亚星游戏官网-www.yaxin868.com

专利名称：基于光谱编码的光声组分解析成像方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于光声成像技术领域，具体涉及一种用光谱编码光声成像进行混合体系 组成要素定量分析的方法及光谱编码光声成像装置。
背景技术：
光声成像是基于光声原理和超声成像的一项新兴技术，近年来发展迅速，例如电 子版线路检测、液体流速测量和生命科学等领域。纳秒级的激光脉冲照射到物质上并被吸 收，很短的时间内的热膨胀产生了超声信号，信号的强度与物质的吸收和激发光强弱有关， 不同物质的吸收光能力不同，当激发光强度均勻且稳定的时候，运用计算机程序投影出的 光声图像上的明暗强弱，反映的就是物质对于该波长光的吸收特性。最具特色的是，光声成 像使用的是功率密度远低于生物组织损伤阈值的激光作为激励源，实现的是一种非入侵、 非电离的无损成像。相对于传统的光学成像，光声成像的成像深度大大改善，相对于传统的 超声成像，光声成像在分辨率上有明显的优势。混合体系是指两种以上的物质在同一个体系中稳定存在并保持各自的性质，有如 下几种形式，气态(如，空气)，液态(如，石油)，固态(如，矿石)和混合态(如，生物组 织)。工农业生产，医药卫生领域中很多情况下需要对于混合体系中组成要素进行定量分 析，明确混合体系中组成要素的分布情况，以及对应位置的浓度情况。然而物质的光吸收能力还与物质的浓度相关，可以想象同样的墨水，浓度越高对 于光的吸收能力越强，因此同种物质在同一张光声图像上，浓度不同时将呈现出不同的亮 度，传统的光声成像不能够较好反映出混合物单一组成要素浓度分布的信息。因此开发一 套图像处理方法和与之配套的实验装置是解决这一问题的根本方法。

发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不能够较好反映混合物组成要素的浓度及其分 布等问题，建立一种基于光谱编码的光声组分解析成像方法，利用光声成像混合体系组成 要素定量分析方法。本发明的另一目的在于组建一套实现上述方法的光谱编码光声成像装置。本发明的目的通过下述技术方案实现基于光谱编码的光声组分解析成像方法， 包括以下步骤(1)将待测样品固定在含有耦合液的耦合池中；(2)可调谐激光器发射出脉冲激光和触发信号，脉冲激光被分束镜分为两束，其中 弱的反射光束被光电探测器接收，用于激光强度校正，强的透射光束经反射棱镜反射、扩束 镜扩束和毛玻璃均勻后照射样品，激发产生光声信号；(3)步骤⑵中触发信号触发采集组件采集步骤(2)得到的光声信号，采集到的光 声信号被计算机组件实时记录并保存；(4) 一组信号采集完毕后，改变可调谐激光器波长，重复采集信号；
(5)计算机处理步骤C3)记录保存的信号，得到不同激发波长下的光声图像；(6)图像后续处理，对步骤( 得到的光声图像用混合体系组成要素定量分析算 法再处理，获得各要素的浓度分布图。所述步骤(1)中，耦合液选择去离子水，耦合液液面浸没样品3-5cm。所述步骤O)中，可调谐激光器波长优选范围400-2000nm，具体波长大小根据混 合体系实际情况选择，波长数目与要素数目相同，分束镜的反射率根据光电探测器的额定 光强确定。所述步骤(3)中，采集组件采集信号是采用基于LABVIEW控制的实时采集程序， LABVIEff采集程序控制步进电机驱动，使得步进电机带动探头进行360 °旋转采集信号。所述步骤中，重复采集信号的次数等于混合体系中组成要素的数目，激光器 波长的选择根据要素自身的吸收特性确定。所述步骤( 中，计算机处理是通过计算机中的MATLAB重建程序对记录保存的信 号进行滤波、积分并利用信号中的时间和空间信息进行图像重建。所述步骤(6)中，混合体系组成要素定量分析算法将在下面原理叙述中进行说 明。实现上述基于光谱编码的光声组分解析成像方法的装置包括激发光源组件、信号 采集组件，计算机组件，以上三种组件依次电气连接，还包括耦合池和步进电机；其中激发光源组件由可调谐激光器、光电探测器、分束镜、反射棱镜、扩束镜和毛 玻璃构成，其中可调谐激光器、分束镜、反射棱镜、扩束镜、毛玻璃光电探测器依次电气连 接，光电探测器与分束镜电气连接；所述信号采集组件由超声探测器、信号放大器、示波器和高速采集卡依次电气连 接而成；所述计算机组件中有LABVIEW数据采集程序和电机驱动程序、MATLAB图像重建程 序以及MATLB图像处理程序；所述耦合池包括支架；所述步进电机包括电机驱动及探测器持夹；所述步进电机安装在耦合池支架上，所述超声探测器固定在步进电机的探测器持 夹上，置于耦合池的超声耦合液中，扩束镜和毛玻璃固定在耦合池的支架上。所述探测器有3个可选择探头，中心频率分别为IMHz、15MHz和75MHz，根据样品的 大小和混合体系中要素分布的精细度选择探头。所述装置适用于液相、固相混合体系、离体生物组织以及活体生物。本发明中光谱编码光声成像装置的作用原理是激发光源产生的脉冲激光(波 长、脉宽、重复频率可调)束，经过分束强度测量、反射、扩束和均勻之后照射样品，样品为 一混合体系，体系中的不同要素对于同一波长的吸收强度不同产生了强度不同的光声信 号，光声信号经过耦合液被超声探测器接受，产生的电信号经过放大器后在高速采集卡上 转换成数字信号被计算机记录，记录的信号包含了光声信号的时间和空间两个信息，根据 混合体系中要素的数目(有几种要素选择几个波长)改变可调谐激光器的波长并调节强度 保持稳定，重复采集和记录过程；通过计算机程序将各个波长下的光声图像重建出来。本发明中混合体系组成要素定量分析算法的原理是单一波长λ激发下，某一点 处的光声信号强度正比于其光吸收强度的累积，可以表示为A = Ai+A2+A+An，其中A表示总
