（光学专业论文）多元快速光声成像系统设计及其研制.pdf

中文摘要 光声成像在越来越多的被应用到各种诊断和检测场合。激光超声以脉冲激光 作为激励源，以激发出来的超声信号作为信息载体，通过接收型超声换能器采集 光声信号进行图像重建，图像可以体现生物组织或者各种材料的光吸收分布信 息，该技术同时兼具纯光学成像技术的高对比度和纯声学成像技术的高分辨率的 优点，为研究生物组织和材料的结构和功能信息等提供了重要手段，在生物医学 领域和工业无损检测领域具有广阔的应用前景，已成为国际医学影像技术领域的 研究热点。 对于成像系统的研究，一直都是光声成像研究的一个重要部分，而光声成像 技术要发展成为一种重要的临床诊断技术，成像的实时性至关重要，多元光声成 像系统正是基于这个目的而建立并发展起来的。采用多元探测器代替单元探测 器，以避免大规模的机械旋转扫描，并且配合电子相控阵扫描电路是光声成像系 统发展过程中非常重要的进步。本论文完成了基于数字b 超c t 孓一5 0 0 0 b 平台 的多元光声成像系统的建立，该系统由激光器、数字b 超、数据采集系统以及 旋转扫描装置四部分组成，每帧图像的采集时间只需要1 2 秒。其中多元相控聚 焦技术和合成孔径算法的应用，在减少数据采集时间的同时，提高了整机的信噪 比和分辨率。为了证明该系统的成像能力，设计了一系列的实验，通过相关的参 数来评价成像系统，经过实验结果分析可以看出，该系统能在较少的采集时间内 获得较好的成像效果。 为了达到进一步提高成像速度、分辨率和对比度，以并行采集技术为基础的 光声成像系统被提出，该系统的显著特点是能进一步减少采集的时间，并且能将 成像结果动态的显示出来，更加快捷的捕捉到生物组织的功能信息。建立了以 6 4 通道并行采集系统为基础的高帧频的光声成像系统，该系统可以采用各种不 同构象和参数的接收型多元换能器进行光声信号的采集，以用于各种不同的诊断 和研究场合。配合重复频率为1 5h z 的激光器，系统的数据采集和同步显示能 力可以达到7 帧，秒。而系统的另外个优点就在于使用可变增益的放大器对组 织所造成的超声信号的衰减进行动态补偿，随着探测深度的增加，放大倍数可以 随之增加，系统的动态增益达到9 6d b ，进一步提高了信噪比。该系统的采样率 为4 0m h z ，采样精度为1 2b i t 。在此基础之上，更进一步的对6 4 通道并行采集 i i i 系统进行扩展，研制了3 8 4 通道分选6 4 通道的系统，成像分辨率和方便性得到 了更进一步的提高。经实验结果验证，该系统有望发展成为一种快速的符合临床 应用要求的生物医学成像系统。如果配合高重复频率的激光器，该系统有望实现 实时成像。 最后，对用于光声成像系统的关键部件超声换能器进行分析和讨论，为光声 成像用超声换能器的选择确定了基本原则和方法。 关键词：光声成像，实时成像系统，多通道并行采集与处理系统，超声换能， 光声探头 a b s t r a c t p h o t o a c o u s t i ci m a g i n g ( p a l ) i sa p p l i e di nm o r ea n dm o r et oav a r i e t yo f d i a g n o s t i ca n dt e s t i n gd o m a i n s p a lb a s e do np h o t o a c o u s t i ce f f e c t ，m a p st h e d i s t r i b u t i o no fa b s o r p t i o nw i t h i nb i o l o g i c a lt i s s u e sb yr e c o n s t r u c t i n gi m a g e u s i n go ft h ec a p t u r e du l t r a s o n i cs i g n a l s i tc o m b i n e st h em e r i t so fh i g ht i s s u e c o n t r a s to fp u r eo p t i c a li m a g i n ga n dh i g hs p a t i a lr e s o l u t i o no fp u r eu l t r a s o n i c i m a g i n g t h ei m a g i n gt e c h n i q u ec a np r o v i d ea ne f f e c t i v ea p p r o a c ho ft i s s u e s t r u c t u r ea n df u n c t i o n a li m a g e st os t u d yt h ea r c h i t e c t u r e s ，p h y s i o l o g i c a la n d p a t h o l o g i c a lp r o p e r t i e sa n dm e t a b o l i s m so fb i o l o g i c a lt i s s u e s 。