專利名稱：基于有限角度掃描的光聲斷層成像裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光聲斷層成像(Photoacoustic Tomography,簡稱PAT)技術(shù),尤其涉及一種基于有限角度掃描的快速光聲斷層成像裝置及方法。
背景技術(shù)：
光聲成像技術(shù)是新發(fā)展起來的一種非入侵式和非電離式的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，近年來獲得迅速發(fā)展，并成為當今國際研究的前沿?zé)狳c課題。光聲信號的產(chǎn)生是復(fù)合媒介間能量轉(zhuǎn)換的過程，它結(jié)合了純光學(xué)成像具有的無損傷性、高選擇激發(fā)特性和純超聲成像具有的低衰減、高穿透特性，能夠在一定的深度下獲得高的圖像分辨率和對比度，圖像傳遞的信息 量大，可以提供形態(tài)及功能信息。光聲成像技術(shù)目前已在生物組織成像中得到廣泛應(yīng)用，如腫瘤檢測、血管成像、腦功能成像等相關(guān)研究?；诠饴曅?yīng)，短脈沖激光入射到成像樣品，局部組織吸收光能產(chǎn)生熱膨脹向四周輻射超聲波，通過超聲換能器在不同位置掃描并采集光聲信號，不同位置的吸收體經(jīng)過算法能被重建出來。在光聲成像中，裝置的成本主要取決于設(shè)備的復(fù)雜程度，而成像質(zhì)量和成像速度則取決于是重建算法。現(xiàn)有單元探測器光聲成像主要采用圓周多點采集信號的方式，裝置掃描時間長，相應(yīng)的重建算法有反卷積、相控聚焦、逆Radon變換、迭代重建算法等，但準確重建需要的數(shù)據(jù)量大且算法復(fù)雜度高，因此簡化信號采集和高效重建算法是應(yīng)用光聲成像的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種低成本、操作簡單、快速掃描和精確成像的基于有限角度掃描的快速光聲斷層成像裝置及方法，以基于有限角度掃描的欠采樣數(shù)據(jù)和快速稀疏算法準確重建原始圖像。( 二 )技術(shù)方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案一種基于有限角度掃描的快速光聲斷層成像裝置，該光聲斷層成像裝置包括脈沖激光器I ;由反射鏡2-1、鏡筒2-2、凹面鏡2-3和毛玻璃2-4構(gòu)成的光路處理裝置2 ;由超聲探測器3-1、超聲放大器3-2和A/D轉(zhuǎn)換器3-3構(gòu)成的信號采集裝置3 ;數(shù)字示波器4 ；計算機5 ;由電機控制器6-1、平移臺6-2和旋轉(zhuǎn)臺6-3構(gòu)成的三維平移旋轉(zhuǎn)臺6 ;樣品池7 ;樣品支架8 ;以及成像樣品9 ;其中，脈沖激光器I、光路處理裝置2、信號采集裝置3、數(shù)字示波器4、計算機5和三維平移旋轉(zhuǎn)臺6依次連接，超聲探測器3-1采集到的光聲信號經(jīng)過脈沖放大后，傳輸?shù)紸/D轉(zhuǎn)換器3-3的輸入端，最后傳輸?shù)綌?shù)字示波器4，數(shù)字示波器4與脈沖激光器I電氣相連，用于控制信號的激發(fā)和采集；數(shù)字示波器4將處理信號傳輸?shù)接嬎銠C5，計算機5用于所述電機控制器6-1和數(shù)字示波器4信號采集的同步控制，并對每個探測位置采集信號頻譜分析，存儲光聲信號的部分頻率信息，通過對圓弧上有限角度位置信號采集，構(gòu)建前向投影算子，基于快速稀疏算法對信號重建，獲得成像物體的光聲斷層成像。上述方案中，所述超聲探測器3-1通過架桿連接于旋轉(zhuǎn)臺6-3，旋轉(zhuǎn)臺6-3和超聲探測器3-1作為整體通過支架連接于平移臺6-2，電機控制器6-1控制旋轉(zhuǎn)臺6-3的旋轉(zhuǎn)角度和平移臺6-2的位移，并控制超聲探測器3-1的旋轉(zhuǎn)和平移。上述方案中，所述計算機5通過USB接口分別連接數(shù)字示波器4和電機控制器6-1，用于控制信號采集和超聲探測器3-1的位置旋轉(zhuǎn)。上述方案中，所述脈沖激光器I選用倍頻的Q-Switched Nd: YAG脈沖激光器,波長為532nm-1064nm，脈沖寬度為6. 5ns，重復(fù)頻率10Hz，脈沖激光器I發(fā)出的脈沖激光入射到
