專利名稱：聚焦超聲調(diào)制光學(xué)層析成像方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物醫(yī)學(xué)影像診斷技術(shù)，具體涉及一種結(jié)合了聚焦超聲波定位及光學(xué)無損傷檢測兩種技術(shù)特點的、用于對生物組織層析成像的方法及其裝置。
目前廣泛使用的影象層析技術(shù)，例如X射線斷層掃描(CT)、核磁共振成像等對人體組織都有一定的損傷，并且X射線斷層掃描裝置、核磁共振設(shè)備造價非常昂貴；雖然B型超聲波檢查基本沒有損傷，儀器造價也較低，但由于是組織界面反射成像，無法實現(xiàn)層析，分辨率也較低(對簡單結(jié)構(gòu)的體內(nèi)組織，最好的分辨率為幾個毫米)，并且在檢查運動的器官時分辨率進(jìn)一步下降，所以這些成像技術(shù)在臨床應(yīng)用時都受到一定限制。為了克服這些成像技術(shù)的缺點，豐富診斷手段，新的層析成像技術(shù)得到了廣泛研究，其中最引人注目的是光學(xué)影象層析技術(shù)。它是一種無損檢測技術(shù)，不但光學(xué)探測精度較高(分辨率可達(dá)到微米量級)，而且可以進(jìn)行功能成像，這對于區(qū)分活體生物組織內(nèi)的病變組織具有重要的意義，因為有些病變組織物理特性或外觀與正常組織沒有差別或差別很小，用常規(guī)的成像檢查方法無法觀察，而用對生物組織的功能成像就可以區(qū)分正常組織與病變組織、良性病變與惡性病變，然而，由于生物組織對光線的強(qiáng)烈散射和吸收，目前的技術(shù)水平只能達(dá)到對深度為毫米量級的淺層生物組織成像，很難達(dá)到對深層組織精確測量。
本發(fā)明的目的在于將聚焦超聲定位技術(shù)和光學(xué)影象層析技術(shù)結(jié)合起來，利用二者的優(yōu)點，即超聲波對組織的較好穿透能力和光學(xué)影象層析方法的無損性、精度較高的特點，并且采用高靈敏度檢測技術(shù)和實時快速傅里葉變換技術(shù)，提供一種適合醫(yī)學(xué)影像診斷的聚焦超聲調(diào)制光學(xué)層析成像方法。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種實現(xiàn)上述方法的聚焦超聲調(diào)制光學(xué)層析成像裝置。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明聚焦超聲調(diào)制光學(xué)影象層析方法包括如下步驟(一)波長為630nm—1000nm的激光入射到含有散射和吸收的生物組織中；(二)頻率為0．5MHz～10MHz的超聲波聚焦到激光束通過的生物組織內(nèi)形成一個尺寸大小相當(dāng)于超聲焦點的調(diào)制區(qū)域；(三)收集來自超聲調(diào)制區(qū)域的散射激光，通過光電轉(zhuǎn)換將光信號轉(zhuǎn)化為電信號；(四)利用實時快速傅里葉變換進(jìn)行信號頻譜分離，提取調(diào)制信號；(五)計算機(jī)處理信號并進(jìn)行影像重建，獲得生物組織的層析圖像。
可用頻率為50Hz～20kHz的低頻信號對所述的超聲波進(jìn)行幅度調(diào)制，在處理信號時進(jìn)行解調(diào)。
所述的激光最佳的波長為在生物組織特征吸收范圍內(nèi)的690nm—860nm。
實現(xiàn)本聚焦超聲調(diào)制光學(xué)影象層析方法的裝置由激光器、超聲波發(fā)生組件、光收集器、光電轉(zhuǎn)換組件、數(shù)據(jù)采集卡、實時快速傅里葉變換模塊、三維掃描組件、計算機(jī)組成；其中超聲波發(fā)生組件由函數(shù)發(fā)生器、功率放大器、超聲換能器、超聲聚焦透鏡構(gòu)成，函數(shù)發(fā)生器、功率放大器、超聲換能器依次電氣連接，超聲換能器與超聲聚焦透鏡固定連接；本裝置各組件的位置及連接關(guān)系為光收集器與光電轉(zhuǎn)換組件通過光耦合連接，光電轉(zhuǎn)換組件、數(shù)據(jù)采集卡、實時快速傅里葉變換模塊、計算機(jī)依次電氣連接，計算機(jī)再與超聲波發(fā)生器、三維掃描組件通過電氣連接控制超聲發(fā)射和信號采集。光收集器接收經(jīng)被測物體散射的激光，然后由光電轉(zhuǎn)換組件轉(zhuǎn)換為電信號；數(shù)據(jù)采集卡將該信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由實時快速傅里葉變換模塊處理，并由計算機(jī)進(jìn)行圖像重建工作。