a n d i ti s d e v e l o p i n ga s a ni n t e r n a t i o n a lh o t s p o tr e s e a r c hi nt h ef i e l do fm e d i c a li m a g i n g t h ed e v e l o po nt h ei m a g i n gs y s t e mi sa l w a y so n eo ft h ef o c a lp o i n t si n t h er e s e a r c ho ft h ep a l ，a n di fw ew a n tt om a k et h ep a lt ob eu s e da so n eo f c l i n i c a li m a g i n gm e t h o d ，r e a l t i m ei m a g i n gc a p a b i l i t yi sr e q u i r e d ，s ow es e t u pa m u l t i - e l e m e n tp h o t o a c o u s t i ci m a g i n gs y s t e mt or e d u c et h ed a t a a c q u i s i t i o n t i m e o nt h eo n eh a n d ，t h es y s t e mb a s e do nm u l t i e l e m e n td e t e c t o rb u tn o tt h e s i n g l e d e t e c t o rc a na v o i d l a r g e s c a l e m e c h a n i c a l s c a n n i n g ，t h e d a t a a c q u i s i t i o nt i m ec a nr e d u c eal o t o nt h eo t h e rh a n d ，t h et e c h n i q u eb a s e d o nm u l t i e l e m e n tp h a s e - c o n t r o l l e df o c u sh a sb e e na p p l i e dt os a t i s f yt h e r e q u i r e m e n t o fd e c r e a s i n gt h ed a t a a c q u i s i t i o nt i m e i nt h i st e c h n i q u e ， p h o t o a c o u s t i cs i g n a l sa r en ol o n g e rn e e d e dt ob ea v e r a g e di nt h ep r o c e s so f d a t a - a c q u i s i t i o n ，a n dh i g hs i g n a l - t o n o i s er a t i oc a nb er e a c h e de a s i l y t h e s y s t e m i s m a i n l y m a d eu po ff o u rp a r t si n c l u d i n gi r r a d i a t i n gs o u r c e ， d a t a a c q u i s i t i o nd e v i c e ，p h o t o a c o u s t i cs i g n a l sr e c e i v e da n dp r o c e s s e dd e v i c e a n d s c a n n i n g d e v i c e u n d e rt h es e l f - d e s i g n e d w o r k i n gs e q u e n c e ， d a t a - a c q u i s i t i o nt i m e o fa n i m a g ec a n b er e d u c e dt o1 2 s as e r i e s o f e x p e r i m e n t sw e r ei m p l e m e n t e dt oe s t i m a t et h ei m a g i n gq u a l i t yo ft h es y s t e m t h es p a t i a lr e s o l u t i o na n dt h ea x i a lr e s o l u t i o n ( i n d e p t h ) o ft h es y s t e mw e r e d e t e c t e dt ob e0 2 5 m ma n d1 4 m m r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o wt h a t ，t h e s y s t e mh a st h ef e a s i b i l i t yt ob eu s e da sa m e d i c a li m a g i n gm e t h o d 。