專利名稱：一種光聲與x光檢測雙模態(tài)數(shù)字化成像系統(tǒng)及成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多模態(tài)成像方法，特別涉及一種光聲與x光檢測雙模態(tài)數(shù)字化成像系統(tǒng)及成像方法，屬于激光、x射線、電子以及圖像重建在醫(yī)學(xué)應(yīng)用的綜合技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
成像技術(shù)和手段的發(fā)展使得醫(yī)學(xué)和藥物研究可以在生物機體理各層面上觀察結(jié)構(gòu)和活動的過程。其目標(biāo)瞄向了通過結(jié)構(gòu)和功能成像來研究生物機制和疾病診斷及治療方法。單一成像模態(tài)往往無法同時提供組織的結(jié)構(gòu)與功能信息成像系統(tǒng)，但由于每一種成像模態(tài)都有基于特定物質(zhì)波和人體相互作用的規(guī)律，且這些規(guī)律不同；基于這些不同規(guī)律研制的成像技術(shù)和設(shè)備觀測人體時得到的人體的信息也就不完全相同。因此，多模態(tài)成像可同時提供組織的結(jié)構(gòu)和功能信息，是目前生物醫(yī)學(xué)成像的發(fā)展趨勢。 X光成像利用其在組織穿透過程中受到的吸收即衰減差異，能得到一般可見光不能穿透的各種不同密度物質(zhì)的影像，可提供高分辨率的組織結(jié)構(gòu)信息。數(shù)字化X光成像(Digital Radiography imaging)克服了傳統(tǒng)X光成像使用膠片的缺點，成像分辨率高，對比度好。 光聲成像(Photoacoustic imaging)是基于光聲效應(yīng)的新型無損醫(yī)學(xué)成像方法。當(dāng)脈沖激光照射到生物組織中時，組織吸收光能量引起溫升，溫升導(dǎo)致熱膨脹而產(chǎn)生光聲信號。生物組織的光聲信號攜帶了組織的光吸收特征信息，通過測量光聲信號能重建出組織中的光吸收分布圖像。由于激發(fā)光的光譜選擇性，可通過多波長實現(xiàn)反映組織生理和代謝活動的功能成像。 因此，利用高分辨的X光圖像可以實現(xiàn)組織的精確定位；光聲成像可提供光譜選擇性的組織生理和病理改變的功能信息。因此，對于如何實現(xiàn)集成X光與光聲雙模態(tài)的成像方法于同一個系統(tǒng)，有效利用兩種成像模態(tài)優(yōu)勢互補的特性，對于同時研究組織結(jié)構(gòu)、功能變化有著非常重要的現(xiàn)實意義。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的首要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的單一成像模態(tài)的缺點與不足，提供一種光聲與X光檢測雙模態(tài)數(shù)字化成像的系統(tǒng)。所述的系統(tǒng)通過共同的成像腔和特有的機械結(jié)構(gòu)布局集成一體，可同時實現(xiàn)光聲與X光檢測雙模態(tài)數(shù)字化成像。
本發(fā)明的另一 目的在于提供所述系統(tǒng)的成像方法。 本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)一種光聲與X光檢測雙模態(tài)數(shù)字化成像系統(tǒng)，包含光聲成像子系統(tǒng)、X光檢測子系統(tǒng)以及計算機；光聲成像子系統(tǒng)與X光檢測子系統(tǒng)通過共同的成像腔集成于一體；計算機處理采集到的光聲成像子系統(tǒng)和X光檢測子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，得到帶有光聲與X光檢測雙重信息的圖像； 所述光聲成像子系統(tǒng)包含激光器、光聲探測器和信號放大器；激光器、光聲探測器和信號放大器依次連接；激光器作為光聲激發(fā)光源產(chǎn)生脈沖激光，進入成像腔中聚焦到載物臺上的樣品區(qū)域；脈沖激光激發(fā)產(chǎn)生的光聲信號經(jīng)過聲耦合液，通過光聲探測器接收，送 入信號放大器，通過高速數(shù)據(jù)采集卡采集，采集的信號儲存到計算機緩存中等待圖像重建 軟件進行圖像重建，其中激光器位于成像腔的上方，輸出脈沖激光的波長為400 2500nm ; 光聲探測器為均勻分布在同一圓周上的3個以上多元陣列探測器，每個陣列探測