成像物體產(chǎn)生聲信號。上述方案中，所述光路處理裝置2中，反光鏡2-1和鏡筒2-2分別固定于同一支架 上，反光鏡2-1和脈沖激光之間夾角為45度；凹透鏡2-3和毛玻璃2-4通過半封閉圓環(huán)固定在鏡筒2-2上，通過調(diào)節(jié)鏡筒的高度來控制照射到成像物體光斑的大小，滿足脈沖激光照射樣品需求的同時保證超聲探測器3-1實現(xiàn)任意角度無障礙掃描。上述方案中，所述信號采集裝置3中，超聲探測器3-1為單陣元超聲探測器3-1，超聲探測器3-1通過支架連接到旋轉(zhuǎn)臺6-3，所述探測器3-1在成像物體水平切面內(nèi)垂直旋轉(zhuǎn)成像樣品9，在圓弧上有限位置采集成像樣品9光聲信號。所述信號采集裝置3靈敏度為950mv/Pa，頻率帶寬為200KHz_15MHz，探針的直徑為1mm。上述方案中，所述數(shù)字示波器4選用混合信號示波器，具有350MHz的帶寬，最高可達2. 5GS/s的取樣速率，在所有通道上實現(xiàn)20M樣點的記錄長度。上述方案中，所述三維平移旋轉(zhuǎn)臺6中，電機控制器6-1控制平移臺6-2和旋轉(zhuǎn)臺6-3的旋轉(zhuǎn)，能完成對成像物體的豎直掃描和弧形掃描。所述平移臺6-2ETSP200最大行程為200mm，重復(fù)定位精度3 u m ;所述旋轉(zhuǎn)臺6-3ERSP100重復(fù)定位精度為0. 005度，分辨率為0. 00125 度?！N基于有限角度掃描的快速光聲斷層成像方法，應(yīng)用于所述的快速光聲斷層成像裝置，該方法通過對圓弧上不同位置采集的光聲信號進行濾波處理再作傅里葉變換，通過頻譜分析，隨機提取信號主要頻率所對應(yīng)的頻窗中的頻率成分，具體包括步驟SI :根據(jù)超聲探測器的脈沖響應(yīng)和重建圖像的離散網(wǎng)格，建立有限角度位置的光聲信號對應(yīng)的前向投影算子K ；步驟S2 :將重建圖像向量化為X，采用小波矩陣O稀疏表示，圖像重建變換為求解圖像的小波基空間系數(shù)e ；步驟S3 :組建觀測矩陣A = KO，選取基于欠采樣的TVL1-L2范數(shù)的快速稀疏算法，求解稀疏系數(shù)的最優(yōu)解步驟S4 :采用小波反變換算法，將所述重建稀疏系數(shù)^轉(zhuǎn)換為原始樣品的重建圖像向量X。上述方案中，步驟SI中所述前向投影算子K僅與探測器類型和重建圖像的精度有關(guān)，不受采集信號的影響。上述方案中，步驟S2中所述變換充分考慮了圖像在小波域的稀疏性。上述方案中，步驟S3中所述采用基于欠采樣的TVL1-L2范數(shù)的快速稀疏算法，求解稀疏系數(shù)的最優(yōu)解^的過程為
步驟S31 :根據(jù)采集信號的統(tǒng)計性質(zhì)設(shè)置正則化參數(shù)，并根據(jù)噪聲水平確定迭代終止條件，設(shè)置初始解為零向量；步驟S32 :將圖像X的全變分Dx G R2降低維數(shù)處理，用任意的向量w G R2逼近，基于L1-L2范數(shù)的TV正則化模型可轉(zhuǎn)化為性能更優(yōu)的新模型min E 4>2(w, Dx) + a E j (z, 0 ) + A F (x, f)；步驟S33 :根據(jù)第i-1 (i = 2, 3,…)步優(yōu)化圖像X^1,計算向量Wi和稀疏系數(shù)向量0 i，采用交替優(yōu)化算法計算圖像Xi ;步驟S34 :根據(jù)步驟S31中的迭代終止條件，判斷當前圖像是否達到終止要求，如果沒有則返回步驟S33繼續(xù)迭代。