计算待测体中各吸光色团浓度的分布，生成待测体的图像。

6.根据权利要求5所述的一种暗场光声层析成像***，其特征在于，所述空间扫描模块调节待测体有效成像区域至与操作者期望观测的区域重叠，同时增大光声层析成像***成像范围；具体通过定位镜头或标记定位点反馈待测体与光声层析成像***主体的相对位置或角度；根据待测体的安放位置，手动、自动、自适应中的任意一种或几种方式移动或转动光声成像***主体与待测体的相对位置；所述光声成像***主体包括：脉冲生成模块、导光模块、超声探测模块和数据采集模块。

7.根据权利要求5所述的一种暗场光声层析成像***，其特征在于，所述数据采集模块对超声探测模块输出的电压信号进行、采集、处理、传输和存储，并输出信号数据，输出的信号数据幅度正比于与待测体种类有关的超声信号幅度，亦正比于待测体中局部压强变化幅度。

8.根据权利要求5所述的一种暗场光声层析成像***，其特征在于，所述图像重建模块根据数据采集模块的信号数据所包含的时间信息和幅度信息进行待测体的图像重建，计算有效成像区域中局部压强变化幅度的分布，进而计算待测体中各吸光色团浓度的分布，生成待测体的图像。

9.根据权利要求8所述的一种暗场光声层析成像***，其特征在于，所述局部压强变化幅度正比于吸光成分的光学吸收系数和局部光通量F的乘积，吸光成分的光学吸收系数能够表征待测体中各吸光色团浓度，为了基于局部压强变化幅度/>最终获得待测体中吸光成分的光学吸收系数/>，需要根据脉冲光生成模块、导光模块及待测体种类对有效成像区域提供相对均匀或可控的光通量F分布。

10.一种暗场光声层析成像方法基于权利要求1所述一种暗场光声层析成像***实现，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：设计并测试超声探测模块的有效超声探测范围；

步骤2：根据超声探测模块的有效超声探测范围安装承载塑形模块，固定承载塑形模块位置，从而进一步标定脉冲光照区域与承载塑形模块的位置关系；

步骤3：确定导光模块的初步安装位置及角度，安装导光模块，引导脉冲光生成模块发出的光束在定形、扩束后照射拟照明区域；通过调节导光模块的光学器件，调整光照范围与角度，与步骤2中标定的脉冲光照区域重叠，以实现光声层析暗场照明；

步骤4：在待测体承载塑形模块中放置与人体声学特性相近仿生假体测试其成像效果，通过微调光照的范围与角度，优化成像质量；在优化完成后，判断在拟成像区域内的光学能量密度和功率密度是否服从美国国家激光安全标准；如符合，脉冲光束、超声探测模块、承载塑形模块三者的相对位置与角度得以优化并相对稳定；不符合则继续调节；

步骤5：根据承载塑形模块所反馈待测体的安放位置，利用空间扫描模块手动、自动或自适应调节待测体与光声层析成像***主体的相对位置，使得待测体目标成像区域与有效成像区域重叠；

步骤6：测试完成后放置待测样品，基于暗场光声层析成像***完成光照激发、超声探测、空间扫描、数据采集，与图像重建，得到待测体图像。