器的主頻為20KHz 100MHz，陣元數(shù)為64， 128或256 ; 所述的X光成像子系統(tǒng)含有X射線源、光電轉(zhuǎn)換器CMOS、信號放大器和A/D轉(zhuǎn)換 器；X射線源、光電轉(zhuǎn)換器CMOS、信號放大器和A/D轉(zhuǎn)換器依次連接；X射線源產(chǎn)生X射線進 入成像腔，透過載物臺上的樣品，衰減后的X光被成像腔底部的光電轉(zhuǎn)換器CMOS接收；接收 的信號經(jīng)信號放大器、A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸入計算機中等待圖像重建軟件進行圖像重建，其 中X射線源位于成像腔的上方，工作電流為0. 5mA lmA，電壓為5 45kVp可調(diào)；
光電轉(zhuǎn)換器CMOS位于成像腔的底部，采用主動面陣CMOS光電轉(zhuǎn)換器件，靈敏度 高、像素量大(1兆 15兆)，噪聲低; 所述的成像腔含有載物臺、光聲探測器和光電轉(zhuǎn)換器，其中 載物臺包含有機玻璃材質(zhì)的透明水槽，透明塑料薄膜和小動物實驗臺；透明塑料 薄膜將位于透明水槽底部的空洞密封，小動物實驗臺通過螺旋與透明水槽底部連接，通過
螺旋可調(diào)節(jié)動物在成像腔中的高度； 光聲探測器為3個以上的多元陣列探測器，固定在透明水槽壁，均勻分布在同一 圓周上；探測的光聲信號經(jīng)放大器放大后，采集并儲存到計算機緩存中；激光光源產(chǎn)生的 脈沖激光進入成像腔并入射到載物臺上的樣品，激發(fā)產(chǎn)生的光聲信號被光聲探測器接收； 每個陣列探測器的主頻為20KHz 100MHz，陣元數(shù)為64， 128或256 ; 光電轉(zhuǎn)換器位于小動物實驗臺的下方；X射線源產(chǎn)生X射線透過載物臺上的樣品， 衰減后的X射線被光電轉(zhuǎn)換器CMOS接收； 所述的透明水槽裝有聲耦合液；脈沖激光激發(fā)產(chǎn)生的光聲信號通過透明玻璃水 槽，與其中的聲耦合液耦合，進入光聲陣列探測器； 所述的聲耦合液為水； 所述的計算機含有高速數(shù)據(jù)采集卡、基于LABVIEW軟件平臺的控制軟件和MATLAB 平臺的圖像重建軟件； 所述的采集采用基于LABVIEW控制平臺的多通道并行實時采集系統(tǒng)，其作用是將 模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號； 所述的處理是指通過MATLAB程序?qū)饴暡捎眯〗嵌葹V波反投影算法，X光采用直 線投影算法，進行圖像重建，融合兩種模態(tài)的數(shù)據(jù)，從而得到待測部位的光聲與X光檢測雙 模態(tài)圖像。 上述光聲與X光檢測雙模態(tài)數(shù)字化成像系統(tǒng)的成像方法包括以下步驟 (1)激光器發(fā)出脈沖激光，進入成像腔中聚焦到載物臺上的樣品區(qū)域；脈沖激光
激發(fā)產(chǎn)生的光聲信號經(jīng)過聲耦合液，通過光聲探測器接收，信號放大器放大； (2)X射線源產(chǎn)生X射線進入成像腔，透過載物臺上的樣品，衰減后的X光被成像腔
底部的光電轉(zhuǎn)換器CMOS接收；接收的信號經(jīng)信號放大器放大，再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換；
(3)采集步驟(1)得到的放大的光聲信號數(shù)據(jù)和步驟(2)得到的A/D轉(zhuǎn)換后的信
號，通過數(shù)據(jù)處理軟件處理，得到光聲與X光檢測雙模態(tài)圖像。 所述的數(shù)據(jù)處理軟件為MATLAB程序； 所述的采集采用基于LABVIEW控制平臺的多通道并行實時采集系統(tǒng)，其作用是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號； 所述的處理是指通過MATLAB程序?qū)饴暡捎眯〗嵌葹V波反投影算法，X光采用直線投影算法，進行圖像重建，融合兩種模態(tài)的數(shù)據(jù)，從而得到待測部位的光聲與X光檢測雙模態(tài)圖像。 本發(fā)明并不直接用于疾病的診斷和治療，只是為組織結(jié)構(gòu)和功能活動參數(shù)改變提