a n di tm a y p r o v i d e u s an e wr a p i da n dn o n i n v a s i v e i m a g i n gm o d a l i t y f o rc l i n i c a l a p p l i c a t i o n v a st h ed e v e l o p m e n to fp a l 。t h ep h o t o a c o u s t i ci m a g i n gs y s t e mb a s e do n p a r a l l e la c q u i s i t i o nt e c h n i q u ei sd e v e l o p i n g t h es y s t e mc a nr e d u c et h e d a t a - a c q u i s i t i o nt i m eg r e a t l y , a n dt h ep h o t o a c o u s t i cf i g u r e sc a n d i s p l a y d y n a m i c a l l y , s ot h ef u n c t i o n a li n f o r m a t i o nc a nb ec a p t u r e de a s i l y w ep r e s e n ta p h o t o a c o u s t i ct o m o g r a p h ys y s t e mf o rb i o m e d i c a li m a g i n g ，w h i c hc a nd i s p l a y t h ep h o t o a c o u s t j cf i g u r e sd y n a m i c a l l y i nt h es y s t e m ，t h ep h o t o a c o u s t i cs i g n a l s a r ec o n v e r t e dt ov o l t a g es i g n a l sb ya12 8 - e l e m e n tl i n e a ru l t r a s o u n dt r a n s d u c e r a r r a y w i t hac e n t e r f r e q u e n c y o f7 5m h za n d7 0 b a n d w i d t h t h e 12 8 一c h a n n e ls i g n a l sa r ea c q u i r e db yt h e6 4 c h a n n e lp a r a l l e ld a t a a c q u i s i t i o n s y s t e mt w i c et h r o u g ht h e2 ：1m u l t i p l e x e r s ，a n dt h eo p o ( o p t i c a lp a r a m e t r i c o s c i l l a t o r ) l a s e rp r o v i d e sl a s e rw i t hap u l s er e p e t i t i o nr a t eo f15h z ，s ot h e a c q u i s i t i o nr a t ec a nr e a c ha b o u t7f r a m e sp e rs e c o n d ，a tt h es a m et i m e ，t h e d a t aa r ep r o c e s s e db yt h ep e r s o n a lc o m p u t e ra n dt h ep h o t o a c o u s t i cf i g u r e s c a nb ed i s p l a y e dd y n a m i c a l l yw i t haf r a m er a t eo fa b o u t7h z t h ea t t e n u a t i o n o fp h o t o a c o u s t i cs i g n a l si nt h eb i o m e d i c a lt i s s u ew i l lr e s u l ti n p h o t o a c o u s t i c t o m o g r a p h yd i s t o r t i o n i no r d e rt or e d u c et h ei n f l u e n c e 。