上述方案中，步驟S4中所述采用小波反變換算法，將所述重建稀疏系數(shù)^轉(zhuǎn)換為 原始樣品的重建圖像向量X，具體包括步驟S41 :根據(jù)步驟S3的迭代條件，判斷整個求解過程是否達到終止迭代條件，滿足則輸出小波域稀疏解g;步驟S42 :對步驟S2中所采用小波投影矩陣O，求逆變換①―1 ；步驟S43 :根據(jù)步驟S41所得小波域稀疏解^和步驟S42所得逆變換O—1，求取原始樣品的重建圖像X。(三)有益效果本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點I、本發(fā)明提供的快速光聲斷層成像裝置及方法，采用裝置模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，可靠性好，硬件成本低；信號采集和圖像重建完全由計算機控制，操作簡單，使用方便。2、本發(fā)明提供的快速光聲斷層成像裝置及方法，采用單陣元探測器在有限角度位置采集光聲信號，采樣時間短。3、本發(fā)明提供的快速光聲斷層成像裝置及方法，采用去噪聲技術(shù)和傅里葉變換技術(shù)，有效去除光聲信號中的高斯噪聲，顯著提高光聲信號信噪比。4、本發(fā)明提供的快速光聲斷層成像裝置及方法，采用TVL1-L2快速稀疏重建算法，在小數(shù)據(jù)量光聲信號中獲得很好的成像質(zhì)量，保證了成像的分辨率的同時提高了重建速度。5、本發(fā)明提供的快速光聲斷層成像裝置及方法，采用的三維旋轉(zhuǎn)平移臺，能完成樣品的柱狀掃描和三維平移掃描，能對不同形狀的樣品斷層成像，適應(yīng)性好。


圖I是依照本發(fā)明實施例的基于有限角度掃描的快速光聲斷層成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是依照本發(fā)明實施例的基于有限角度掃描的快速光聲斷層成像方法的流程圖；圖3是依照本發(fā)明實施例的基于TVL1-L2全變分快速稀疏重建算法的流程圖；圖4是依照本發(fā)明實施例的快速稀疏重建算法重建仿真實驗結(jié)果的示意圖；圖5是依照本發(fā)明實施例的基于本發(fā)明裝置采集的光聲信號圖像重建樣品圖像。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。如圖I所示，圖I是依照本發(fā)明實施例的基于有限角度掃描的快速光聲斷層成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，該光聲斷層成像裝置包括脈沖激光器1，由反射鏡2-1、鏡筒2-2、凹面鏡2-3和毛玻璃2-4構(gòu)成的光路處理裝置2，由超聲探測器3-1、超聲放大器3-2和A/D轉(zhuǎn)換器3-3構(gòu)成的信號采集裝置3，數(shù)字示波器4，計算機5，由電機控制器6-1、平移臺6-2和旋轉(zhuǎn)臺6-3構(gòu)成的三維平移旋轉(zhuǎn)臺6，樣品池7，樣品支架8和成像樣品9。其中，脈沖激光器I、光路處理裝置2、信號采集裝置3、數(shù)字示波器4、計算機5和三維平移旋轉(zhuǎn)臺6依次連接，超聲探測器3-1采集到的光聲信號經(jīng)過脈沖放大后，傳輸?shù)紸/ D轉(zhuǎn)換器3-3的輸入端，最后傳輸?shù)綌?shù)字示波器4，數(shù)字示波器4與脈沖激光器I電氣相連，用于控制信號的激發(fā)和采集；數(shù)字示波器4將數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C5，計算機5用于所述電機控制器6-1和數(shù)字示波器4信號采集的同步控制，并對每個探測位置采集信號頻譜分析，存儲光聲信號的部分頻率信息，通過對圓弧上有限角度位置信號采集，構(gòu)建前向投影算子，基于快速稀疏算法對信號重建，獲得成像物體的光聲斷層成像。