所述的超聲波發(fā)生組件還可包括低頻信號發(fā)生器，它與函數(shù)發(fā)生器電氣連接，并輸出低頻調(diào)幅信號給后者，使之能產(chǎn)生被幅度調(diào)制的超聲頻率的電信號。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列優(yōu)點(一)結(jié)合了超聲波對生物組織具有較強(qiáng)的穿透能力及光學(xué)影象層析成像具有高分辨、高靈敏性、無損傷等優(yōu)點，不會對生物體產(chǎn)生放射性損傷，所以與傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)影像診斷方法相比具有無損傷、靈敏度好、分辨率高的優(yōu)點，可顯著提高對于生物組織的病變診斷能力；(二)采用實時快速傅里葉變換技術(shù)處理調(diào)制作用后的信號，可將混亂復(fù)雜的時域信號轉(zhuǎn)變?yōu)榍逦鞔_的頻域信號，比較容易地獲取成像所需的調(diào)制信號，顯著提高信噪比；(三)本方法可用低頻信號對超聲波束進(jìn)行幅度調(diào)制。生物組織對較低頻率的調(diào)制響應(yīng)比對較高頻率(如超聲頻率)的調(diào)制響應(yīng)靈敏，所以低頻調(diào)制散射光信號更容易檢測，但是低頻聲波對組織的穿透能力和聚焦能力都不如超聲波。本方法可使用載有低頻調(diào)制信號的高頻超聲波，利用超聲波束較好的穿透能力和聚焦能力實現(xiàn)高分辨率的深度定位，同時檢測來自聚焦點的高頻信號中載有的低頻信號實現(xiàn)成像，可顯著提高探測靈敏度和信噪比；(四)本方法的成像機(jī)理是基于超聲波對焦點處生物組織的調(diào)制，當(dāng)激光通過該焦點時，反映生物組織特性的組織參量也被超聲波所調(diào)制。調(diào)制信號的差別反映了生物組織功能的差別，因此可用本方法來對生物體多種組織參量進(jìn)行功能成像，研究生物體內(nèi)部的生命過程，例如研究組織的病變、血容積、血氧飽和度、血流速度、水的含量及肌肉組織的應(yīng)力變化等。(五)由于本裝置的結(jié)構(gòu)較為簡單，所以生產(chǎn)裝配較為容易，使用操作亦比較方便。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明聚焦超聲調(diào)制光學(xué)影象層析方法及其裝置作進(jìn)一步詳細(xì)描述。


圖1是本發(fā)明聚焦超聲調(diào)制光學(xué)影象層析裝置的結(jié)構(gòu)方框圖；圖2是隱藏的立方體在模擬介質(zhì)中的位置示意圖；圖3是利用圖1裝置得到的模擬介質(zhì)及立方體的層析圖；圖4是本發(fā)明聚焦超聲調(diào)制光學(xué)影象層析裝置的另一結(jié)構(gòu)方框圖；圖5是利用圖4裝置得到的模擬介質(zhì)及立方體的層析圖；實施例1圖1示出了本聚焦超聲調(diào)制光學(xué)影象層析裝置的結(jié)構(gòu)，由圖1可見，本裝置由激光器1、超聲波發(fā)生組件2、光收集器3、光電轉(zhuǎn)換組件4、數(shù)據(jù)采集卡5、實時快速傅里葉變換模塊6、計算機(jī)7、三維平移臺12組成；其中超聲波發(fā)生組件2由函數(shù)發(fā)生器2—1、功率放大器2—2、超聲換能器2—3、超聲聚焦透鏡2—4依次連接構(gòu)成；光收集器3與光電轉(zhuǎn)換組件4通過光耦合連接，光電轉(zhuǎn)換組件4、數(shù)據(jù)采集卡5、實時快速傅里葉變換模塊6、計算機(jī)7依次電氣連接，計算機(jī)7再與超聲波發(fā)生器2、三維掃描組件12通過電氣連接控制超聲發(fā)射和信號采集。