t h ep h o t o a c o u s t i c s i g n a l sa r ea m p l i f i e db yv a r i a b l eg a i na m p l i f i e r s ，w h i c hc a nb et u n a b l ew i t ht h e c h a n g eo fa c q u i s i t i o nd e p t h ，a n dt h ea m p l i f i e r sc a np r o v i d e9 6d bg a i n ，w h e n t h ea c q u i s i t i o nd e p t hr e a c h e s6c m a f t e ra m p l i f i c a t i o na n db a n d p a s s f i l t e r , t h e p h o t o a c o u s t i cs i g n a l s a r es a m p l e da t4 0m h zw i t h12 b i t p r e c i s i o n t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mh a st h ef e a s i b i l i t yt ob eu s e da sa f a s ti m a g i n gm e t h o df o rf u n c t i o n a li m a g i n go fb i o m e d i c a lt i s s u e f i n a l l y ，t h ef e a t u r e so fu l t r a s o n i ct r a n s d u c er w h i c h a c ta st h ek e y c o m p o n e n to fp h o t o a c o u s t i ci m a g i n gs y s t e m ，t ob ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d ， d e t e r m i n et h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dm e t h o do fs e l e c t i o no fu l t r a s o n i ct r a n s u c e e w h i c hu s e df o rp h o t o a c o u s t i ci m a g i n g k e yw o r d s ：p h o t o a c o u s t i c i m a g i n g ；r e a l t i m ei m a g i n gs y s t e m ； m u l t i c h a n n e l sd a t ap a r a l l e la c q u i r es y s t e m ；u l t r a s o n i c t r a n s d u c e r ；p h o t o a c o u s t i ct r a n s d u c e r v j 2 3 多元光声成像模式1 1 2 4 本章小结。1 4 第3 章基于数字化处理的多元光声成像系统研制1 5 3 1 引言1 箩 3 2 成像系统设计1 5 3 2 1 系统硬件设计1 6 3 2 2 系统软件设计1 9 3 2 3 小结2 l 3 3 成像算法。2 2 3 4 实验结果与讨论2 3 3 4 1 系统参数测定2 3 3 4 2 实验结果2 6 3 4 3 实验讨论2 8 3 5 本章小结2 9 第4 章多通道光声并行采集系统研制3 0 4 1 引言3 0 v u 4 2 硬件设计3l 4 3 “通道并行采集系统的扩展3 6 4 4 实验结果与讨论3 9 4 5 本章小结4 0 第5 章用于光声成像的探头设计4 1 5 1 超声探头概述4 l 5 2 用于光声成像的超声换能器4 7 5 3 单元换能器一5 0 5 3 1 平面圆形单元4 9 5 3 2 平面圆环单元。4 9 5 3 3 光声共焦探头5 0 5 4 多元换能器51 5 4 1 线阵多元5 4 5 4 2 多环阵列5 5 5 4 3m a t r i x 阵列5 6 5 5 本章小结5 8 参考文献5 9 硕士期间发表论文和申请专利6 6 蜀【 射6 7 v i n 第1 章序论 1 1 前言 当物质受到光辐射时，物质对光的吸收会通过非辐射方式转变为热，从而引 起该物体内某些区域结构和体积变化，如果光束为周期性的脉冲光源或调制光 源，则物体内局部温度的起伏而产生应力的周期性变化而向外辐射声信号，这种 现象称为光声效应( p h o t o a c o u s t i ce f f e c t ) 。