所述超聲探測器3-1通過架桿連接于旋轉(zhuǎn)臺6-3，旋轉(zhuǎn)臺6-3和超聲探測器3_1作為整體通過支架連接于平移臺6-2，電機控制器6-1控制旋轉(zhuǎn)臺6-3的旋轉(zhuǎn)角度和平移臺6-2的位移，并控制超聲探測器3-1的旋轉(zhuǎn)和平移。所述計算機5通過USB接口分別連接于數(shù)字示波器4和電機控制器6-1，用于控制信號采集和超聲探測器3-1的位置旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明的光聲斷層成像裝置構(gòu)成組件選擇如下脈沖激光器I選用倍頻的Q-Switched Nd = YAG脈沖激光器，波長為532nm，脈沖寬度為6. 5ns，重復(fù)頻率10Hz。光路處理裝置2中，反光鏡2-1和鏡筒2-2分別固定于同一支架上,反光鏡2-1和脈沖激光之間夾角為45度；凹透鏡2-3和毛玻璃2-4通過半封閉圓環(huán)固定在鏡筒2-2上，滿足脈沖激光照射樣品需求的同時保證超聲探測器3-1無障礙掃描。超聲信號測量組件3為英國PrecisionAcoustics公司生產(chǎn)的HPl型，其靈敏度為950mv/Pa，頻率帶寬為200KHz-15MHz，探針的直徑為Imm ;超聲探測器3-1為單陣元超聲探測器3-1。數(shù)字示波器4選用泰克公司的MS04034混合信號示波器，350MHz的帶寬，最高可達2. 5GS/s的取樣速率，在所有通道上實現(xiàn)20M樣點的記錄長度；三維平移旋轉(zhuǎn)臺6中，電機控制器6-1控制平移臺6-2和旋轉(zhuǎn)臺6-3，平移臺6-2ETSP200最大行程為200mm，重復(fù)定位精度3 u m,旋轉(zhuǎn)臺6-3ERSP100重復(fù)定位精度為0. 005度，分辨率為0. 00125度。計算機5采用普通PC機，內(nèi)存IG以上，人機交互界面通過Visual C++語言實現(xiàn)。樣品池7為有機玻璃加工的方形盒子。圖I所示的快速光聲斷層成像裝置，其工作流程是步驟I :脈沖激光器、反射鏡、凹透鏡、毛玻璃和鏡筒構(gòu)成光聲信號的觸發(fā)模塊。脈沖激光經(jīng)光路處理裝置反射、擴束、均勻后照射到樣品上號產(chǎn)生光聲信號，實驗中我們采用的532nm的激光；步驟2 :單陣元超聲探測器、A/D轉(zhuǎn)換器、超聲放大器、不波器依次電氣相連構(gòu)成信號米集模塊。樣品福射光聲信號經(jīng)單陣元超聲探測器采集后傳入超聲放大器放大，然后傳輸?shù)紸/D轉(zhuǎn)換器完成聲信號到電信號的轉(zhuǎn)換，電信號經(jīng)示波器轉(zhuǎn)換后將數(shù)字信號經(jīng)USB電路傳輸?shù)诫娔X儲存，完成一個角度位置的一次光聲信號的采集；步驟3 :計算機控制所述信號觸發(fā)模塊和信號采集模塊，完成一個位置信號采集存儲后，控制三維平移旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)到下一個位置，所述示波器觸發(fā)脈沖激光器發(fā)射脈沖激光，開始下一次信號采集，超聲探測器重新開始采集信號?；谏鲜隹焖俟饴晹鄬映上裱b置，圖2是依照本發(fā)明實施例的基于有限角度掃描的快速光聲斷層成像方法的流程圖，該方法通過對圓弧上不同位置采集的光聲信號進行濾波處理再作傅里葉變換，通過頻譜分析，隨機提取信號主要頻率所對應(yīng)的頻窗中的頻率成分，具體包括步驟SI :根據(jù)超聲探測器的脈沖響應(yīng)和重建圖像的離散網(wǎng)格，建立有限角度位置的光聲信號對應(yīng)的前向投影算子K ;所述前向投影算子K僅與探測器類型和重建圖像的精度有關(guān)，不受采集信號的影響。