CN115844331B - 一种多角度的光声层析成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多角度的光声层析成像系统及方法，成像系统包括：照明模块、扫描模块、机械运动调节模块和数据采集模块；还包括恒温水槽，用于承载待测组织，待测组织属于大型生物体的一部分，大型生物体体积大于成像系统，待测组织包括大型生物体的乳腺；照明模块输出至少两类照明光，其中第一类包括全角度覆盖照明光，第二类包括线性聚焦照明光；至少两类照明光分别传输至待测组织；扫描模块包括聚焦线性超声换能器阵列，用于获取待测组织产生的光声信号，并传输至数据采集模块；机械运动调节模块用于实现扫描模块按照“平移+旋转”的扫描机制进行运动从而获取待测组织的多角度光声信号，提高组织三维光声成像分辨率和灵敏度。
Description
技术领域
本发明实施例涉及成像技术领域，尤其涉及一种多角度的光声层析成像系统及方法。
背景技术
对于人体组织精确的成像检测是发现组织的早期癌变情况的手段之一，也是后续诊断、治疗和预后的主要依据。以乳腺检测为例，目前常见的乳腺成像技术有乳腺钼靶X线摄影(Mammography)、核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)、超声成像筛查(Ultrasound)、漫射光学层析扫描技术(Diffuse Optical Tomography，DOT)等技术。乳房的X光筛查是目前乳腺癌早期诊断检测最为常用的诊断工具，但是对于致密性、纤维腺组织较多的女性乳房的成像灵敏度较差，并且产生的电离辐射对人体会造成伤害；核磁共振成像技术造价和维护费用较高，不适用于临床大规模乳腺癌筛查；超声成像诊断敏感性和符合率较低，容易误导医生诊断导致误诊、漏诊；而漫射光学断层扫描尚未被证明可以很好地用于常规临床乳腺癌诊断应用。
而光声层析成像(Photoacoustic tomography，PAT)结合了光学成像与超声成像的优点，能够对组织深层处进行高对比度和高空间分辨率的结构和功能成像。但在目前针对乳腺的光学层析成像系统中，利用激光照射组织时光能量损失严重，光照利用率低；若采用传统的非聚焦线阵超声探头在接收光声信号时，存在灵敏度差、有限探测角度及横向分辨率低等问题；利用环形、半环形超声探测器阵列、多个线阵超声换能器组成的换能器组接收信号时，环阵探头带宽过窄会损失一部分频段的信号，径向方向上成像分辨率较低，仅能对探测切面进行高分辨率的二维成像，同时环阵、半环阵一般为定制，尺寸固定，不能很好适应不同尺寸的成像物体，并且造价过于昂贵；球形超声探测阵列，光照方式设计受限造成光照不均匀或利用率低，且造价过于昂贵。
发明内容
本发明实施例提供了扫描一种多角度的光声层析成像系统及方法，通过提供从待测组织四周和从组织侧下方照射的两类照明光，有效提高光照利用率，利用扫描模块中高灵敏度的聚焦线阵列位置、角度的调节，实现对不同种类、尺寸的待测组织进行多角度的扫描，能够更广泛适应不同大小的成像目标，将设备放置在成像环境下方和侧方，能够避免设备对于成像环境进行遮挡，全面获取更高信噪比的待测组织光声信号，提高组织三维成像各个方向的分辨率，提高组织三维光声成像的灵敏度。
第一方面，本发明实施例提供一种多角度的光声层析成像系统，包括：照明模块、扫描模块、机械运动调节模块和数据采集模块；
所述光声层析成像系统还包括恒温水槽，所述恒温水槽用于承载待测组织，所述待测组织属于大型生物体的一部分，所述大型生物体的体积大于所述光声层析成像系统的体积，所述待测组织包括所述大型生物体乳腺；
所述扫描模块包括聚焦线性超声换能器阵列，所述聚焦线性超声换能器阵列用于获取所述待测组织产生的光声信号，并将光声信号数据传输至所述数据采集模块；
所述照明模块输出至少两类照明光，其中第一类照明光包括全角度覆盖照明光，第二类照明光包括线性聚焦照明光；至少两类所述照明光分别从所述待测组织的四周和所述扫描模块的侧面的两个不同方向传输至所述待测组织；
所述机械运动调节模块用于带动所述聚焦线性超声换能器阵列运动，以调节所述待测组织和所述聚焦线性超声换能器阵列之间相对位置和相对角度，用于实现所述扫描模块按照“平移+旋转”的扫描机制进行运动，从而获取所述待测组织的多角度所述光声信号；
所述机械运动调节模块放置于所述恒温水槽下方，使得所述待测组织能够从所述恒温水槽上方将所述待测组织置于所述恒温水槽中。
可选的，所述照明模块包括至少两个不同波长的激光器、至少两个光纤束和多个光纤束出光口，所述激光器的激光头与所述光纤束的入光口连接；
至少两个所述激光器通过外部触发激励，利用电脑终端或者电控端控制至少两个所述激光器同时激励发光，或者至少一个所述激光器延时激励发光；
所述激光器出射的激光通过所述光纤束分束后经过所述光纤束出光口输出，并从多个角度照射所述待测组织。
可选的，所述激光器包括第一激光器和第二激光器，所述光纤束包括第一光纤束和第二光纤束，所述第一光纤束输出所述第一类照明光，所述第二光纤束输出所述第二类照明光，所述光纤束出光口包括m个第一光纤束出光口和n个第二光纤束出光口；