光声效应实际上是一种能量转换过程， 光声信号的产生不仅与入射光源有关，而且还与被辐射体的光学特性、热学特性 及声学特性等有关。因此，可以通过探测激发的光声信号来判断和鉴别物体内部 的特征信息，例如组织病变和结构损伤等。在七十年代，科学家们将光声效应应 用于检测物质和研究物质性能，形成了光声光谱技术( p h o t o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p y 。p a s ) 。在八十年代科学家们将光声效应引入生物组织成像领域， 形成了生物组织的光声成像技术( p h o t o a c o u s t i ci m a g i n g ，p a t ) 。n 光声成像技术有效的结合了纯光学成像的高对比度和纯声学成像的高穿透 深度的优点，可实现厘米量级探测深度和微米量级成像精度的组织影像。由于生 物组织内7 0 是水，超声穿透性好，通过采用超声传感器检测超声波代替光学 成像中检测散射光予，从原理上避开了组织光学散射的影响。生物组织内部产生 的光声信号携带了组织的光吸收特征信息，通过测量光声信号能重建出组织中的 光吸收的分布图像。而生物组织的光吸收特性与组织的生理特征、代谢状态、病 变特性甚至神经活动密切有关，例如，早期癌变组织的光吸收比正常组织高出 2 5 倍。与传统的超声成像u s l 1 】相比，光声成像可以区分声阻抗相同或相近而 光学参数不同的生物组织，而传统超声成像对于早期癌变组织与正常组织的密度 差异不大存在困难，超声图像对比度不高，对于直径小于l c m 的肿瘤的检测仍 有相当大的困难；与光学相干层析o c t l 2 。4 l 相比，光声方法的成像深度要深得多， 达到几个厘米左右深度，非常适合如乳腺肿瘤、皮下肿瘤、肌肉瘤等距体表较浅 表层的病变【5 7 1 。 1 2 光声成像技术概述 1 2 1 光声成像原理 当采用一束短脉冲( l o n s ) 激光照射在生物组织上时，组织通过吸收光 像技术，在生物医学临床诊断以及在体成像领域具有广泛的应用前景，已成为目 前无损生物医学影像领域的一大研究热剧1 4 , 1 5 1 。 1 2 2 光声成像接收方式 光声信号是带宽范围为兆赫兹的机械压力波，以探测器的构成分类，可以分 为压电法接收和光学法接收。以压电法进行超声信号的接收，随着医学超声技术 的发展，已经很成熟，也是目前最常用的接受方式，所用的探测器是以压电晶体 作为换能器的超声探测器。光学法是利用激光束来检测介质表面的超声振动，通 常又可分为非相干和相干检测法。相干法是将试样表面直接作为迈克尔逊干涉仪 测量臂中的反射镜，入射的光束被表面反射并与由光源分离的参考光发生干涉， 使光束发生频移。非相干法的原理是：当照射到试样表面的检测光束直径小于光 2 声波的波长时，反射光由于表面振动而发生偏转，偏转的程度与声波的幅值及性 质有关。光束偏转法、f p 干涉仪、条纹干涉仪等光学法已经引入光声信号检测 领域中，但由于组织的非确定性，导致用于测量的光在样品表面的反射会因为个 体差异导致比较大的测量误差，稳定性还比较低。因此，压电法由于其稳定性和 高灵敏度的特点，依然是主要检测光声信号的主要方法。 按激光的入射方向与探测器的相对位置区分，有前向接收、侧向接收和后向 接收三种系统结构。前向接收模式在实际应用研究中采用较少，因为它需要光声 信号穿透组织，而符合该测量条件的生物组织结构较少；侧向模式要求激光入射 方向与探测器相对成直角关系，该模式已成功应用于乳腺癌的早期诊断和动物脑 组织的结构与功能成像研究，但它的缺点与i i i 向接收模式类似，只能应用于特使 器官的检测；后向接受模式是三种模式中最具发展潜力的工作模式，它能实现生 物组织的在线检测，如皮下血管检测、皮下损伤深度检测等【5 l l 。 1 3 光声重建算法概述 也 1 3 1 光声重建原理 在光声成像系统中，探测器接收到的光声信号主要与三个因素有关：1 ) 是组 织的光学特性，即与光吸收系数分布有关；2 ) 是与入射激光的时间和空间分布 有关；3 ) 与探测器本身特性有关。因此，要准确反映出组织的光吸收系数的分 布，就必须要尽量减少其他两个因素的影响。许多文献对光声重建理论都有描述， 这里简单介绍基于点源响应的逆卷积重建原理。假定介质内光强均匀分布，在空 间某一位置接收到光声压p ( r ，t ) 和光吸收分布a ( r - t ) 的关系可以表达为： v 2 p ( r ，) _ 吉导p ( r ，) _ 一芒删扣 ( 1 1 ) 式( 1 6 ) 为光声成像的基本方程。根据假设，式( 1 1 ) 的函数解可写为 加= 去喘叫，一譬) 2 ， 式( 1 2 ) 是理想状念下的光声信号解析式。