一种光声与X光检测双模态数字化成像系统及成像方法

摘要

本发明公开了一种光声与X光检测双模态数字化成像系统及成像方法。本发明所述的光声与X光检测双模态数字化成像系统包含光声成像子系统、X光检测子系统以及计算机；光声成像子系统与X光检测子系统通过共同的成像腔集成于一体；计算机处理采集到的光声成像和X光检测子系统的数据，融合光声和X光检测信息，重建出带有光声与X光检测双重信息的图像。本发明利用高分辨率的X成像获取组织的结构信息；利用光声成像的高光谱选择性的获取组织的功能信息，实现双模态数字化成像，克服了现有单一成像模态的缺点与不足，结合了光声成像和X光检测成像的优点，得到原理上互补的、定位准确及分辨率高的成像系统，造价较为低廉，易于推广。

权利要求

1.一种光声与X光检测双模态数字化成像系统，其特征在于：所述的系统包含光声成像子系统、X光检测子系统以及计算机；光声成像子系统与X光检测子系统通过共同的成像腔集成于一体；计算机处理采集到的光声成像和X光检测子系统的数据，融合光声和X光检测信息，重建出带有光声与X光检测双重信息的图像；

所述光声成像子系统包含激光器、光声探测器和信号放大器；激光器、光声探测器和信号放大器依次连接；

所述的X光成像子系统含有X射线源、光电转换器CMOS、信号放大器和A/D转换器；X射线源、光电转换器CMOS、信号放大器和A/D转换器依次连接；

所述的成像腔含有载物台、光声探测器和光电转换器，光电转换器位于载物台的下方，光声探测器设置在载物台上；

所述光声成像子系统中的激光器和所述X光成像子系统中的X射线源位于所述成像腔的上方，与所述光电转换器分别居于所述载物台的两端。

2.根据权利要求1所述的光声与X光检测双模态数字化成像系统，其特征在于：所述的激光器输出脉冲激光的波长为400～2500nm。

3.根据权利要求1所述的光声与X光检测双模态数字化成像系统，其特征在于：所述的光声探测器为均匀分布在同一圆周上的3个以上多元阵列探测器，每个阵列探测器的主频为20KHz～100MHz，阵元数为64，128或256。

4.根据权利要求1所述的光声与X光检测双模态数字化成像系统，其特征在于：所述X射线源的工作电流为0.5mA～1mA，电压为5～45kVp可调。

5.根据权利要求1所述的光声与X光检测双模态数字化成像系统，其特征在于：所述的载物台包含有机玻璃材质的透明水槽，透明塑料薄膜和小动物实验台；透明塑料薄膜将位于透明水槽底部的空洞密封，小动物实验台通过螺旋与透明水槽底部连接；

所述的光声探测器为3个以上多元阵列探测器，固定在透明水槽壁上，均匀分布在同一圆周上。

6.根据权利要求1所述的光声与X光检测双模态数字化成像系统，其特征在于：所述的光电转换器为主动面阵光电转换器件。

7.根据权利要求1所述的光声与X光检测双模态数字化成像系统，其特征在于：所述的计算机含有高速数据采集卡、控制软件和图像重建软件。

8.权利要求1～7任一项所述光声与X光检测双模态数字化成像系统的成像方法，其特征在于包括以下步骤：(1)激光器发出脉冲激光，进入成像腔中聚焦到载物台上的样品区域；脉冲激光激发产生的光声信号经过装在载物台中的声耦合液，通过光声探测器接收，送入所述光声成像子系统中的信号放大器；

(2)X射线源产生X射线进入成像腔，透过载物台上的样品，衰减后的X光被成像腔底部的光电转换器接收；接收的信号经所述X光成像子系统中的信号放大器放大和A/D转换器转换；

(3)采集步骤(1)得到的放大的光声信号数据和步骤(2)得到的A/D转换后的信号，通过数据处理软件处理，得到光声与X光检测双模态图像。

9.根据权利要求8所述的成像方法，其特征在于：所述的采集采用基于LABVIEW控制平台的多通道并行实时采集系统。

10.根据权利要求8所述的成像方法，其特征在于：所述的处理是指通过MATLAB程序对光声采用小角度滤波反投影算法，X光采用直线投影算法，进行图像重建，融合两种模态的数据，从而得到待测部位的光声与X光检测双模态图像。