供提供檢測數(shù)據(jù)；而且，本發(fā)明不僅限于此，本發(fā)明還可用于其他工業(yè)和生產(chǎn)中的無損檢測等。 本發(fā)明利用高分辨率的X成像獲取組織的結(jié)構(gòu)信息；利用光聲成像的高光譜選擇性的獲取組織的功能信息，實現(xiàn)雙模態(tài)數(shù)字化成像。所述光聲成像與數(shù)字化X光檢測系統(tǒng)通過共同的成像腔和特有的機械結(jié)構(gòu)布局集成一體，可同時實現(xiàn)光聲與X光檢測雙模態(tài)數(shù)字化成像。 本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果 (1)本發(fā)明中，X光成像可獲取高分辨率的組織結(jié)構(gòu)信息；光聲成像的高光譜選擇性可獲取組織功能信息，因此可實現(xiàn)信息上互補的數(shù)字化雙模態(tài)成像，有效克服了單一成像模態(tài)信息不足的缺點。 (2)本發(fā)明在結(jié)構(gòu)上，有機的將光聲成像和X光成像集成到一個系統(tǒng)，可同步進行光聲成像和熒光檢測，使用方便。 (3)本發(fā)明集光聲成像和X光檢測于一體的關(guān)鍵部件是成像腔，共同空間定位結(jié)構(gòu)，有利于雙模態(tài)成像的信息融合和圖像重建定位。 (4)本發(fā)明的各組件的造價較低，所以整體裝置的造價亦相對較低，沒有特殊限制，應(yīng)用廣泛。
圖l是本發(fā)明的框架圖。 圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖。 圖3是本發(fā)明所述的成像腔的示意圖。 圖4是實施例2利用圖1所示系統(tǒng)得到了光聲與X光檢測圖像 (a)是單一的X光檢測圖像； (b)是單一的光聲圖像； (c)是光聲與X光檢測融合圖像。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。 實施例1
圖1為本發(fā)明所述光聲與X光檢測雙模態(tài)數(shù)字化成像的系統(tǒng)的框架圖。
圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖，包含光聲成像子系統(tǒng)、X光檢測子系統(tǒng)以及計算機；光聲成像子系統(tǒng)與X光檢測子系統(tǒng)通過共同的成像腔集成于一體；采用基于LABVIEW控制平臺的多通道并行實時采集系統(tǒng)，采集光聲信號和X射線信號，計算機處理光聲成像和X光檢測子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，利用基于MATLAB軟件平臺的光聲小角度濾波反投影算法和X光直線投影算法，融合光聲和X光檢測信息，重建出帶有光聲與X光檢測雙重信息的圖像。
光聲成像的過程為(如圖2和圖3所示)位于成像腔上方的激光器1-1作為光聲激發(fā)光源產(chǎn)生脈沖激光(激光器產(chǎn)生的激光脈沖觸發(fā)采集卡同步采集光聲信號)，進入成像腔4中激發(fā)產(chǎn)生的光聲信號，通過光聲探測器1-2接收，送入信號放大器1-3，通過可位于計算機外部也可位于計算機內(nèi)部的高速數(shù)據(jù)采集卡l-4，進入計算機3，利用基于Matlab軟件平臺的光聲小角度濾波反投影算法圖像重建軟件進行圖像重建。其中，激光器1-1選用Nd:YAG泵浦的0P0激光器(Vibrant 5321， Opotek， Carlsbad, Calif.)，輸出激光波長為532nm，690 960nm，脈寬為10ns，重復(fù)頻率是lOHz。光聲探測器1-2為多元陣列探測器EZU-PL21 (Hitachi, J即an)，由320個振元組成并被分割成64個振群，每5個振元組成一個振群。它的中心頻率為3. 5MHz，掃描寬度為102mm。高速數(shù)據(jù)采集卡1-4選用Gage A卯lied公司的Compuscope 12100型高速數(shù)據(jù)采集卡(DAS-CARD)，采用外部觸發(fā)方式，采樣速率可達(dá)100MHz ;采集控制程序用LABVIEW軟件實現(xiàn)，數(shù)字圖形信號處理用MATLAB軟件實現(xiàn)。成像時利用小角度濾波反投影得到光聲二維圖像。 X光成像的過程為(如圖2和圖3所示)位于成像腔上方的X射線源2-1產(chǎn)生X射線進入到成像腔4，透過載物臺上的小動物樣品，衰減后的X光被成像腔底部的光電轉(zhuǎn)換器(CMOS) 2-2接收；接收的信號經(jīng)信號放大器2-3、A/D轉(zhuǎn)換器2_4轉(zhuǎn)換后輸入到帶有圖像重建和掃描控制軟件的計算機3。其中，X射線源工作電流為0. 5mA-lmA，電壓為5_45kVp可調(diào)。光電轉(zhuǎn)換器CMOS，采用主動面陣CMOS光電轉(zhuǎn)換器件，它具有靈敏度高，分辨率高，像素量大(1024*1024)，噪聲低等優(yōu)點。 圖3是實施例1所述本發(fā)明光聲與X光檢測雙模態(tài)成像系統(tǒng)集成的關(guān)鍵部件——成像腔示意圖。 