選用各構(gòu)件連接組成本裝置，其中激光器1選用美國相干公司鈦寶石環(huán)形激光器，可發(fā)出波長為600nm～1100nm的單模紅色或紅外激光，本實施例所采用的激光波長為700nm；函數(shù)發(fā)生器2—1選用美國Tektronix公司的AFG320型；功率放大器2—2選用美國ENI公司的2100L型(放大增益50dB，帶寬10kHz—12MHz)；超聲換能器2—3為一塊圓盤壓電晶體，直徑32mm、厚2mm，兩個圓面鍍有導(dǎo)電膜，各聯(lián)接一導(dǎo)線，形成兩個電極，用膠固化在一鋁制外殼中，其中一個表面露在外面與超聲聚焦透鏡2—4相連接；超聲聚焦透鏡2—4選用有機(jī)玻璃制成的球面凹透鏡，對超聲波束有會聚作用；光收集器3選用一個帶收集透鏡的單模光纖，具體為南京玻璃纖維研究院生產(chǎn)的配有收集透鏡的石英光纖(芯徑0．1mm，數(shù)值孔徑0．37)；光電轉(zhuǎn)換組件4選用日本濱松光子學(xué)株式會社生產(chǎn)的R374型光電倍增管，并配有致冷器；數(shù)據(jù)采集卡5選用Gage Applied公司的Compuscope12100型高速采集卡(采集速率為100MHz)；實時快速傅里葉變換模塊6可實時地將信號的時間(時域)波形轉(zhuǎn)換為頻譜(頻域)波形，具體可選用美國Tektronix公司的TDS3FFT型；計算機(jī)7可選用IBM 586以上微機(jī)，并配有GPIB卡；樣品池8用有機(jī)玻璃材料制成，并在兩側(cè)開有一對窗口，鑲有石英窗片，其厚度為1mm，池底有吸聲材料11，可采用泡沫海綿；12為三維平移臺；生物組織模擬介質(zhì)10是在水中加散射介質(zhì)(INTRALIPID，5％)和吸收介質(zhì)(TYPAN BLUE)構(gòu)成，其約化散射系數(shù)為6．2cm—1，吸收系數(shù)為0．1cm—1，模擬的目標(biāo)組織是一個膠質(zhì)立方體(5mm×5mm×5mm)，其約化散射系數(shù)為10cm—1，吸收系數(shù)為0．1cm—1，模擬介質(zhì)及膠質(zhì)立方體的位置如圖2所示。
本方法具體的實施步驟為(一)由激光器1發(fā)出波長為700nm的激光入射到含有散射和吸收的生物組織模擬介質(zhì)10中；(二)由計算機(jī)7控制函數(shù)發(fā)生器2—1產(chǎn)生超聲頻率的電信號，輸入到功率放大器2—2，放大后驅(qū)動超聲換能器2—3產(chǎn)生超聲波，本實施例所采用的超聲波的頻率為1MHz；超聲波經(jīng)超聲聚焦透鏡2—4聚焦后對焦點9附近的生物組織模擬介質(zhì)10進(jìn)行調(diào)制，當(dāng)激光束通過該區(qū)域時，反映生物組織特性的組織參量也被超聲波所調(diào)制；(三)含有調(diào)制信息(例如，以超聲頻率變化的光強(qiáng))的散射激光被光收集器3收集并傳送到光電倍增管4轉(zhuǎn)化為電信號；該電信號被數(shù)據(jù)采集卡5采集，輸入到實時快速傅里葉變換模塊6；(四)采用實時快速傅里葉變換模塊6將該信號由時域信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號，可比較容易地獲得散射激光中頻率為1MHz的調(diào)制信號，顯著提高信噪比；(五)由計算機(jī)7控制三維平移臺12移動，可以實現(xiàn)層面掃描；測量任意一個斷層的多點調(diào)制信號，經(jīng)過計算機(jī)7處理，可對生物組織模擬介質(zhì)10及目標(biāo)組織進(jìn)行圖像重建；圖3示出了采用本發(fā)明方法對生物組織模擬介質(zhì)內(nèi)的膠質(zhì)立方體層析的效果，由圖可見，本發(fā)明方法較好地模擬出生物組織模擬介質(zhì)內(nèi)膠質(zhì)立方體的形狀與位置。
實施例2由于生物組織對較低頻率的調(diào)制響應(yīng)比對較高頻率(如超聲頻率)的調(diào)制響應(yīng)靈敏，所以低頻調(diào)制散射光信號更容易檢測，但是低頻聲波對組織的穿透能力和聚焦能力都不如超聲波。本實施例使用載有低頻調(diào)制信號的高頻超聲波，利用超聲波束較好的穿透能力和聚焦能力實現(xiàn)高分辨率的深度定位，同時檢測來自聚焦點的散射光中高頻信號中載有的低頻信號實現(xiàn)成像，可顯著提高探測靈敏度和信噪比。