m个所述第一光纤束出光口围绕所述恒温水槽位置设置；
n个所述第二光纤束出光口设置于所述聚焦线性超声换能器阵列的两侧；
其中，m为大于或等于4的整数，n为大于或等于2的偶数。
可选的，所述光声层析成像系统还包括控制模块；
所述控制模块与所述机械运动调节模块连接，用于控制所述机械运动调节模块移动。
可选的，所述机械运动调节模块包括平移台；
所述平移台与所述聚焦线性超声换能器阵列机械连接；
所述控制模块控制所述平移台沿第一方向平移，并控制所述聚焦线性超声换能器阵列沿所述第一方向平移，所述第一方向与所述平移台的表面平行。
可选的，所述机械运动调节模块包括旋转台和平移台；
所述旋转台包括中空区域，所述恒温水槽通过钢杆和光学平台设置于所述中空区域中，位于所述旋转台中空区域上方；
所述旋转台与所述平移台机械连接，所述平移台与所述聚焦线性超声换能器阵列机械连接。
可选的，所述控制模块控制所述旋转台围绕所述恒温水槽旋转，并控制所述聚焦线性超声换能器阵列围绕所述恒温水槽旋转；
所述控制模块控制所述平移台沿水平方向平移，并控制所述聚焦线性超声换能器阵列沿所述水平方向平移。
可选的，所述机械运动调节模块包括夹板；
所述聚焦线性超声换能器阵列位于所述夹板内，保证所述聚焦线性超声换能器阵列运动时的稳定。
第二方面，本发明实施例提供一种多角度的光声层析成像方法，所述光声层析成像系统包括：待测模块、照明模块、扫描模块、机械运动调节模块和数据采集模块；所述扫描模块包括聚焦线性超声换能器阵列；
所述光声层析成像方法包括：
将待测组织放置于恒温水槽中；
控制至少两类照明光从所述待测组织的四周和所述扫描模块的侧面的两个不同方向传输至所述待测组织，其中第一类照明光包括全角度覆盖照明光，第二类照明光包括线性聚焦照明光；
控制所述聚焦线性超声换能器阵列获取所述待测组织产生的光声信号，并将光声信号数据传输至所述数据采集模块；
其中，所述机械运动调节模块用于带动所述聚焦线性超声换能器阵列运动，以调节所述待测组织和所述聚焦线性超声换能器阵列之间相对位置和相对角度，用于实现所述扫描模块按照“平移+旋转”的扫描机制进行运动从而获取所述待测组织的多角度所述光声信号。
可选的，控制所述聚焦线性超声换能器阵列获取所述待测组织产生的光声信号，并将光声信号数据传输至所述数据采集模块，包括：
控制所述聚焦线性超声换能器阵列在预设距离下单次往复运动并扫描采集所述待测组织产生的光声信号；
控制所述线性超声换能器围绕所述待测组织在预设角度下进行旋转；
判断所述线性超声换能器是否围绕所述待测组织旋转了预设角度；
若是，则结束所述聚焦线性超声换能器阵列对所述光声信号的获取；
若否，则控制所述聚焦线性超声换能器阵列继续在预设距离下单次往复运动并扫描采集所述待测组织产生的光声信号。
可选的，在将待测组织放置于待测模块的待测槽中之前，还包括：
校准所述光声层析成像系统的系统参数，根据待测组织的尺寸调整聚焦线性超声换能器阵列相对于待测组织的位置角度。
本发明实施例提供的多角度的光声层析成像系统包括：照明模块、扫描模块、机械运动调节模块和数据采集模块。待测组织放置于恒温水槽中；照明模块输出至少两类照明光，从至少两个方向不同角度传输至待测组织，并使得待测组织产生光声信号；扫描模块包括聚焦线性超声换能器阵列，聚焦线性超声换能器阵列用于获取待测组织产生的光声信号，并将光声信号数据传输至数据采集模块。并且，机械运动调节模块用于带动聚焦线性超声换能器阵列的运动，以调节待测组织和聚焦线性超声换能器阵列之间相对位置和角度，用于实现扫描模块多角度的获取光声信号。
本发明在待测组织侧面固定照射成像切面，避免了大范围的光学扫描，提高了光照能量利用效率；并且每类照明光是1进多出，将激光平均分散开来，共同照射同一切面，使得照射在待测组织内的光能量分布更加均匀，并且提高了照明的覆盖范围；在保证收集完整的光声信号前提下，降低了超声换能器制备成本；通过对扫描模块位置和角度的调节，实现对不同尺寸、不同种类的待测组织可以进行多角度的扫描，避免了有限角度造成的伪影问题，获取更加准确的待测组织的扫描信息，由于三维成像各个方向的分辨率由聚焦线性超声换能器阵列轴向的高分辨率所决定，所以提高了各个方向上的分辨率，改善了超声换能器阵列径向上的图像分辨率不足的问题。
附图说明
为了更加清楚地说明本发明示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本发明所要描述的一部分实施例的附图，而不是全部的附图，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种光声层析成像系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种光声层析成像系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种恒温水槽布局的俯视图；
图4为本发明实施例提供的一种恒温水槽的侧视图；
图5为本发明实施例提供的一种光声层析成像系统的侧视图；