成像腔4成像腔含有載物臺、光聲探測器及光電轉(zhuǎn)換器。X射線源2-1產(chǎn)生X射線進入成像腔透過載物臺上的樣品，衰減后的X射線被光電轉(zhuǎn)換器(CM0S)2-2接收。激光器l-l產(chǎn)生的脈沖激光進入成像腔并入射到載物臺上的樣品，激發(fā)產(chǎn)生的光聲信號被光聲探測器l-2接收。載物臺，包含透明玻璃水槽4-l，透明塑料薄膜4-2和小動物實驗臺4-3 ;在透明玻璃水槽4-1底部留有空洞，空洞上密封有透明的塑料薄膜4-2，小動物實驗臺4-3通過螺旋與玻璃水槽底部連接，通過螺旋可調(diào)節(jié)動物在成像腔中的高度；透明玻璃水槽4-l裝有聲耦合液4-4，脈沖激光激發(fā)產(chǎn)生的光聲信號通過透明玻璃水槽4-1，與其中的聲耦合液4-4耦合，進入光聲探測器；光聲探測器為3個以上的多元陣列探測器，固定在玻璃水槽壁，均勻分布在同一圓周上；探測的光聲信號經(jīng)放大器放大后，采集并儲存到計算機緩存中。 實施例2 應(yīng)用實施例1所述的系統(tǒng)進行模擬樣品的光聲與X光檢測雙成像。試驗樣品為一個帶有移植腫瘤的Balb/c小鼠。實驗中Balb/c小鼠被麻醉后，放置在小動物實驗臺
74-3上。透明玻璃水槽內(nèi)充滿水4-4，作為光聲信號的耦合液。激光器l-l輸出激光波長為532nm，脈寬為10ns，重復(fù)頻率是10Hz，進入成像腔4中并入射到載物臺的樣品上；脈沖激光激發(fā)產(chǎn)生的光聲信號通過光聲探測器1-2接收，送入信號放大器l-3，通過高速數(shù)據(jù)采集卡1-4采集，采集的信號在計算機3內(nèi)部利用通過MATLAB程序?qū)饴暡捎眯〗嵌葹V波反投影算法進行圖像重建，可得到如圖4(b)所示的光聲圖像。圖4(b)給出了小鼠腫瘤部位高對比度的光聲橫向?qū)游鰣D像。X光檢測成像時，X射線源2-1產(chǎn)生X射線進入成像腔4，透過載物臺上的樣品，衰減后的X光被成像腔底部的光電轉(zhuǎn)換器CM0S(2-2)接收；接收的信號經(jīng)信號放大器2-3、 A/D轉(zhuǎn)換器2-4轉(zhuǎn)換后輸入到帶有圖像重建和掃描控制軟件的計算機3，可得到如圖4(a)所示X光圖像，可得到高分辨率的小鼠骨架等結(jié)構(gòu)信息。利用計算機3通過利用基于Matlab軟件平臺的光聲小角度濾波反投影算法和X光直線投影算法分別重建出光聲和X光檢測圖像，通過圖像融合處理可在同一圖像中同時得到光聲與X光檢測雙模態(tài)的圖像(如圖4(c)所示)，從而得到組織信息更豐富，更全面。 上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
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權(quán)利要求
一種光聲與X光檢測雙模態(tài)數(shù)字化成像系統(tǒng)，其特征在于所述的系統(tǒng)包含光聲成像子系統(tǒng)、X光檢測子系統(tǒng)以及計算機；光聲成像子系統(tǒng)與X光檢測子系統(tǒng)通過共同的成像腔集成于一體；計算機處理采集到的光聲成像和X光檢測子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，融合光聲和X光檢測信息，重建出帶有光聲與X光檢測雙重信息的圖像；所述光聲成像子系統(tǒng)包含激光器、光聲探測器和信號放大器；激光器、光聲探測器和信號放大器依次連接；所述的X光成像子系統(tǒng)含有X射線源、光電轉(zhuǎn)換器CMOS、信號放大器和A/D轉(zhuǎn)換器；X射線源、光電轉(zhuǎn)換器CMOS、信號放大器和A/D轉(zhuǎn)換器依次連接；所述的成像腔含有載物臺、光聲探測器和光電轉(zhuǎn)換器，光電轉(zhuǎn)換器位于載物臺的下方，光聲探測器設(shè)置在載物臺上；所述光聲成像子系統(tǒng)中的激光器和所述X光成像子系統(tǒng)中的X射線源位于所述成像腔的上方，與所述光電轉(zhuǎn)換器分別居于所述載物臺的兩端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光聲與X光檢測雙模態(tài)數(shù)字化成像系統(tǒng)，其特征在于所述 的激光器輸出脈沖激光的波長為400 2500nm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光聲與X光檢測雙模態(tài)數(shù)字化成像系統(tǒng)，其特征在于所述 的光聲探測器為均勻分布在同一圓周上的3個以上多元陣列探測器，每個陣列探測器的主 頻為20KHz lOOMHz，陣元數(shù)為64， 128或256。