[发明专利]双聚焦超声探头和稀疏阵列光声断层成像系统

说明书

本发明涉及一种双聚焦超声探头和稀疏阵列光声断层成像系统。该探头包括凹陷探测面，所述凹陷探测面在第一方向上的数值孔径大于在第二方向上的数值孔径，使所述凹陷探测面在第一方向上的信号接收角度大于在所述第二方向上的信号接收角度，及所述凹陷探测面在所述第二方向上的聚焦区域长度大于在所述第一方向上的聚焦区域长度，所述第一方向和所述第二方向垂直。本发明中的探头对成像断面具有较大的信号接收角度，因此能够提高低采样率下压缩感知图像重建方法所重建的图像质量。同时，可以采用稀疏排布的方式形成环形的探头阵列，可以减少成像系统的成本。同时，可以降低图像重建所需的数据采集量，进而提高数据采集速度和成像速度。

技术领域

本发明涉及光声成像技术领域，具体涉及一种双聚焦超声探头和稀疏阵列光声断层成像系统。

背景技术

光声成像方法是国际上新兴的一种无损、在体生物医学成像的方法，它融合了光学和超声两种成像模式的优点，兼具光学成像的高对比度和光谱特异性、超声对深组织成像的高空间分辨率，已成为目前发展最快的生物医学成像技术之一。光声成像方法的基本原理是通过探测生物组织吸收脉冲激光后，因瞬时热膨胀而产生的超声信号，反演组织体内光能量的沉积。该成像方法可以在无任何外源性对比剂的情况下，依靠组织本身的光吸收对比度，实现生物体中一些与疾病密切相关的重要生理功能和参数成像，如：血红蛋白浓度、血氧浓度、氧代谢等。近年来，光声成像方法已被证明在肿瘤血管增生研究、血红蛋白和血氧浓度成像、乳腺癌诊断和心脑血管易损斑块成像等众多生物医学领域有重要应用价值。

目前的一类光声成像系统是超声阵元密集排布的光声成像系统，顾名思义，该类系统的超声阵列的阵元是密集排布的。该类系统比较典型的一种是圣路易斯华盛顿大学LihongWang教授小组开发的小动物光声成像系统，其成像探头是由512个中心频率为5MHz的超声阵元制成的直径为5cm的环形探测装置，平均每两个相邻阵元中心之间的间隔约300多微米，阵元排布非常密集，对制作工艺要求很高，价格昂贵。此外，该系统配备了64通道数据采集卡，这种情况下，8次打光才能完成一个成像断面的光声信号采集，加上其它的系统延迟，成像帧率只有0.625Hz，数据采集速度达不到临床快速成像的需求。该类系统比较典型的另一种是德国慕尼黑工业大学Vasilis教授小组开发的弧形光声断层成像系统，该系统超声探测是包含256阵元的覆盖240度角的弧形阵列，可以用于小动物断层和全身成像。该阵列阵元中心频率为3.3MHz，单阵元大小为4mm×4mm。系统光路是用包含10个分支的光纤束，产生对成像断面的环形照明，可以保证对成像区域相对均匀的光照。该系统配置线性位移台，通过样本夹移动待成像物体，实现三维扫描和成像。当前该系统在多通道数据采集设备下，可以达到每秒10Hz的成像帧率，基本能够满足临床应用的需求。然而，多通道数据采集设备价格昂贵。总体来说，超声阵元密集排布的光声成像系统具有光声成像速度低、价格昂贵等缺点，且阵元密集排布，使得阵元尺寸较小，组织深层信号探测灵敏度低。

光声成像速度是影响该成像技术临床应用深度和广度的一个重要因素。原因为：(1)在光声成像的一些重要应用领域(例如血流动力学、氧代谢、生理状态监测等)均需要高速的光声成像系统，以实时地跟踪、采集反映生物组织状态的信息；(2)临床疾病诊断应用中，提高数据采集速度，可以减少病人在成像设备下的时间，让医生能够实时地获取疾病信息，有针对性的进行及时治疗，具有非常重要的现实意义。基于超声阵列探测的光声计算层析成像(photoacoustic computed tomography，简称PACT)技术是一种具有快速成像潜力的光声成像方式，然而，PACT成像系统的阵元数目多，数据量大，对数据采集、传输和重建都提出了很高的要求，目前在很多应用领域的成像速度仍达不到临床实时/快速成像需求。