图6为本发明实施例提供的一种光声层析成像系统的侧视中心剖面图；
图7为本发明实施例提供的一种运动扫描机制示意图；
图8为本发明实施例提供的一种光声层析成像方法的流程图；
图9为本发明实施例提供的另一种光声层析成像方法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列单元的系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它单元。
图1为本发明实施例提供的一种光声层析成像系统的结构示意图，图2为本发明实施例提供的另一种光声层析成像系统的结构示意图，参考图1和图2所示，本发明实施例提供一种多角度的光声层析成像系统10包括照明模块100、扫描模块200、机械运动调节模块300和数据采集模块400；光声层析成像系统10还包括恒温水槽500，恒温水槽500用于承载待测组织510；照明模块100输出至少两类照明光a，其中第一类照明光a1包括全角度覆盖照明光，第二类照明光a2包括线性聚焦照明光；至少两类照明光a分别从待测组织510的四周和扫描模块200的侧面的两个不同方向传输至待测组织510；扫描模块200包括聚焦线性超声换能器阵列210，聚焦线性超声换能器阵列210用于获取待测组织510受激光照射热弹性膨胀产生的光声信号，并将光声信号数据传输至数据采集模块400；机械运动调节模块300用于带动聚焦线性超声换能器阵列210运动，以调节待测组织510和聚焦线性超声换能器阵列210之间相对位置和角度，用于实现扫描模块200按照“平移+旋转”的扫描机制进行运动从而获取待测组织510的多角度光声信号；机械运动调节模块300放置于恒温水槽500下方，避免机械设备遮挡成像环境，使得待测组织510能够从恒温水槽500上方将待测组织510置于恒温水槽500中。
其中，本发明实施例提供的多角度的光声层析成像系统10可以用于对大型生物体的一部分组织进行多角度的精准扫描，其中大型生物体指的是体积大于光声层析成像系统的体积的生物体，例如人体，本实施例中的待测组织包括人体活体的乳腺。光声层析成像系统10是基于“平移+旋转”扫描机制实现多角度光声层析成像的系统。具体的，光声层析成像系统10包括照明模块100、扫描模块200、机械运动调节模块300和数据采集模块400，具体过程通过照明模块100对待测组织510进行照明，待测组织510在激光照射下，吸收能量，发生热弹性膨胀从而产生光声信号。扫描模块200对待测组织510产生的光声信号进行扫描捕获，并将扫描的光声信号数据传输至数据采集模块400，实现对待测组织510的扫描，基于准确的成像结果可以对待测组织510进行精准的诊断等，具体的，扫描模块200将获取组织的多角度光声信号转换为电信号传输到数据采集模块400中，数据采集模块400将数据传输到PC终端用以进一步的三维光声图像重建。示例性的，待测组织510可以是乳腺，通过本发明实施例提供的多角度的光声层析成像系统10，有助于今后对乳腺诊断的应用，本发明实施例提供的待测组织510也可以是人体或其他动物其他适用于光声层析成像检测的组织，本发明实施例对此不进行严格的限定。
进一步的，光声层析成像系统10还包括恒温水槽500，参考图1和图2所示，恒温水槽500用于承载待测组织510，需要说明的是，图2中仅仅示出待测组织510所在位置，并未示出待测组织510的具体形态，并且待测组织510是放置在恒温水槽500的支架上，图中未对支架进行示出。并且在恒温水槽500中存放液体，例如水等对人体无损伤的液体。具体的，恒温水槽500中存在的液体作为光声信号传输的媒介，即照明模块100照射至待测组织510产生的光声信号，通过液体将光声信号耦合至扫描模块200，从而实现扫描模块200对光声信号的获取。进一步的，恒温水槽500中存在的液体温度为预设设置的适合人体的温度，并在对待测组织510进行扫描时，保证液体的温度恒定，从而保证水中声速稳定，保证人体能够接受的情况下，保证扫描模块200获取稳定准确的光声信号，示例性的，预设的恒定温度可以是37℃，本发明实施例对具体数值不进行限定。
进一步的，照明模块100输出至少两类不同的照明光a，即通过照明光a实现照明模块100提供的光能量传输至待测组织510并产生光声信号。具体的，照明模块100包括至少两类多个方向的照明光a，本发明实施例对照明光a的数量不进行具体的限定，图1和图2中先以两类照明光a，即第一类照明光a1和第二类照明光a2为例进行举例说明，照明光a1和a2可以是由两个激光器发出的不同波段的激光束，第一类照明光a1包括全角度覆盖照明光，第二类照明光a2包括线性聚焦照明光，至少两类照明光a分别从待测组织510的四周和扫描模块200的侧面的两个不同方向传输至待测组织510。需要说明的是，全角度覆盖照明光即实现宽场照明，并且从待测组织510的四周进行照射，保证待测组织510更广泛的被照亮，产生光声信号。线性聚焦照明光即保证照明光a对待测组织510的照明强度，并且在扫描模块200的侧面进行照明，保证生成准确稳定的光声信号并且传输至扫描模块200。进一步的，图中还可以在不同的位置存在不同的照明光a，在此先不过多描述。通过在不同方向和不同位置增加不同类型的照明光a，可以保证待测组织510可以在多个方向获取充分的光照，即保证待测组织510可以产生更加准确和稳定的光声信号。
