[发明专利]基于有限角度扫描的光声断层成像装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光声断层成像(Photoacoustic Tomography，简称PAT)技术，尤其涉及一种基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置及方法。

背景技术

光声成像技术是新发展起来的一种非入侵式和非电离式的医学成像技术，近年来获得迅速发展，并成为当今国际研究的前沿热点课题。光声信号的产生是复合媒介间能量转换的过程，它结合了纯光学成像具有的无损伤性、高选择激发特性和纯超声成像具有的低衰减、高穿透特性，能够在一定的深度下获得高的图像分辨率和对比度，图像传递的信息量大，可以提供形态及功能信息。光声成像技术目前已在生物组织成像中得到广泛应用，如肿瘤检测、血管成像、脑功能成像等相关研究。

基于光声效应，短脉冲激光入射到成像样品，局部组织吸收光能产生热膨胀向四周辐射超声波，通过超声换能器在不同位置扫描并采集光声信号，不同位置的吸收体经过算法能被重建出来。在光声成像中，装置的成本主要取决于设备的复杂程度，而成像质量和成像速度则取决于是重建算法。现有单元探测器光声成像主要采用圆周多点采集信号的方式，装置扫描时间长，相应的重建算法有反卷积、相控聚焦、逆Radon变换、迭代重建算法等，但准确重建需要的数据量大且算法复杂度高，因此简化信号采集和高效重建算法是应用光声成像的关键。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明目的在于克服现有技术的缺点，提供一种低成本、操作简单、快速扫描和精确成像的基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置及方法，以基于有限角度扫描的欠采样数据和快速稀疏算法准确重建原始图像。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种基于有限角度扫描的快速光声断层成像装置，该光声断层成像装置包括：脉冲激光器1；由反射镜2-1、镜筒2-2、凹面镜2-3和毛玻璃2-4构成的光路处理装置2；由超声探测器3-1、超声放大器3-2和A/D转换器3-3构成的信号采集装置3；数字示波器4；计算机5；由电机控制器6-1、平移台6-2和旋转台6-3构成的三维平移旋转台6；样品池7；样品支架8；以及成像样品9；其中，脉冲激光器1、光路处理装置2、信号采集装置3、数字示波器4、计算机5和三维平移旋转台6依次连接，超声探测器3-1采集到的光声信号经过脉冲放大后，传输到A/D转换器3-3的输入端，最后传输到数字示波器4，数字示波器4与脉冲激光器1电气相连，用于控制信号的激发和采集；数字示波器4将处理信号传输到计算机5，计算机5用于所述电机控制器6-1和数字示波器4信号采集的同步控制，并对每个探测位置采集信号频谱分析，存储光声信号的部分频率信息，通过对圆弧上有限角度位置信号采集，构建前向投影算子，基于快速稀疏算法对信号重建，获得成像物体的光声断层成像。

上述方案中，所述超声探测器3-1通过架杆连接于旋转台6-3，旋转台6-3和超声探测器3-1作为整体通过支架连接于平移台6-2，电机控制器6-1控制旋转台6-3的旋转角度和平移台6-2的位移，并控制超声探测器3-1的旋转和平移。

上述方案中，所述计算机5通过USB接口分别连接数字示波器4和电机控制器6-1，用于控制信号采集和超声探测器3-1的位置旋转。

上述方案中，所述脉冲激光器1选用倍频的Q-Switched Nd:YAG脉冲激光器，波长为532nm-1064nm，脉冲宽度为6.5ns，重复频率10Hz，脉冲激光器1发出的脉冲激光入射到成像物体产生声信号。

上述方案中，所述光路处理装置2中，反光镜2-1和镜筒2-2分别固定于同一支架上，反光镜2-1和脉冲激光之间夹角为45度；凹透镜2-3和毛玻璃2-4通过半封闭圆环固定在镜筒2-2上，通过调节镜筒的高度来控制照射到成像物体光斑的大小，满足脉冲激光照射样品需求的同时保证超声探测器3-1实现任意角度无障碍扫描。

上述方案中，所述信号采集装置3中，超声探测器3-1为单阵元超声探测器3-1，超声探测器3-1通过支架连接到旋转台6-3，所述探测器3-1在成像物体水平切面内垂直旋转成像样品9，在圆弧上有限位置采集成像样品9光声信号。所述信号采集装置3灵敏度为950mv/Pa，频率带宽为200KHz-15MHz，探针的直径为1mm。

上述方案中，所述数字示波器4选用混合信号示波器，具有350MHz的带宽，最高可达2.5GS/s的取样速率，在所有通道上实现20M样点的记录长度。