说明书

技术领域

本发明涉及一种多模态成像方法，特别涉及一种光声与X光检测双模态数字化成像系统及成像方法，属于激光、X射线、电子以及图像重建在医学应用的综合技术领域。

背景技术

成像技术和手段的发展使得医学和药物研究可以在生物机体理各层面上观察结构和活动的过程。其目标瞄向了通过结构和功能成像来研究生物机制和疾病诊断及治疗方法。单一成像模态往往无法同时提供组织的结构与功能信息成像系统，但由于每一种成像模态都有基于特定物质波和人体相互作用的规律，且这些规律不同；基于这些不同规律研制的成像技术和设备观测人体时得到的人体的信息也就不完全相同。因此，多模态成像可同时提供组织的结构和功能信息，是目前生物医学成像的发展趋势。
X光成像利用其在组织穿透过程中受到的吸收即衰减差异，能得到一般可见光不能穿透的各种不同密度物质的影像，可提供高分辨率的组织结构信息。数字化X光成像(Digital Radiography imaging)克服了传统X光成像使用胶片的缺点，成像分辨率高，对比度好。
光声成像(Photoacoustic imaging)是基于光声效应的新型无损医学成像方法。当脉冲激光照射到生物组织中时，组织吸收光能量引起温升，温升导致热膨胀而产生光声信号。生物组织的光声信号携带了组织的光吸收特征信息，通过测量光声信号能重建出组织中的光吸收分布图像。由于激发光的光谱选择性，可通过多波长实现反映组织生理和代谢活动的功能成像。
因此，利用高分辨的X光图像可以实现组织的精确定位；光声成像可提供光谱选择性的组织生理和病理改变的功能信息。因此，对于如何实现集成X光与光声双模态的成像方法于同一个系统，有效利用两种成像模态优势互补的特性，对于同时研究组织结构、功能变化有着非常重要的现实意义。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的单一成像模态的缺点与不足，提供一种光声与X光检测双模态数字化成像的系统。所述的系统通过共同的成像腔和特有的机械结构布局集成一体，可同时实现光声与X光检测双模态数字化成像。
本发明的另一目的在于提供所述系统的成像方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种光声与X光检测双模态数字化成像系统，包含光声成像子系统、X光检测子系统以及计算机；光声成像子系统与X光检测子系统通过共同的成像腔集成于一体；计算机处理采集到的光声成像子系统和X光检测子系统的数据，得到带有光声与X光检测双重信息的图像；
所述光声成像子系统包含激光器、光声探测器和信号放大器；激光器、光声探测器和信号放大器依次连接；激光器作为光声激发光源产生脉冲激光，进入成像腔中聚焦到载物台上的样品区域；脉冲激光激发产生的光声信号经过声耦合液，通过光声探测器接收，送入信号放大器，通过高速数据采集卡采集，采集的信号储存到计算机缓存中等待图像重建软件进行图像重建，其中：
激光器位于成像腔的上方，输出脉冲激光的波长为400～2500nm；
光声探测器为均匀分布在同一圆周上的3个以上多元阵列探测器，每个阵列探测器的主频为20KHz～100MHz，阵元数为64，128或256；
所述的X光成像子系统含有X射线源、光电转换器CMOS、信号放大器和A/D转换器；X射线源、光电转换器CMOS、信号放大器和A/D转换器依次连接；X射线源产生X射线进入成像腔，透过载物台上的样品，衰减后的X光被成像腔底部的光电转换器CMOS接收；接收的信号经信号放大器、A/D转换器转换后输入计算机中等待图像重建软件进行图像重建，其中：
X射线源位于成像腔的上方，工作电流为0.5mA～1mA，电压为5～45kVp可调；