进一步的，扫描模块200包括聚焦线性超声换能器阵列210，并且聚焦线性超声换能器阵列210可以是聚焦线性超声换能器阵列210，本发明实施例对聚焦线性超声换能器阵列210的种类不进行具体的限定。聚焦线性超声换能器阵列210用于扫描并捕获待测组织510产生的光声信号，并且聚焦线性超声换能器阵列210与数据采集模块400连接，将扫描的光声信号转换为电信号传输至数据采集模块400，从而完成光声层析成像系统10对待测组织510的扫描。进一步的，数据采集模块400可以是多通道数据采集系统(Data AcquisitionSystem，DAQ)，本发明实施例对此进行具体的限定。
其中，光声层析成像系统10还包括机械运动调节模块300，机械运动调节模块300可以分别与聚焦线性超声换能器阵列210和恒温水槽500连接，例如机械运动调节模块300包括机械臂等结构与聚焦线性超声换能器阵列210和恒温水槽500连接。即通过机械运动调节模块300可以利用机械连杆和x°转接块(例如，x°可以是45°，本发明实施例对具体度数不进行限定)带动聚焦线性超声换能器阵列210运动，实现聚焦线性超声换能器阵列210与恒温水槽500之间相对位置的调节，进而实现聚焦线性超声换能器阵列210和待测组织510之间相对位置和角度等参数的不断调节，进而可以获取待测组织510在多个位置多个角度下的光声信号。
综上，本发明实施例提供的光声层析成像系统是基于“平移+旋转”扫描机制下的多角度的光声层析成像系统，通过设置多束不同类型照明光照明，即在不同方向和不同位置增加不同类型照明光，可以保证待测组织在多个方向获取充分的光照，保证待测组织可以产生更加准确和稳定的光声信号。同时，通过机械运动调节模块的调控，实现聚焦线性超声换能器阵列和待测组织之间相对位置和角度等不断调节，进而可以获取不同尺寸的待测组织在多个位置多个角度下的光声信号，保证光声层析成像系统扫描的待测组织光声信号更加全面，同时提高阵列径向上的图像分辨率，保证对待测组织的扫描效果。总体来说，保证光声层析成像系统工作的准确和稳定。
图3为本发明实施例提供的一种恒温水槽的俯视图，图4为本发明实施例提供的一种恒温水槽的侧视图，参考图1至图4所示，照明模块100包括至少两个不同波长的激光器110、至少两个光纤束120和多个光纤束出光口130，激光器110的激光头与光纤束120的入光口连接；至少两个激光器110通过外部触发激励，利用电脑终端或者电控端控制至少两个激光器110同时激励发光，或者至少一个激光器110延时激励发光；激光器110出射的激光通过光纤束120分束后经过光纤束出光口130输出，并从多个角度照射待测组织510。
具体的，参考图2至图4所示，光声层析成像系统10包括多个光纤束出光口130，光纤束出光口130可以理解为激光器110出射激光传输的末端，即激光器110出射的激光传输至光纤束出光口130，并且通过光纤束出光口130输出实现待测组织510的照明，从而保证待测组织510产生光声信号。
进一步的，基于多个光纤束出光口130，从而实现将激光器110产生的激光平均分散开，并且均衡的照射待测组织510的不同位置处，提高了激光能量的利用率，并且扩大的激光的照射范围，保证待测组织510可以在多个方向获取充分的光照。
其中，激光器110传输的激光具体的传输位置取决于光纤束出光口130的设置位置，参考图2至图4所示，通过将光纤束出光口130围绕待测组织510设置，保证传输的激光可以照射待测组织510的四周，保证待测组织510产生的光声信号更加准确和全面。
参考图1至图4所示，激光器110包括第一激光器111和第二激光器112，光纤束120包括第一光纤束121和第二光纤束122，第一光纤束121输出第一类照明光a1，第二光纤束122输出第二类照明光a2，光纤束出光口130包括m个第一光纤束出光口131和n个第二光纤束出光口132；第一激光器111出射的第一类照明光a1(宽场照明激光)通过m个第一光纤束出光口131围绕恒温水槽500位置设置；第二激光器112出射的第二类照明光a2(线性聚焦激光)通过n个第二光纤束出光口132设置于聚焦线性超声换能器阵列210的两侧；其中，m为大于或等于4的整数，n为大于或等于2的偶数。即第一光纤束出光口131和第二光纤束出光口132的数量可以是多个，即保证激光器110的激光多个角度的照射待测组织510。
具体的，通过第一光纤束出光口131传输至待测组织510的激光照射的角度和范围与通过第二光纤束出光口132传输至待测组织510的激光照射的角度和范围不同。示例性的，参考图4所示，第一激光器111出射的第一类照明光a1为宽场光，并且通过第一光纤束出光口131在第一角度b下照射待测组织510，达到360°环绕照射待测组织510的中心；第二激光器112出射的第二类照明光a2为线性聚焦光，并且通过第二光纤束出光口132在第二角度c下照射待测组织510；其中，第一角度b和第二角度c不同。即通过不同角度照射待测组织510，保证待测组织510产生的光声信号更加准确。