步驟S2 :將重建圖像向量化為X，采用小波矩陣O稀疏表示，圖像重建變換為求解圖像的小波基空間系數(shù)e ;所述變換充分考慮了圖像在小波域的稀疏性。步驟S3 :組建觀測矩陣A = KO,選取基于欠采樣的TVL1-L2范數(shù)的快速稀疏算法，求解稀疏系數(shù)的最優(yōu)解 步驟S4 :采用小波反變換算法，將所述重建稀疏系數(shù)^轉(zhuǎn)換為原始樣品的重建圖像向量X。其中，步驟S3中所述采用基于欠采樣的TVL1-L2范數(shù)的快速稀疏算法，求解稀疏系數(shù)的最優(yōu)解^的過程為步驟S31 :根據(jù)采集信號的統(tǒng)計性質(zhì)設(shè)置正則化參數(shù)，并根據(jù)噪聲水平確定迭代終止條件，設(shè)置初始解為零向量；步驟S32 :將圖像X的全變分Dx G R2降低維數(shù)處理，用任意的向量w G R2逼近，基于L1-L2范數(shù)的TV正則化模型可轉(zhuǎn)化為性能更優(yōu)的新模型min E 4>2(w, Dx) + a E j (z, 0 ) + A F (x, f)；步驟S33 :根據(jù)第i-1 (i = 2, 3,…)步優(yōu)化圖像X^1,計算向量Wi和稀疏系數(shù)向量0 i，采用交替優(yōu)化算法計算圖像Xi ;步驟S34 :根據(jù)步驟S31中的迭代終止條件，判斷當前圖像是否達到終止要求，如果沒有則返回步驟S33繼續(xù)迭代。步驟S4中所述采用小波反變換算法，將所述重建稀疏系數(shù)^轉(zhuǎn)換為原始樣品的重建圖像向量X,具體包括步驟S41 :根據(jù)步驟S3的迭代條件，判斷整個求解過程是否達到終止迭代條件，滿足則輸出小波域稀疏解g;步驟S42 :對步驟S2中所采用小波投影矩陣O，求逆變換①―1 ；步驟S$3 :根據(jù)步驟S41所得小波域稀疏解^和步驟S42所得逆變換O—1，求取原始樣品的重建圖像X?；趫D2所示的依照本發(fā)明實施例的基于有限角度掃描的快速光聲斷層成像方法的流程圖，圖3至圖5示出了依照本發(fā)明實施例的基于有限角度掃描的快速光聲斷層成像裝置的工作流程圖，具體包括以下步驟步驟SI :將樣品9放到樣品池7中，校正超聲探測器3-1的位置，使其在樣品的水平切面內(nèi)垂直旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)；將待測樣品9放在樣品池7，532nm的脈沖激光經(jīng)光路處理裝置后照射到樣品上號產(chǎn)生光聲信號；步驟S2 :采用中心頻率為5MHz的單陣元超聲探測器3_1，放置在樣品的后方，采集樣品9福射光聲信號后經(jīng)超聲放大器和A/D轉(zhuǎn)換器完成聲電信號的轉(zhuǎn)換，電信號傳輸?shù)讲徊ㄆ?，所采集信號?jīng)USB電路傳輸?shù)诫娔X儲存，超聲探測器3-1在每個位置采集100次后，完成一個角度光聲信號的米集；步驟S3 :計算機5完成信號存儲后，控制三維平移旋轉(zhuǎn)臺6旋轉(zhuǎn)到下一個位置，超聲探測器3-1開始重新開始采集信號，電機控制器6-1控制旋轉(zhuǎn)臺6-3帶動超聲探測器3-1在x-y平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)間隔為5度，采樣位置為50個，電機控制器6-1控制平移臺6-2在Z軸方向上下移動，完成對成像物體的三維圓柱形掃描，上下移動間隔為0. Imm ；步驟S4 :計算機5采集全部光聲信號后,先通過matlab軟件對信號濾波處理,然后進行傅里葉變換，通過頻譜分析求出光聲信號頻域的主要成分，根據(jù)探測器3-1的探測 信號的空間范圍和脈沖響應(yīng)，構(gòu)造頻域前向投影算子，根據(jù)重建圖像的大小，選擇合適的小波矩陣，合成觀測矩陣，通過奇異值分解做出觀測矩陣的正交基矩陣，基于快速稀疏重建算法進行樣品圖像重建。下面做具體描述根據(jù)光聲效應(yīng)和超聲的運動方程和擴散方程，可以得到光聲的基本方程(V2 + -X-=(I)