5的光吸收，An表示各个要素的光吸收，而单一要素的光吸收强度与激发光强度D、吸收体的 消光系数U( λ )和吸收体的浓度C三个主要因素有关，可以表示为An = DUn( λ ) Cn,因此某 一点处的光吸收强度可以改写为A = D U1(A) C^D U2(A) C2+L+D Un(A) Cn,假设混合体系 中要素的数目为n，需要选择η个激发波长，保持激发光强均勻且强度相等的情况下，可以 得到如下一系列式子，
权利要求
1.基于光谱编码的光声组分解析成像方法，其特征在于包括以下步骤(1)将待测样品固定在含有耦合液的耦合池中；(2)可调谐激光器发射出脉冲激光和触发信号，脉冲激光被分束镜分为两束，其中弱的 反射光束被光电探测器接收，强的透射光束经反射棱镜反射、扩束镜扩束和毛玻璃均勻后 照射待测样品，激发产生光声信号；(3)步骤⑵中触发信号触发采集组件采集步骤(2)得到的光声信号，采集到的光声信 号被计算机组件实时记录并保存；(4)一组信号采集完毕后，改变可调谐激光器波长，重复采集信号；(5)计算机处理步骤C3)记录保存的信号，得到不同激发波长下的光声图像；(6)图像后续处理，对步骤( 得到的光声图像用混合体系组成要素定量分析算法再 处理，获得各要素的浓度分布图。
2.根据权利要求1所述基于光谱编码的光声组分解析成像方法，其特征在于所述步 骤(1)中，耦合液为去离子水，耦合液液面浸没待测样品3-5cm。
3.根据权利要求1所述基于光谱编码的光声组分解析成像方法，其特征在于所述步 骤O)中，可调谐激光器波长范围400-2000nm，分束镜的反射率根据光电探测器的额定光 强确定。
4.根据权利要求1所述基于光谱编码的光声组分解析成像方法，其特征在于所述步 骤(3)中，采集组件采集信号是采用基于LABVIEW控制的实时采集程序，在LABVIEW采集程 序控制下，步进电机进行360°旋转采集信号。
5.根据权利要求1所述基于光谱编码的光声组分解析成像方法，其特征在于所述步 骤中，重复采集信号的次数等于混合体系中组成要素的数目，激光器波长的选择根据 要素自身的吸收特性确定。
6.根据权利要求1所述基于光谱编码的光声组分解析成像方法，其特征在于所述步 骤(5)中，计算机处理是通过计算机中的MATLAB重建程序对记录保存的信号进行滤波、积 分并利用信号中的时间和空间信息进行图像重建。
7.根据权利要求1所述基于光谱编码的光声组分解析成像方法，其特征在于所述步 骤(6)中，混合体系组成要素定量分析算法如下A1 = D U1 ( λ D C^D U2(X1) C2+L+D Un(A1) CnA2 = D U1 ( λ 2) Ci+D U2 ( λ 2) C2+L+D Un(A2) CnAn = D U1(Xn)C1W U2(An)C2+L+D Un(An)Cn其中A表示总的光吸收，An表示各个要素的光吸收，D表示单一要素的光吸收强度与激 发光强度，U( λ )表示吸收体的消光系数，C表示吸收体的浓度，η表示混合体系中组成要素 数目。
8.实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于包括激发光源组件、信号采集组件， 计算机组件，以上三种组件依次电气连接，还包括耦合池和步进电机，所述激发光源组件由波长可调谐激光器、光电探测器、分束镜、反射棱镜、扩束镜和毛 玻璃构成，其中可调谐激光器、分束镜、反射棱镜、扩束镜、毛玻璃光电探测器依次电气连 接，光电探测器与分束镜电气连接；所述信号采集组件由超声探测器、信号放大器、示波器和高速采集卡依次电气连接而成；计算机组件中有LABVIEW数据采集程序和电机驱动程序、MATLAB图像重建程序和基于 算法编写的MATLAB图像处理程序；所述耦合池包括支架；步进电机包括电机驱动及探测器持夹； 所述步进电机安装在耦合池支架上，所述超声探测器固定在步进电机的探测器持夹 上，置于耦合池的超声耦合液中，扩束镜和毛玻璃固定在耦合池的支架上。
9.根据权利要求8所述装置，其特征在于所述探测器有3个可选择探头，中心频率分 别为 IMHz、15MHz 和 75MHz。
全文摘要
本发明公开了一种基于光谱编码的光声组分解析成像方法，包括如下步骤，均匀的脉冲激光束激发样品，样品吸收光能产生光声信号，信号采集系统同步采集光声信号，直至一次采集完成，后改变波长，再次采集光声信号，信号采集完成后，用MATLAB程序重建图像，对重建的图像用混合体系组成要素定量分析算法再处理，后得到单个要素浓度的空间分布图。实现该种分析方法的装置包括激发光源组件、信号采集组件，计算机组件，耦合池和步进电机，本发明能从光声图像中提取了单一要素空间分布的浓度信息，在疾病无损诊断领域有极大意义，另外，本发明光谱编码光声成像装置，结构简单，操作方便，易于实现。
文档编号G01N21/17GK102095685SQ20101057164
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月2日 优先权日2010年12月2日
发明者张建, 杨思华, 邢达 申请人:华南师范大学