进一步的，激光器110在可以提供多个照明光a的情况下，保证激光器110传输的激光可以通过多个照明光a传输，扩大了光照范围，并且提高的激光的利用率。第一激光器111和第二激光器112提供的激光具有不同的激光波长范围，从而可以获取更加全面的组织信息。第一激光器111可以为Nd:YAG纳秒激光器，波长范围为1064nm，最大单脉冲能量可达1～2J，用于提供宽场面光作为背景光即照明光。第二激光器112可以为脉冲纳秒钛宝石激光器，波长范围为700nm-980nm，最大单脉冲能量可达150mJ。示例性的，第一激光器111通过第一光纤束121产生四路(即m＝4)全角度宽场照明光a1，并且将四路照明光a1基于第一光纤束出光口131在均匀排布向待测组织510进行照射。第二激光器112通过第二光纤束122产生两路(即n＝2)线性聚焦照明光a2，并且激光通过两路照明光a2，在聚焦线性超声换能器阵列210两侧向待测组织510进行照射。从而使得待测组织510处成像切面的光照能量更高。在具体实施时，第一激光器111和第二激光器112所用的激励方法可以是外部触发激励，电脑终端或者电控端可以控制两个激光器同时激励信号，或者延时激励信号，即多路照明光可以由两个不同的激光器同步触发同时发出，也可以根据实际需求分时触发先后发出，具体实施时可以根据实际情况选择。
可选的，本系统采用的聚焦线性超声换能器阵列210可以是128阵元圆柱聚焦线阵换能器阵列，其特征是X轴、Y轴、Z轴的三轴分辨率，即轴向分辨率(X轴)、垂向分辨率(Y轴)和横向分辨率(Z轴)。聚焦线性超声换能器阵列210的轴向分辨率由信号脉冲持续时间决定，其计算方式为：
其中，δx是聚焦线性超声换能器阵列轴向分辨率，λc是聚焦线性超声换能器阵列低通截止频率对应的波长，fc是聚焦线性超声换能器阵列的上截止频率，c是声速，此处约为1500m/s。
聚焦线性超声换能器阵列的垂向分辨率分辨率取决于聚焦线性超声换能器阵列自身的聚焦能力，其计算方式为：
其中，δy是聚焦线性超声换能器阵列垂向分辨率，D为聚焦线性超声换能器阵列单个阵元的高度，F为聚焦线性超声换能器阵列的焦距。
聚焦线性超声换能器阵列的横向分辨率定义为沿线性阵列可区分的两个可吸收结构之间的最小距离，线性阵列的横向分辨率取决于超声探测器中探针的横向孔径，以及所使用的探测几何形状。另外聚焦线性超声换能器阵列还需要保证足够的穿透深度，确保能够探测到待测组织，如乳腺组织中心的信号。其计算方式为：
其中，L是聚焦线性超声换能器阵列的穿透深度，f是聚焦线性超声换能器阵列的中心频率。
由上述公式可知，穿透深度与聚焦线性超声换能器阵列中心频率成反比，与焦距和阵元高度的比值成正比，故中心频率足够低才能保证足够深的成像深度。轴向分辨率与换能器上截止频率成反比，故要加大上截止频率保证足够高的分辨率。但由于聚焦线性超声换能器阵列制造工艺和造价的限制，所以要同时保证较低的中心频率要求和较高的上截止频率要求。另外，待测组织可以是人体乳腺，所以也应在保证足够的穿透深度的前提下，尽可能地提高空间分辨率。在均满足上述条件的前提下，计算得到聚焦线性超声换能器阵列的中心频率可以为2.5MHz，-6dB最大带宽可接近100％，焦距可以为5cm，单个阵元的径向长度可以为1.5cm，此时的成像深度可以为4.6cm，轴向分辨率可以为264μm，径向分辨率可以为1mm。本发明实施例对具体数值不进行限定。
通过利用线阵聚焦线性超声换能器阵列210能够对待测组织510例如人体乳腺进行全角度扫描无损检测，具有低成本、高能量利用效率、高时空分辨率、无标记、非接触、大范围扫描、多功能等特点，提供可推广的通用的成像系统平台。
参考图1和图2所示，光声层析成像系统10还包括控制模块600，控制模块600与机械运动调节模块300连接，用于控制机械运动调节模块300的移动。进而实现聚焦线性超声换能器阵列210位置的调节，从而实现聚焦线性超声换能器阵列210与待测组织210之间相对位置和角度等参数的改变，保证对待测组织210进行全面的扫描。
进一步的，控制模块600还可以与照明模块100、数据采集模块400连接，具体的，控制模块600可以基于探测需求对激光器110的激光进行调节，即实现对照射待测组织510的激光波长、频率、能量进行动态调节。控制模块600与数据采集模块400连接，可以保证光声层析成像系统10基于扫描待测组织510的结构进行动态调整，即光声层析成像系统10具有负反馈的调节模式，本发明实施例对此不进行具体的限定。示例性的，控制模块600可以也可以包括一个人机交互界面，例如显示器，便于操作员直接进行控制指令的输入和调节，实现对光声层析成像系统10的调整，即丰富光声层析成像系统10的功能。
图5为本发明实施例提供的一种光声层析成像系统的侧视图，图6为本发明实施例提供的一种光声层析成像系统的侧视中心剖面图，通过图5和图6便于理解光声层析成像系统10的结构设置。并且，在图5和图6中存在光声层析成像系统10的一些壳体结构等，本发明实施例对此不进行具体的展示描述。