v’j dr(廠at、7其中V表示哈密爾頓算子，P (r，t)是位置r處時刻t的光聲信號，A(r)是樣品能量吸收分布函數(shù)，I(t)是脈沖激光的能量函數(shù)，vs是樣品中的聲速，Cp是樣品的比熱容，^是等壓膨脹系數(shù)，光聲重建是典型的逆問題，即如何由p (r，t)求出A(r)。通過使用格林函數(shù)求解方程1，得到
,. P c rA(r') I ,式2表不了光聲信號和樣品光吸收系數(shù)的關(guān)系,對米集到光聲信號p (r, t)進行傅里葉變換，式2的頻域表示為/)(/' I) = -ickg(k) J A (r') 二，,十//.'(3)其中k= /c表示頻率，g(k)表示探測器的脈沖響應(yīng)，將圖像和采集信號離散化，進一步可描述為y = Kx+e(4)y是采集光聲信號的傅里葉變換，信號長度為N = n*l，n為探測位置個數(shù)，I為每個位置信號的長度，X為吸收系數(shù)的向量表示，其長度為M = m2，m為重建圖像的尺寸，K為頻域的觀測矩陣，其大小為NXM，e為隨機噪聲。設(shè)X在基O下是稀疏的，記為X = O 0，其中I I 0 I Itl表示稀疏度。則有y = KO 0 +e(5)式5可簡記為y = A 0 +e由觀測值y根據(jù)式5求得最優(yōu)解為g，則可在基①取反變換，求得最優(yōu)解JC。首先給定正則化初始化參數(shù)a，P，入，最大迭代次數(shù)和迭代誤差終止條件e。整個迭代過程如圖3所示，圖3是依照本發(fā)明實施例的基于TVL1-L2全變分快速稀疏重建算法的流程圖。
我們采用TVL1-L2快速稀疏算法求解I可以滿足圖像重建的精度，得到模型如下
權(quán)利要求
1.一種基于有限角度掃描的快速光聲斷層成像裝置，其特征在于，該光聲斷層成像裝置包括脈沖激光器(I);由反射鏡(2-1)、鏡筒(2-2)、凹面鏡(2-3)和毛玻璃(2-4)構(gòu)成的光路處理裝置(2);由超聲探測器(3-1)、超聲放大器(3-2)和A/D轉(zhuǎn)換器(3-3)構(gòu)成的信號采集裝置(3);數(shù)字示波器(4);計算機(5);由電機控制器(6-1)、平移臺(6-2)和旋轉(zhuǎn)臺￠-3)構(gòu)成的三維平移旋轉(zhuǎn)臺(6);樣品池(7);樣品支架⑶；以及成像樣品(9)； 其中，脈沖激光器(I)、光路處理裝置(2)、信號采集裝置(3)、數(shù)字示波器(4)、計算機(5)和三維平移旋轉(zhuǎn)臺(6)依次連接，超聲探測器(3-1)采集到的光聲信號經(jīng)過放大后，傳輸?shù)紸/D轉(zhuǎn)換器(3-3)的輸入端，最 后傳輸?shù)綌?shù)字示波器(4)，數(shù)字示波器(4)與脈沖激光器(I)電氣相連，用于控制信號的激發(fā)和采集；數(shù)字示波器(4)將數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C(5)，計算機(5)用于所述電機控制器(6-1)和數(shù)字示波器(4)信號采集的同步控制，并對每個探測位置采集信號頻譜分析，存儲光聲信號的部分頻率信息，通過對圓弧上有限角度位置信號采集，構(gòu)建前向投影算子，基于快速稀疏算法對信號重建，獲得成像物體的光聲斷層成像。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于有限角度掃描的快速光聲斷層成像裝置，其特征在于，所述超聲探測器(3-1)通過架桿連接于旋轉(zhuǎn)臺￠-3)，旋轉(zhuǎn)臺(6-3)和超聲探測器(3-1)作為整體通過支架連接于平移臺(6-2)，電機控制器(6-1)控制旋轉(zhuǎn)臺(6-3)的旋轉(zhuǎn)角度和平移臺(6-2)的位移，并控制超聲探測器(3-1)的旋轉(zhuǎn)和平移。