如圖4所示，超聲波發(fā)生組件2還包括低頻信號發(fā)生器2—5，將低頻信號發(fā)生器2—5接入超聲波發(fā)生器2的函數(shù)發(fā)生器2—1的調(diào)幅(AM)信號輸入通道，輸入頻率為1kHz的正弦波信號，對函數(shù)發(fā)生器2—1產(chǎn)生的超聲頻率信號進(jìn)行幅度調(diào)制，然后將該調(diào)幅后的信號輸入到功率放大器2—2的輸入端口；于是由功率放大器2—2輸出的電信號及其驅(qū)動的超聲換能器2—3產(chǎn)生的超聲波都含有這個調(diào)幅信號；對光收集器3接收到的信號進(jìn)行解調(diào)通過實時快速傅里葉變換模塊6將時域信號轉(zhuǎn)為頻域信號，并在頻域?qū)π盘栠M(jìn)行分離，提取1kHz的低頻調(diào)幅信號；其它設(shè)備、模擬介質(zhì)以及實施步驟同實施例1；圖5示出了按本發(fā)明方法采用1kHz的低頻信號調(diào)幅的超聲波來進(jìn)行生物組織模擬介質(zhì)及膠質(zhì)立方體層析的效果。由圖可見，采用低頻信號對作用超聲波進(jìn)行幅度調(diào)制，再分離散射光中的低頻調(diào)幅信號成像，可以得到更為清晰的層析圖像。
權(quán)利要求
1.一種聚焦超聲調(diào)制光學(xué)影象層析方法，其特征在于包括如下步驟(一)波長為630nm—1000nm的激光入射到含有散射和吸收的生物組織中；(二)頻率為0．5MHz～10MHz的超聲波聚焦到激光束通過的生物組織內(nèi)形成一個尺寸大小相當(dāng)于超聲焦點的調(diào)制區(qū)域；(三)收集來自超聲調(diào)制區(qū)域的散射激光，通過光電轉(zhuǎn)換將光信號轉(zhuǎn)化為電信號；(四)利用實時快速傅里葉變換進(jìn)行信號頻譜分離，提取調(diào)制信號；(五)計算機(jī)處理信號并進(jìn)行影像重建，獲得生物組織的層析圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚焦超聲調(diào)制光學(xué)影象層析方法，其特征在于可用50Hz～20kHz低頻信號對所述的超聲波進(jìn)行幅度調(diào)制，在處理信號時進(jìn)行解調(diào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚焦超聲調(diào)制光學(xué)影象層析方法，其特征在于所述的激光的波長為在生物組織特征吸收范圍內(nèi)的690nm—860nm。
4.一種聚焦超聲調(diào)制光學(xué)影象層析裝置，其特征在于由激光器、超聲波發(fā)生組件、光收集器、光電轉(zhuǎn)換組件、數(shù)據(jù)采集卡、實時快速傅里葉變換模塊、三維掃描組件、計算機(jī)組成；其中超聲波發(fā)生組件由函數(shù)發(fā)生器、功率放大器、超聲換能器、超聲聚焦透鏡構(gòu)成，函數(shù)發(fā)生器、功率放大器、超聲換能器依次電氣連接，超聲換能器與超聲聚焦透鏡固定連接；本裝置各組件的位置及連接關(guān)系為光收集器與光電轉(zhuǎn)換組件通過光耦合連接，光電轉(zhuǎn)換組件、數(shù)據(jù)采集卡、實時快速傅里葉變換模塊、計算機(jī)依次電氣連接，計算機(jī)再與超聲波發(fā)生器、三維掃描組件通過電氣連接控制超聲發(fā)射和信號采集。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的聚焦超聲調(diào)制光學(xué)影象層析裝置，其特征在于所述的超聲波發(fā)生組件還可包括低頻信號發(fā)生器，低頻信號發(fā)生器與函數(shù)發(fā)生器電氣連接。
全文摘要
一種聚焦超聲調(diào)制光學(xué)層析成像方法,用聚焦超聲對入射到深層生物組織的激光調(diào)制和對組織定位,用光學(xué)技術(shù)進(jìn)行高靈敏度探測,并用實時快速傅里葉變換處理信號,可得到高信噪比的層析圖像;一種聚焦超聲調(diào)制光學(xué)層析成像裝置,由激光器、超聲波組件、光電轉(zhuǎn)換組件、實時快速傅里葉變換模塊、計算機(jī)等部分連接組成,可利用上述方法得到生物組織層析圖像。本發(fā)明具有無損傷、靈敏度高的優(yōu)點,可顯著提高對于生物組織的病變診斷能力。
文檔編號A61B5/06GK1279054SQ00117208
公開日2001年1月10日 申請日期2000年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月27日
發(fā)明者邢達(dá), 姚勇 申請人:華南師范大學(xué)