参考图1至图6所示，机械运动调节模块300包括平移台310；平移台310与聚焦线性超声换能器阵列210机械连接；控制模块600控制平移台310沿第一方向平移，并控制聚焦线性超声换能器阵列210沿第一方向平移，第一方向与平移台310的表面平行，即第一方向为沿恒温水槽500的切线方向。
可选的，平移台310包括夹板311和连接杆312，聚焦线性超声换能器阵列210与平移台310的机械连接可以通过夹板311和连接杆312实现，并且通过设置定制夹板311可以保证在不挤压聚焦线性超声换能器阵列210的同时，保证换能器210在步进运动时的稳定。
具体的，机械运动调节模块300包括旋转台320和平移台310；旋转台320包括中空区域321，恒温水槽500通过钢杆313设置于中空区域321，位于旋转台320中空区域321上方，即将恒温水槽500设置于旋转台320的中心处；旋转台320与平移台310机械连接，平移台310通过夹板311和连接杆312的机械连接方式与聚焦线性超声换能器阵列210连接，本发明实施例对其具体的连接方式不进行限定。控制模块600控制旋转台320围绕恒温水槽500旋转，旋转台320带动平移台310也进行旋转，从而旋转台320带动聚焦线性超声换能器阵列210围绕待测组织510旋转运动进行信号采集。光声层析成像系统10在保证待测组织510不进行运动，而扫描模块200围绕其运动，进而保证光声层析成像系统10工作的准确性和稳定性。
图7为本发明实施例提供的一种运动扫描机制示意图，参考图1至图7所示，控制模块600控制旋转台320围绕恒温水槽500旋转，并控制聚焦线性超声换能器阵列210围绕恒温水槽500旋转；控制模块600控制平移台310沿水平方向平移，并控制聚焦线性超声换能器阵列210沿水平方向平移。
具体的，参考图7所示，首先控制模块600先控制平移台310在初始位置开始导程d长度的单次往复运动，本发明实施例对d的数值不进行具体的限定，即实现聚焦线性超声换能器阵列210在初始位置进行d长度距离的单次往复扫描采集信号获取光声信号，然后控制模块600控制旋转台320旋转θ角度，本发明实施例对θ的数值不进行具体的限定，使得聚焦线性超声换能器阵列210在围绕恒温水槽500(即待测组织510)旋转到下一次扫描的初始位置，重复上述运动，直至旋转总角度为预设角度(例如预设角度大于180°)，本发明实施例不对旋转总角度做具体限定。提升对待测组织510扫描的角度和范围，保证对待测组织510的扫描效果，即对光声信号的更准确的获取。总体来说，通过控制模块600对平移台310和旋转台320的调控，实现对聚焦线性超声换能器阵列210更全面的位置调节，实现对待测组织510更加精确的扫描，保证光声层析成像系统10工作的准确性和稳定性。
基于相同的发明构思，本发明实施例还提供了一种多角度的光声层析成像方法，图8为本发明实施例提供的一种光声层析成像方法的流程图，其中，光声层析成像系统包括照明模块、扫描模块、机械运动调节模块和数据采集模块；扫描模块包括聚焦线性超声换能器阵列；参考图8所示，光声层析成像方法包括：
S110、校准光声层析成像系统。
其中，通过在控制光声层析成像系统进行光声层析成像时，要提前对光声层析成像系统的各个参数进行校准，校准时要根据待测组织的尺寸，调整系统的位置、角度参数，保证光声层析成像系统工作的稳定性和准确性。
示例性的，为保证超能换能器对准目标成像区域，即恒温水槽的待测组织处，要在对待测组织进行正式检测之前要对光声层析成像系统进行系统校准，其校准方法可以为采用制备待测组织的仿体作为样品，对系统的各个参数进行校准。具体可以采用不同直径、不同数量的黑色聚乙烯小球形成仿体，对聚焦线性超声换能器阵列平移的Y轴中心、阵列中心距离旋转中心与阵列法线交点的距离R、垂直角偏移量α、水平角偏移量β以及平移中心相对于旋转中心的水平偏移量L进行一一校准，最终得到最佳的系统参数。
S120、将待测组织放置于恒温水槽中。
其中，待测组织可以是乳腺，通过本发明实施例提供的多角度的光声层析成像系统，有助于今后对乳腺诊断的应用，本发明实施例提供的待测组织也可以是人体其他适用于光声层析成像检测的组织，本发明实施例对此不进行严格的限定。
其中，恒温水槽用于承载待测组织，即将待测组织放置于恒温水槽中的支架里，并且在恒温水槽中存放液体，例如水等对人体无损伤的液体。具体的，恒温水槽中存在的液体作为能量传输的媒介，即照明模块照射至待测组织产生的光声信号，通过液体将光声信号耦合至扫描模块，从而实现扫描模块对光声信号的获取。进一步的，恒温水槽中存在的液体温度为预设设置的适合人体的温度，并在对待测组织进行扫描时，保证液体的温度恒定，从而保证水中声速的稳定，保证人体能够接受的情况下，保证扫描模块获取稳定准确的光声信号，示例性的，预设的恒定温度可以是37℃，本发明实施例对具体数值不进行限定。
S130、控制至少两类照明光从待测组织的四周和扫描模块的侧面的两个不同方向传输至待测组织传输，其中第一类照明光包括全角度覆盖照明光，第二类照明光包括线性聚焦照明光。