，o ) = 讲( f ) 4 ，对，( ，) 的不同近似处 理，可得不同的p ( r ，) 表达方式，并对应不同的成像算法。方程( 1 1 ) 的反映出时 域的光声速度势信号与光吸收分布之间的关系。目前，k r u g e r 的三维逆r a d o n 大都是从现有的医学成像技术借鉴而来，经过众多研究人员的不断发展。目前光 声图像重建中最广泛使用的是反投影重建方法，k r u g e r 等率先提出了类似c t 成像方法的逆三维r a d o n 变换的反投影重建算法，将光声成像技术应用到乳腺 癌早期诊断；w a n glh 等从光声信号产生的基础理论出发，利用傅里叶变换， 分别得到了在球、平面、圆柱三种不同测量模式下基于精确解的修正反投影重建 算法1 4 0 。4 2 1 。 但以上两种常用算法主要应用于单元光声成像中，在多元光声重建领域中， 尹邦政等提出了基于多元动态相控聚焦重建算法。相控聚焦技术通过对每个接收 线进行适当延时，从而模拟相长干涉聚焦传感器在一定焦距范围内来提高探测深 4 度，在光声信 别是光声信号 列聚焦深度为 越为光声信号传到多元阵列传感器中央阵元所用时间与到达第i 个阵元所用时 间的时间差，灭，为第i 个阵元的中点与多元阵列传感器中一1 5 、 轴的距离，z 为光声 信号源与传感器之间的距离，c 为光声信号在耦合介质中的平均传播速度。这个 过程类似于超声成像中的动态相控聚焦。 为得到吸收体中的点m 的信号，对探测器阵列的各阵元测得的信号& ( ，) 依 据该阵元到点m 的距离做一个时间延时缸，并依据探测器的指向性作一幅值权 重五，然后对它们求和( 相当于对m 点信号的同相叠加) 即可得到m 点的光声信 号： s m ( f ) = a , s , ( t - a t , ) ( 1 6 ) i = i 其中m 是与光声信号源z 点所在的位置，n 为多元阵列传感器的所有接收阵元， 五是第1 个阵元的幅值权重，= z c ，是光声信号传播到传感器中央的焦点所 用的时间。从上式可知，对于m 点发出的光声信号，通过计算越，并在电路上对 每一路信号设置相应的延时。经过延时补偿后，多元阵列传感器对称轴上的信号幅 度最大。把n 个信号累加起来相当于将信号进行了n 次平均，m 点相当于探测 器的焦点处，对于光声源在焦点处的情况，信号得到相干增强，对于光声源不在 焦点处的情况，由于不同阵元离光声源的距离不同，各环接收到的信号通过延时 后相位差异更大，信号得不到增强。因此多元动态相控聚焦方法可以大大提高光 声成像的信噪比和分辨率【4 3 5 0 】。 1 4 本章小结 本章首先介绍了光声成像的发展历程，并就与几种常用的医学影像技术的优 5 对比。在阐述了光声成像的原理基础上，对目前常用的几种光声成 与结构做了初步的介绍，并就光声重建算法方面做了一定的概述， 控聚焦重建算法做了详细的介绍。 6 第2 章光声成像系统 2 1 引言 光声成像是以探测超声代替纯光学成像中检测光子的生物光子学成像方法，光 声信号的传感常用探测器的阵元数目分有单元和多元探测器，如传声器、水听器和 压电换能器阵列等。对于光声信号的压电接收方式，探测器通常采用的压电晶体材 料有p v d f 薄膜和p z t 陶瓷，它们能够提供简单、准确和高灵敏度的信号检测。p v d f 薄膜材料具有响应频带宽、声阻抗低的优点，但其灵敏度相对较低且制作成本较高； p z t 陶瓷材料具有灵敏度高、制作成本低、经久耐用等的优点，但是响应频带相对 较窄。由于生物组织内的光声信号的持续时间可以很短，因此光声探测时不仅要求 接收传感器有较小的接收面、较高的灵敏度，同时还要有较宽的频带【5 2 巧7 1 ，本章主 要介绍我们实验中所用的单元和多元光声模式系统及其相关实验结果。 2 2 单元光声成像模式 我们实验中所用的单元光声模式成像系统是在p c i g p i b 和p c i 1 7 5 7 的基础 上，构架了由可调谐激光器、超声探测器、信号放大器、数字示波器、步进电机、 个人计算机等硬件组成的系统平台，并在美国n i 公司的l a b v i e w8 0 软件平台下， 丌发了配套的数据采集与分析程序软件，实验系统的空间分辨率可达约1 2 0 微米。 整套模式系统主要由固体激光器、p c i g p i b 总线卡和p c i 1 7 5 7 数字卡等硬件构 建而成，如图2 1 所示，其中：1 ) 可调谐激光器l s 2 1 3 4 ( l o t i st i i ，b e l a r u s ) ， 工作波长可为3 5 0 5 3 2 n m 或6 5 0 1 0 0 0 n m ，脉宽为8 n s ；2 ) 超声探测器，是材料为针 状的磺化聚二氟乙烯( p o l y v i n y l i d e n ef l u o r i d e ，p v d f ) 膜的水听器( h p ，p r e c i s i o n a c o u s t i cl t d ) 。