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光聲與X光檢測雙模態(tài)數(shù)字化成像系統(tǒng)，其特征在于所述X 射線源的工作電流為0. 5mA lmA，電壓為5 45kVp可調(diào)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光聲與X光檢測雙模態(tài)數(shù)字化成像系統(tǒng)，其特征在于所述 的載物臺包含有機玻璃材質(zhì)的透明水槽，透明塑料薄膜和小動物實驗臺；透明塑料薄膜將 位于透明水槽底部的空洞密封，小動物實驗臺通過螺旋與透明水槽底部連接；所述的光聲探測器為3個以上多元陣列探測器，固定在透明水槽壁上，均勻分布在同 一圓周上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光聲與X光檢測雙模態(tài)數(shù)字化成像系統(tǒng)，其特征在于所述 的光電轉(zhuǎn)換器為主動面陣光電轉(zhuǎn)換器件。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光聲與X光檢測雙模態(tài)數(shù)字化成像系統(tǒng)，其特征在于所述 的計算機含有高速數(shù)據(jù)采集卡、控制軟件和圖像重建軟件。
8. 權(quán)利要求1 7任一項所述光聲與X光檢測雙模態(tài)數(shù)字化成像系統(tǒng)的成像方法，其特征在于包括以下步驟(1) 激光器發(fā)出脈沖激光，進入成像腔中聚焦到載物臺上的樣品區(qū)域；脈沖激光激發(fā) 產(chǎn)生的光聲信號經(jīng)過裝在載物臺中的聲耦合液，通過光聲探測器接收，送入所述光聲成像 子系統(tǒng)中的信號放大器；(2) X射線源產(chǎn)生X射線進入成像腔，透過載物臺上的樣品，衰減后的X光被成像腔底部 的光電轉(zhuǎn)換器接收；接收的信號經(jīng)所述X光成像子系統(tǒng)中的信號放大器放大和A/D轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換；(3) 采集步驟(1)得到的放大的光聲信號數(shù)據(jù)和步驟(2)得到的A/D轉(zhuǎn)換后的信號，通 過數(shù)據(jù)處理軟件處理，得到光聲與X光檢測雙模態(tài)圖像。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的成像方法，其特征在于所述的采集采用基于LABVIEW控制平臺的多通道并行實時采集系統(tǒng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的成像方法，其特征在于所述的處理是指通過MATLAB程序?qū)饴暡捎眯〗嵌葹V波反投影算法，X光采用直線投影算法，進行圖像重建，融合兩種模態(tài)的數(shù)據(jù)，從而得到待測部位的光聲與X光檢測雙模態(tài)圖像。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光聲與X光檢測雙模態(tài)數(shù)字化成像系統(tǒng)及成像方法。本發(fā)明所述的光聲與X光檢測雙模態(tài)數(shù)字化成像系統(tǒng)包含光聲成像子系統(tǒng)、X光檢測子系統(tǒng)以及計算機；光聲成像子系統(tǒng)與X光檢測子系統(tǒng)通過共同的成像腔集成于一體；計算機處理采集到的光聲成像和X光檢測子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，融合光聲和X光檢測信息，重建出帶有光聲與X光檢測雙重信息的圖像。本發(fā)明利用高分辨率的X成像獲取組織的結(jié)構(gòu)信息；利用光聲成像的高光譜選擇性的獲取組織的功能信息，實現(xiàn)雙模態(tài)數(shù)字化成像，克服了現(xiàn)有單一成像模態(tài)的缺點與不足，結(jié)合了光聲成像和X光檢測成像的優(yōu)點，得到原理上互補的、定位準(zhǔn)確及分辨率高的成像系統(tǒng)，造價較為低廉，易于推廣。
文檔編號A61B5/00GK101785663SQ201010119718
公開日2010年7月28日 申請日期2010年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月9日
發(fā)明者向良忠, 邢達(dá) 申請人:華南師范大學(xué)