其中，照明模块输出至少两类不同的照明光，即通过照明光实现照明模块提供的光能量传输至待测组织并产生光声信号。具体的，照明模块可以包括至少两个方向的不同类型照明光，本发明实施例对照明光的数量不进行具体的限定，多路照明光可以由两个不同的激光器发出，也可以根据实际需求设置两个激光器分时触发，先后输出照明光，本发明实施例对此不进行限定，在此不过多描述。通过在不同方向和不同位置增加不同类型的照明光，可以保证待测组织可以在多个方向获取充分的光照，待测组织在激光照射下产生热弹性膨胀，从而开始发出光声信号，从而保证待测组织可以产生更加准确和稳定的光声信号。
S140、控制聚焦线性超声换能器阵列获取待测组织产生的光声信号，并将光声信号数据传输至数据采集模块；其中，机械运动调节模块用于带动聚焦线性超声换能器阵列运动，以调节待测组织和聚焦线性超声换能器阵列之间相对位置和相对角度，用于实现扫描模块按照“平移+旋转”的扫描机制进行运动从而获取待测组织的多角度光声信号。
其中，扫描模块包括聚焦线性超声换能器阵列，聚焦线性超声换能器阵列用于扫描并捕获待测组织产生的光声信号，并且聚焦线性超声换能器阵列与数据采集模块连接，将扫描的光声信号转换为电信号传输至数据采集模块，从而完成光声层析成像系统对待测组织的扫描。进一步的，数据采集模块可以是多通道数据采集系统，本发明实施例对此不进行具体的限定。
其中，光声层析成像系统还包括机械运动调节模块，机械运动调节模块可以分别与聚焦线性超声换能器阵列和恒温水槽连接，例如机械运动调节模块包括机械臂等结构与聚焦线性超声换能器阵列和恒温水槽连接。即通过机械运动调节模块的调控，实现聚焦线性超声换能器阵列与恒温水槽之间相对位置和角度等调节，进而实现聚焦线性超声换能器阵列和待测组织之间相对位置及相对角度的不断调节，进而可以获取待测组织在多个位置和角度下的光声信号，保证光声层析成像系统扫描的待测组织光声信号更加全面，保证对待测组织的扫描效果。
综上，通过提前对光声层析成像系统的各个参数进行校准，保证光声层析成像系统工作的稳定性和准确性。通过设置不同类型不同方向的照明光，可以保证待测组织在多个方向获取充分的光照，保证待测组织可以产生更加准确和稳定的光声信号。同时，通过机械运动调节模块的调控，实现聚焦线性超声换能器阵列和待测组织之间相对位置的不断调节，进而可以获取待测组织在多个位置多个角度下的光声信号，同时提高阵列正对切面的图像的轴向分辨率，保证光声层析成像系统扫描的待测组织光声信号更加全面、清晰，保证对待测组织的扫描效果。总体来说，保证光声层析成像系统工作的准确和稳定。
基于相同的发明构思，本发明实施例还提供了另一种多角度的光声层析成像方法，图9为本发明实施例提供的另一种声层析成像方法的流程图，参考图9所示，光声层析成像方法包括：
S210、将待测组织放置于恒温水槽中。
S220、控制至少两类照明光从待测组织的四周和扫描模块的侧面的两个不同方向传输至待测组织传输，其中第一类照明光包括全角度覆盖照明光，第二类照明光包括线性聚焦照明光。
S230、控制聚焦线性超声换能器阵列获取待测组织产生的光声信号，并将光声信号数据传输至数据采集模块；其中，机械运动调节模块用于带动聚焦线性超声换能器阵列运动，以调节待测组织和聚焦线性超声换能器阵列之间相对位置和相对角度，用于实现扫描模块按照“平移+旋转”的扫描机制进行运动从而获取待测组织的多角度光声信号。
具体的，实现扫描模块按照“平移+旋转”的扫描机制通过控制聚焦线性超声换能器阵列在预设距离下单次往复运动并扫描采集待测组织产生的光声信号；进一步控制线性超声换能器围绕所述待测组织在预设角度下进行旋转。为保证线性超声换能器对待测组织的全面扫描，需要判断线性超声换能器是否围绕待测组织旋转了预设角度(预设角度可以大于180°)；若是，则结束聚焦线性超声换能器阵列对光声信号的获取；若否，则控制聚焦线性超声换能器阵列继续在预设距离下单次往复运动并扫描采集待测组织产生的光声信号。
换句话说，聚焦线性超声换能器阵列运动首先在待测组织的切线方向单次往复运动一定距离进行扫描采集，此次采集完成后，聚焦线性超声换能器阵列回到初始点，以待测组织中心为旋转轴旋转一定角度到下一次采集的开始位置，重复上述同距离的单次往复运动，直至换能器距离初始位置旋转总角度达到预设角度，光声信号可以采集完毕。
综上，通过设置多个光线光路，即在不同方向和不同位置增加光线光路，可以保证待测组织在多个方向获取充分的光照，保证待测组织可以产生更加准确和稳定的光声信号。利用两台不同型号的激光器，保证了待测组织深处光照能量的充分，提供了不同波段的激光。同时，通过了解位置调节模块的具体调控方式，实现超声换能器和待测组织之间相对位置的不断调节，进而可以获取待测组织在多个位置多个角度下的光声信号，保证光声层析成像系统扫描的待测组织光声信号更加全面，保证对待测组织的扫描效果。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (8)