光电转换器CMOS位于成像腔的底部，采用主动面阵CMOS光电转换器件，灵敏度高、像素量大(1兆～15兆)，噪声低；
所述的成像腔含有载物台、光声探测器和光电转换器，其中：
载物台包含有机玻璃材质的透明水槽，透明塑料薄膜和小动物实验台；透明塑料薄膜将位于透明水槽底部的空洞密封，小动物实验台通过螺旋与透明水槽底部连接，通过螺旋可调节动物在成像腔中的高度；
光声探测器为3个以上的多元阵列探测器，固定在透明水槽壁，均匀分布在同一圆周上；探测的光声信号经放大器放大后，采集并储存到计算机缓存中；激光光源产生的脉冲激光进入成像腔并入射到载物台上的样品，激发产生的光声信号被光声探测器接收；每个阵列探测器的主频为20KHz～100MHz，阵元数为64，128或256；
光电转换器位于小动物实验台的下方；X射线源产生X射线透过载物台上的样品，衰减后的X射线被光电转换器CMOS接收；
所述的透明水槽装有声耦合液；脉冲激光激发产生的光声信号通过透明玻璃水槽，与其中的声耦合液耦合，进入光声阵列探测器；
所述的声耦合液为水；
所述的计算机含有高速数据采集卡、基于LABVIEW软件平台的控制软件和MATLAB平台的图像重建软件；
所述的采集采用基于LABVIEW控制平台的多通道并行实时采集系统，其作用是将模拟信号转换为数字信号；
所述的处理是指通过MATLAB程序对光声采用小角度滤波反投影算法，X光采用直线投影算法，进行图像重建，融合两种模态的数据，从而得到待测部位的光声与X光检测双模态图像。
上述光声与X光检测双模态数字化成像系统的成像方法包括以下步骤：
(1)激光器发出脉冲激光，进入成像腔中聚焦到载物台上的样品区域；脉冲激光激发产生的光声信号经过声耦合液，通过光声探测器接收，信号放大器放大；
(2)X射线源产生X射线进入成像腔，透过载物台上的样品，衰减后的X光被成像腔底部的光电转换器CMOS接收；接收的信号经信号放大器放大，再由A/D转换器转换；
(3)采集步骤(1)得到的放大的光声信号数据和步骤(2)得到的A/D转换后的信号，通过数据处理软件处理，得到光声与X光检测双模态图像。
所述的数据处理软件为MATLAB程序；
所述的采集采用基于LABVIEW控制平台的多通道并行实时采集系统，其作用是将模拟信号转换为数字信号；
所述的处理是指通过MATLAB程序对光声采用小角度滤波反投影算法，X光采用直线投影算法，进行图像重建，融合两种模态的数据，从而得到待测部位的光声与X光检测双模态图像。
本发明并不直接用于疾病的诊断和治疗，只是为组织结构和功能活动参数改变提供提供检测数据；而且，本发明不仅限于此，本发明还可用于其他工业和生产中的无损检测等。
本发明利用高分辨率的X成像获取组织的结构信息；利用光声成像的高光谱选择性的获取组织的功能信息，实现双模态数字化成像。所述光声成像与数字化X光检测系统通过共同的成像腔和特有的机械结构布局集成一体，可同时实现光声与X光检测双模态数字化成像。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明中，X光成像可获取高分辨率的组织结构信息；光声成像的高光谱选择性可获取组织功能信息，因此可实现信息上互补的数字化双模态成像，有效克服了单一成像模态信息不足的缺点。
(2)本发明在结构上，有机的将光声成像和X光成像集成到一个系统，可同步进行光声成像和荧光检测，使用方便。
(3)本发明集光声成像和X光检测于一体的关键部件是成像腔，共同空间定位结构，有利于双模态成像的信息融合和图像重建定位。
(4)本发明的各组件的造价较低，所以整体装置的造价亦相对较低，没有特殊限制，应用广泛。