探测灵敏度为9 5 0 n v p a ，接收面积直径为1m m ，响应带宽为 2 0 0 k h z 1 5 m h z ；3 ) 信号放大器，包括前置放大器和主放大器( h p ，p r e c i s i o n a c o u s t i cl t d ) ，其中主放大器的带宽为5 0 k h z 1 2 5 m h z ，最大输入信号的峰峰值 为0 5 v ，最小放大倍数为2 5 d b ；4 ) 数字示波器( t d s 3 0 3 2 。t e k t r o n i x ) ，频带宽 3 0 0 m h z ，最高采样率2 5 g s s ，9 一b i t 的垂直分辨率，并且内置g p i b 通信接口模块； 5 ) g p i b 总线接口卡( p c i g p i b ，n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) ，是一个数字化2 4 脚的并 行总线，其中1 6 根线为丌l 电平信号线，包括8 根双向数据线、3 根握手线、5 根控 7 为6 c m 时，每个扫描位置的数据传输时间只需约为6 m s 。系统应用n ip c i g p i b 接口 卡实现了数字示波器与计算机的连接，采用l a b v i e wf u l ld e v s y s t e m ( v e r8 0 ， n i ) 作为软件丌发平台。整个系统的软件主要由数据采集、步进电机控制和图像重建 三部分构成，系统控制的前面板是是用户操作仪器、与仪器进行通讯、输入参数设 置及输出结果显示的用户接口，如图2 2 所示。 8 獭取信号通道7 艇发源一2 7 设备，f 。 触敖类囊。j ，。：采集类璎。触发辐合方式7 通道耦台方式7 缓 i c h t i 习ie x t e , n a v l o i ，ii g 啪，i 习 i - 一# d 一= k ob 6 i 6 一h 一# n r ：嗣f l w g dl c v c la h ci u c 圮 c j c i l k $ 1 i v u 亳 l a n n e i1v a l + e x t e r 溉( 矗g p i b ：3 ：t n s 最 p o s i t n e 丰阮a e n v kd 咖e t e c e t 一-o c 丰 盏： o t h 吖一i 。n o r m a l j亨o t h e r 。 o t h e f 。 输入 抗( o h m ) 聚群 数 波形监测 ， ， 一。 ff 篓0 一0o h m s + 一一j ；h o o o o 获取i h 雎艳嘲 采镟p 均次数 1 篓：醺蓬瑟三襄零i 虿罚 i ，专|1 5 0 0 0 e - 3 拍l 酴j ? ：”， 一- 。蔼 孺发叫 篓转j 生“q 8 ) ，6 0 舻警，；蒸：篁；纛i ，? 。弱 醚菇譬譬。， 葛 童； 8 0 e + o 耄 l ：加。量熬乏勰黧纛i 黪毛誊漕l _ w 费罐专瓣螽? t ：雹 d “。”曩 聚镟丌始时问 接果荣的次数2 0 o j 黢：? 葛；戮i 滞篙甚 ii i 糊i 嚣轴批越玺 警1 1 2 5 e 。601 2 0 0 ”。_ 1 一f 舅一 i 酝聪燃爨鬻绷 麓： 时川杯r 已采集的次数 彗f ：二二 一t _ l 一“il f - i 珥o - t ) u t - b 搿， 啊0 # 秘_ ”i 冀f 数振打能路径文件名称t ：0 一l 鬻鬟霆霪翳鬓感i i 霪i _ 8 、；：0 磊t a ，z ；n ；丽一 ：r a tb r a n 缶0 0 。醚雾纛裁溺秀舅嘲 - 露溺雾黪臀9 ：i。，、繁一羞 秀绶敬籀信息，8 0 o i 醪麟零琵雾砭j 毒霭l黔餮7 ”l l - l o o o 一包- 薹釜蕴羔盐五j 溢。溢2 上“厶。二j 一1 2 0 o 。l 。n 。，2 0 0 0 。 4 1 ) o o 一，6 0 ( ) 0 8 0 ( ) o 1 0嘲 图2 2 单元光声模式信号采集前面极 z e n g 等利用该单元光声成像模式系统对脑组织结构进行了研究【m e d p h y s ， 3 4 ( 2 ) ：5 5 昏5 6 3 。2 0 0 7 】。实验结果如图2 3 所示，脑结构和脑皮层上血管网络的分布及形 态结构特征得到完整再现。其中左右半脑、小脑、脑横裂和脑沟上的脑中主动脉等 脑结构成像清晰完整，大脑皮层和组织浅表血管的结构和分布特征能够清楚分辨， 其中b v ( b i o o d e s s e i ) ：血管；c b ( c e r e b e u m ) ：小脑；f t c ( f i s s u r at r a n s v e r s a c e r e b r i ) ：大脑横裂；m c a ( m i d d i ec e r e b r a l a r y ) ：大脑中主动脉；r h ( r i g h t h e m i s p h e r e ) ：右脑；l h ( l e f th e m i s p h e 怆) ：左脑。