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于有限角度掃描的快速光聲斷層成像裝置，其特征在于，所述計算機(5)通過USB接口分別連接數(shù)字示波器(4)和電機控制器￠-1)，用于控制信號采集和超聲探測器(3-1)的位置旋轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于有限角度掃描的快速光聲斷層成像裝置，其特征在于，所述脈沖激光器(I)選用倍頻的Q-Switched Nd: YAG脈沖激光器,波長為532nm-1064nm,脈沖寬度為6. 5ns，重復(fù)頻率10Hz，脈沖激光器(I)發(fā)出的脈沖激光入射到成像物體產(chǎn)生聲信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于有限角度掃描的快速光聲斷層成像裝置，其特征在于，所述光路處理裝置(2)中，反光鏡(2-1)和鏡筒(2-2)分別固定于同一支架上，反光鏡(2-1)和脈沖激光之間夾角為45度；凹透鏡(2-3)和毛玻璃(2-4)通過半封閉圓環(huán)固定在鏡筒(2-2)上，通過調(diào)節(jié)鏡筒的高度來控制照射到成像物體光斑的大小，滿足脈沖激光照射樣品需求的同時保證超聲探測器(3-1)實現(xiàn)任意角度無障礙掃描。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于有限角度掃描的快速光聲斷層成像裝置，其特征在于，所述信號采集裝置(3)中，超聲探測器(3-1)為單陣元超聲探測器(3-1)，超聲探測器(3-1)通過支架連接到旋轉(zhuǎn)臺￠-3)，所述探測器(3-1)在成像物體水平切面內(nèi)垂直旋轉(zhuǎn)成像樣品(9)，在圓弧上有限位置采集成像樣品(9)光聲信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于有限角度掃描的快速光聲斷層成像裝置，其特征在于，所述信號采集裝置(3)靈敏度為950mv/Pa，頻率帶寬為200ΚΗζ_15ΜΗζ，探針的直徑為1mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于有限角度掃描的快速光聲斷層成像裝置，其特征在于，所述數(shù)字示波器(4)選用混合信號示波器，具有350MHz的帶寬，最高可達2. 5GS/s的取樣速率，在所有通道上實現(xiàn)20M樣點的記錄長度。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于有限角度掃描的快速光聲斷層成像裝置，其特征在于，所述三維平移旋轉(zhuǎn)臺(6)中，電機控制器(6-1)控制平移臺(6-2)和旋轉(zhuǎn)臺(6-3)的旋轉(zhuǎn)，能完成對成像物體的豎直掃描和弧形掃描。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于有限角度掃描的快速光聲斷層成像裝置，其特征在于，所述平移臺^_2)ETSP200最大行程為200mm，重復(fù)定位精度3μπι;所述旋轉(zhuǎn)臺(6_3)ERSP100重復(fù)定位精度為O. 005度，分辨率為O. 00125度。
11.一種基于有限角度掃描的快速光聲斷層成像方法，應(yīng)用于權(quán)利要求I至10中任一項所述的快速光聲斷層成像裝置，其特征在于，該方法通過對圓弧上不同位置采集的光聲信號進行濾波處理再作傅里葉變換，通過頻譜分析，隨機提取信號主要頻率所對應(yīng)的頻窗中的頻率成分，具體包括 步驟Si:根據(jù)超聲探測器的脈沖響應(yīng)和重建圖像的離散網(wǎng)格，建立有限角度位置的光聲信號對應(yīng)的前向投影算子K ； 步驟S2 :將重建圖像向量化為X，采用小波矩陣φ稀疏表示，圖像重建變換為求解圖像的小波基空間系數(shù)Θ ; 步驟S3 :組建觀測矩陣A = ΚΦ，選取基于欠采樣的TVL1-L2范數(shù)的快速稀疏算法，求解稀疏系數(shù)的最優(yōu)解沒; 步驟S4 :采用小波反變換算法，將所述重建稀疏系數(shù)豆轉(zhuǎn)換為原始樣品的重建圖像向量Xo