1.一种多角度的光声层析成像系统，其特征在于，包括：照明模块、扫描模块、机械运动调节模块和数据采集模块；所述光声层析成像系统还包括恒温水槽，所述恒温水槽用于承载待测组织，所述待测组织属于大型生物体的一部分，所述大型生物体的体积大于所述光声层析成像系统的体积，所述待测组织包括所述大型生物体的乳腺；
所述扫描模块包括聚焦线性超声换能器阵列，所述聚焦线性超声换能器阵列用于获取所述待测组织产生的光声信号，并将光声信号数据传输至所述数据采集模块；其中，所述光声信号数据用于三维光声图像重建；
所述照明模块输出至少两类照明光，其中第一类照明光包括全角度覆盖照明光，第二类照明光包括线性聚焦照明光；至少两类所述照明光分别从所述待测组织的四周和所述扫描模块的侧面的两个不同方向传输至所述待测组织；
所述机械运动调节模块用于带动所述聚焦线性超声换能器阵列运动，以调节所述待测组织和所述聚焦线性超声换能器阵列之间相对位置和相对角度，用于实现所述扫描模块按照“平移+旋转”的扫描机制进行运动，从而获取所述待测组织的多角度所述光声信号；
所述机械运动调节模块放置于所述恒温水槽下方，使得所述待测组织能够从所述恒温水槽上方将所述待测组织置于所述恒温水槽中；
其中，所述光声层析成像系统还包括控制模块；
所述控制模块与所述机械运动调节模块连接，用于控制所述机械运动调节模块移动；
所述机械运动调节模块包括平移台；
所述平移台与所述聚焦线性超声换能器阵列机械连接；
所述控制模块控制所述平移台沿第一方向平移，并控制所述聚焦线性超声换能器阵列沿所述第一方向平移，所述第一方向与所述平移台的表面平行；
或者，所述机械运动调节模块包括旋转台和平移台；
所述旋转台包括中空区域，所述恒温水槽通过钢杆和光学平台设置于所述中空区域中，位于所述旋转台中空区域上方；
所述旋转台与所述平移台机械连接，所述平移台与所述聚焦线性超声换能器阵列机械连接。
2.根据权利要求1所述的光声层析成像系统，其特征在于，所述照明模块包括至少两个不同波长的激光器、至少两个光纤束和多个光纤束出光口，所述激光器的激光头与所述光纤束的入光口连接；
至少两个所述激光器通过外部触发激励，利用电脑终端或者电控端控制至少两个所述激光器同时激励发光，或者至少一个所述激光器延时激励发光；
所述激光器出射的激光通过所述光纤束分束后经过所述光纤束出光口输出，并从多个角度照射所述待测组织。
3.根据权利要求2所述的光声层析成像系统，其特征在于，所述激光器包括第一激光器和第二激光器，所述光纤束包括第一光纤束和第二光纤束，所述第一光纤束输出所述第一类照明光，所述第二光纤束输出所述第二类照明光，所述光纤束出光口包括m个第一光纤束出光口和n个第二光纤束出光口；
m个所述第一光纤束出光口围绕所述恒温水槽位置设置；
n个所述第二光纤束出光口设置于所述聚焦线性超声换能器阵列的两侧；
其中，m为大于或等于4的整数，n为大于或等于2的偶数。
4.根据权利要求1所述的光声层析成像系统，其特征在于，
所述控制模块控制所述旋转台围绕所述恒温水槽旋转，并控制所述聚焦线性超声换能器阵列围绕所述恒温水槽旋转；
所述控制模块控制所述平移台沿水平方向平移，并控制所述聚焦线性超声换能器阵列沿所述水平方向平移。
5.根据权利要求1所述的光声层析成像系统，其特征在于，所述机械运动调节模块包括夹板；
所述聚焦线性超声换能器阵列位于所述夹板内，保证所述聚焦线性超声换能器阵列运动时的稳定。
6.一种多角度的光声层析成像方法，应用于权利要求1-5任一项所述光声层析成像系统；其特征在于，所述光声层析成像方法包括：
将待测组织放置于恒温水槽中；
控制至少两类照明光从所述待测组织的四周和所述扫描模块的侧面的两个不同方向传输至所述待测组织，其中第一类照明光包括全角度覆盖照明光，第二类照明光包括线性聚焦照明光；
控制所述聚焦线性超声换能器阵列获取所述待测组织产生的光声信号，并将光声信号数据传输至所述数据采集模块；其中，所述光声信号数据用于三维光声图像重建；
其中，所述机械运动调节模块用于带动所述聚焦线性超声换能器阵列运动，以调节所述待测组织和所述聚焦线性超声换能器阵列之间相对位置和相对角度，用于实现所述扫描模块按照“平移+旋转”的扫描机制进行运动从而获取所述待测组织的多角度所述光声信号。
7.根据权利要求6所述的多角度的光声层析成像方法，其特征在于，控制所述聚焦线性超声换能器阵列获取所述待测组织产生的光声信号，并将光声信号数据传输至所述数据采集模块，包括：
控制所述聚焦线性超声换能器阵列在预设距离下单次往复运动并扫描采集所述待测组织产生的光声信号；
控制所述线性超声换能器围绕所述待测组织在预设角度下进行旋转；
判断所述线性超声换能器是否围绕所述待测组织旋转了预设角度；
若是，则结束所述聚焦线性超声换能器阵列对所述光声信号的获取；
若否，则控制所述聚焦线性超声换能器阵列继续在预设距离下单次往复运动并扫描采集所述待测组织产生的光声信号。
8.根据权利要求6所述的多角度的光声层析成像方法，其特征在于，在将待测组织放置于待测模块的待测槽中之前，还包括：
校准所述光声层析成像系统的系统参数，根据待测组织的尺寸调整聚焦线性超声换能器阵列相对于待测组织的位置角度。
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