实验表明了该方法进行脑结 构与脑血管分布成像研究的可行性，接下来的工作将重点在脑肿瘤及其病变转移、 脑血液动力学等结构与功能性的研究。 ( a ) 图2 3 ( a ) 实验鼠大脑结构照片； 9 葛 为 1 5 5 铲1 丁1 i 百j 5 蜘m ( b ) ( b ) 基于小波变换的光声重建图像 图2 4 老鼠背部肿瘤移植后与对应的光声检测图像 y a n g 等利用单元光声成像模式系统应用脑损伤检测与脑损伤恢复监测 a p p l p h y s l e t t ，9 0 ：2 4 3 9 0 2 ，2 0 0 7 。结果如图2 5 所示，由于针刺的地方造成血液 的积聚从而产生强的光声信号。所以左右脑半球的小黑点相信是对应针刺伤脑组织 的部位。结果不仅能准确地揭露针刺伤的位置。而且还能清晰地显示出由于针刺破坏 血管而导致的局部淤血的位置及范围大小。结果表明光声成像能够提供生理状态 改变所引致的血液形态变化的图像信息。 1 5 x m m ( a ) ( b ) 图2 - 5 ( a ) 实验鼠的颅脑损伤解剖照片：( b ) 颅脑组织损伤的光声诊断成像 1 0 2 3 多元光声成像模式 我们实验中所用多元光声成像模式系统在便携式线阵超声诊断仪c t s 一2 0 0 ( s i u i ，c h i n a ) 的平台上，开发了主要由光纤激光器、多元线阵传感器阵列 e u z p l 2 3 、数据处理模块m l t a s 、便携式数字化仪u s b 5 10 2 、数字i o 卡p c i 17 3 0 、 中央控制器和计算机等硬件组成。同时，该系统发展集成了激光传输、光声激发和 光声信号探测，以反射模式接收光声信号并通过相控聚焦技术实现了快速成像，已 用于手臂血管的层析扫描，得到了清晰的血管断层图像【2 1 2 9 1 。 系统硬件由激光器、高速数据采集卡和数字i ，o 控制卡等硬件构架起来的，如图 2 6 所示，其主要硬件包括：1 ) 光纤输出的固体n d ：y a g 激光器( b r i l l i a n tb 。b i g s k y ) ， 工作波长为1 0 6 4 n m ，激光脉宽为8 n s ，单脉冲能量达4 0 m j ，其中耦合光纤直径约为 0 6 m m ，数值孔径n a 为0 2 2 ；2 ) 多元线阵传感器，选用主频为7 5 m h z 的多元探测 器阵歹u e z u p l 2 3 ( s i u i ，c h i n a ) ，相对带宽不高于7 5 ，横向扫描宽度为4 9 m m ， 它由1 9 2 个振元组成，并被分割成6 4 个振群，每3 个振元组成一个振群。在其前部有+ 一内置的柱面声透镜( 焦长为3 5 m m ) 用来选择焦平面上的信号，抑止焦平面以外的 信号来实现层析成像；3 ) 数据处理模块m l t a s ，主要实现阻抗变换、信号预放与滤； 波、信号增益补偿等处理功能，并以便携式线阵超声诊断仪作为多段聚焦平台来实 现动态相控聚焦；4 ) 信号采集卡，采用便携式高速数字化仪u s b 5 1 0 2 ( n i ，u s a ) ， 采样速率为2 0 m s s ，带宽为15 m h z ，垂直采样精度为8 b i t s ，任意间隔采样率： 1 0 2 0 g s ，s ，输入范围0 0 5 至5 ，它具有u s b 接口总线，双通道信号输入端口，每 通道提供6 6 3 k 的内存；5 ) 地址数据采集，选用隔离数字量输入，输出卡p c i 1 7 3 0 ( a d v a n t e c h ，t a i w a n ) ，它有3 2 路t t l 电平d i o 通道和3 2 路隔离d i o 通道，其中4 个 2 0 针接口分别用于隔离数字量i ，o 通道和丌l 数字量l ，o 通道，隔离保护电压可达到 2 5 0 0 v d c ，是要求采取高电压隔离工业应用的理想选择；6 ) 中央控制器，采用 m a x 7 0 0 0 0 s 系列大规模可编程逻辑器件e p m 7 0 3 2 ( a l t e r a ，u s a ) ，其工作频率最 高可达1 5 1 5 m h z ，并具有带可编程保密位的在线编程能力；7 ) 2 相步进电机 p h 2 6 8 2 2 - a 7 ( v e x t a ，j a p a n ) ，最小步距为0 9 度，其驱动选用两相步进电机驱动 器u d x 2 10 7 ( v e x t a ，j a p a n ) ；8 ) 个人计算机。 图2 6 多元光声模式系统装置示意图 该套多元模式系统的工作原理如下t 便携式线阵超声诊断仪c t s 2 0 0 平台的行 同步输出信号经过分频、延时后触发光纤固体n d ：y a g 激光器( b r i l l i a n tb b i g s k y ) ， 输出激光波长和脉宽分别为1 0 6 4 n m 和8 n s