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的基于有限角度掃描的快速光聲斷層成像方法，其特征在于，步驟SI中所述前向投影算子K僅與探測器類型和重建圖像的精度有關(guān)，不受采集信號的影響。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的基于有限角度掃描的快速光聲斷層成像方法，其特征在于，步驟S2中所述變換充分考慮了圖像在小波域的稀疏性。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的基于有限角度掃描的快速光聲斷層成像方法，其特征在于，步驟S3中所述采用基于欠采樣的TVL1-L2范數(shù)的快速稀疏算法，求解稀疏系數(shù)的最優(yōu)解g的過程為 步驟S31 :根據(jù)采集信號的統(tǒng)計性質(zhì)設(shè)置正則化參數(shù)，并根據(jù)噪聲水平確定迭代終止條件，設(shè)置初始解為零向量； 步驟S32 :將圖像X的全變分Dx e R2降低維數(shù)處理，用任意的向量w e R2逼近，基于L1-L2范數(shù)的TV正則化模型可轉(zhuǎn)化為性能更優(yōu)的新模型 min Σ Φ 2 (w, Dx) + α Σ Φ!(ζ, θ ) + λ F (χ, f) 步驟S33 :根據(jù)第i_l (i = 2,3,…)步優(yōu)化圖像Xh，計算向量Wi和稀疏系數(shù)向量Θ i；采用交替優(yōu)化算法計算圖像Xi ; 步驟S34 :根據(jù)步驟S31中的迭代終止條件，判斷當前圖像是否達到終止要求，如果沒有則返回步驟S33繼續(xù)迭代。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的基于有限角度掃描的快速光聲斷層成像方法，其特征在于，步驟S4中所述采用小波反變換算法，將所述重建稀疏系數(shù)^轉(zhuǎn)換為原始樣品的重建圖像向量χ，具體包括 步驟S41 :根據(jù)步驟S3的迭代條件，判斷整個求解過程是否達到終止迭代條件，滿足則輸出小波域稀疏解步驟S42 :對步驟S2中所采用小波投影矩陣Φ，求逆變換Φ—1 ； 步驟S43 :根據(jù)步驟S41所得小波域稀疏解^和步驟S42所得逆變換Φ—1，求取原始樣品的重建圖像X。
全文摘要
本發(fā)明涉及光聲成像技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種基于有限角度掃描的快速光聲斷層成像裝置及方法，采用脈沖激光入射到成像樣品產(chǎn)生光聲信號，通過單元超聲探測器在圓弧上有限位置采集光聲信號，經(jīng)信號放大器放大后，輸入A/D轉(zhuǎn)換器將聲信號轉(zhuǎn)化為電信號，最后傳輸?shù)绞静ㄆ魍瓿蓴?shù)字信號采集；將成像樣品光聲信號輸入計算機，計算機將光聲信號進行濾波和傅里葉變換處理，根據(jù)實驗條件提取光聲信號頻域信息，構(gòu)建前向投影算子和測量矩陣，計算機基于快速稀疏算法對信號重建成像。本發(fā)明具有信號采集時間短，重建速度快，操作方便，適應(yīng)性和擴展性好等優(yōu)點。
文檔編號A61B8/13GK102727259SQ20121026284
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月26日
發(fā)明者劉學(xué)彥, 彭冬, 楊鑫, 田捷, 馬喜波 申請人:中國科學(xué)院自動化研究所