附图说明

图1是本发明的框架图。
图2是本发明的结构图。
图3是本发明所述的成像腔的示意图。
图4是实施例2利用图1所示系统得到了光声与X光检测图像：
(a)是单一的X光检测图像；
(b)是单一的光声图像；
(c)是光声与X光检测融合图像。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
图1为本发明所述光声与X光检测双模态数字化成像的系统的框架图。
图2是本发明的结构图，包含光声成像子系统、X光检测子系统以及计算机；光声成像子系统与X光检测子系统通过共同的成像腔集成于一体；采用基于LABVIEW控制平台的多通道并行实时采集系统，采集光声信号和X射线信号，计算机处理光声成像和X光检测子系统的数据，利用基于MATLAB软件平台的光声小角度滤波反投影算法和X光直线投影算法，融合光声和X光检测信息，重建出带有光声与X光检测双重信息的图像。
光声成像的过程为(如图2和图3所示)：位于成像腔上方的激光器1-1作为光声激发光源产生脉冲激光(激光器产生的激光脉冲触发采集卡同步采集光声信号)，进入成像腔4中激发产生的光声信号，通过光声探测器1-2接收，送入信号放大器1-3，通过可位于计算机外部也可位于计算机内部的高速数据采集卡1-4，进入计算机3，利用基于Matlab软件平台的光声小角度滤波反投影算法图像重建软件进行图像重建。其中，激光器1-1选用Nd:YAG泵浦的OPO激光器(Vibrant 532I，Opotek，Carlsbad，Calif.)，输出激光波长为532nm，690～960nm，脉宽为10ns，重复频率是10Hz。光声探测器1-2为多元阵列探测器EZU-PL21(Hitachi，Japan)，由320个振元组成并被分割成64个振群，每5个振元组成一个振群。它的中心频率为3.5MHz，扫描宽度为102mm。高速数据采集卡1-4选用Gage Applied公司的Compuscope 12100型高速数据采集卡(DAS-CARD)，采用外部触发方式，采样速率可达100MHz；采集控制程序用LABVIEW软件实现，数字图形信号处理用MATLAB软件实现。成像时利用小角度滤波反投影得到光声二维图像。
X光成像的过程为(如图2和图3所示)：位于成像腔上方的X射线源2-1产生X射线进入到成像腔4，透过载物台上的小动物样品，衰减后的X光被成像腔底部的光电转换器(CMOS)2-2接收；接收的信号经信号放大器2-3、A/D转换器2-4转换后输入到带有图像重建和扫描控制软件的计算机3。其中，X射线源工作电流为0.5mA-1mA，电压为5-45kVp可调。光电转换器CMOS，采用主动面阵CMOS光电转换器件，它具有灵敏度高，分辨率高，像素量大(1024*1024)，噪声低等优点。
图3是实施例1所述本发明光声与X光检测双模态成像系统集成的关键部件——成像腔示意图。
成像腔4成像腔含有载物台、光声探测器及光电转换器。X射线源2-1产生X射线进入成像腔透过载物台上的样品，衰减后的X射线被光电转换器(CMOS)2-2接收。激光器1-1产生的脉冲激光进入成像腔并入射到载物台上的样品，激发产生的光声信号被光声探测器1-2接收。载物台，包含透明玻璃水槽4-1，透明塑料薄膜4-2和小动物实验台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，小动物实验台4-3通过螺旋与玻璃水槽底部连接，通过螺旋可调节动物在成像腔中的高度；透明玻璃水槽4-1装有声耦合液4-4，脉冲激光激发产生的光声信号通过透明玻璃水槽4-1，与其中的声耦合液4-4耦合，进入光声探测器；光声探测器为3个以上的多元阵列探测器，固定在玻璃水槽壁，均匀分布在同一圆周上；探测的光声信号经放大器放大后，采集并储存到计算机缓存中。
实施例2
应用实施例1所述的系统进行模拟样品的光声与X光检测双成像。试验样品为一个带有移植肿瘤的Balb/c小鼠。实验中Balb/c小鼠被麻醉后，放置在小动物实验台4-3上。透明玻璃水槽内充满水4-4，作为光声信号的耦合液。激光器1-1输出激光波长为532nm，脉宽为10ns，重复频率是10Hz，进入成像腔4中并入射到载物台的样品上；脉冲激光激发产生的光声信号通过光声探测器1-2接收，送入信号放大器1-3，通过高速数据采集卡1-4采集，采集的信号在计算机3内部利用通过MATLAB程序对光声采用小角度滤波反投影算法进行图像重建，可得到如图4(b)所示的光声图像。图4(b)给出了小鼠肿瘤部位高对比度的光声横向层析图像。X光检测成像时，X射线源2-1产生X射线进入成像腔4，透过载物台上的样品，衰减后的X光被成像腔底部的光电转换器CMOS(2-2)接收；接收的信号经信号放大器2-3、A/D转换器2-4转换后输入到带有图像重建和扫描控制软件的计算机3，可得到如图4(a)所示X光图像，可得到高分辨率的小鼠骨架等结构信息。利用计算机3通过利用基于Matlab软件平台的光声小角度滤波反投影算法和X光直线投影算法分别重建出光声和X光检测图像，通过图像融合处理可在同一图像中同时得到光声与X光检测双模态的图像(如图4(c)所示)，从而得到组织信息更丰富，更全面。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。