本发明公开了一种结合滑环的光声计算层析成像系统及其成像方法。本发明将滑环引入光声计算层析成像系统，滑环包括外侧的动子和内部的定子，二者同轴；定子固定在机架上，并且在定子的中心具有通孔；动子的一底面固定于电动旋转台，另一底面固定圆环，圆环与滑环同轴；N个超声换能器均匀地安装在圆环上；这样超声换能器扫描一层需要旋转的角度为360°/N；并且旋转时不会出现信号线盘绕的情况，从而相对单个超声换能器探测缩短了探测时间；滑环的成本较为低廉，装配滑环和多个超声换能器的系统的价格也远低于超声换能器阵列，从而降低系统的成本。
1.一种光声计算层析成像系统，其特征在于，所述成像系统包括：多个超声换能器、圆环、滑环、电动旋转台、机架、激光器、扩束器、圆锥镜体、检查台、透声反光镜、水槽和计算机；其中，所述滑环包括外侧的动子和内部的定子，二者同轴；定子固定在机架上，并且在定子的中心具有通孔；动子的一底面固定于电动旋转台，另一底面固定圆环，圆环与滑环同轴；所述多个超声换能器均匀地安装在圆环上；所述检查台放置在透声反光镜的中央，与超声换能器一起放置在水槽内；所述激光器发出脉冲激光，经扩束器扩束后竖直入射到圆锥镜体，经反射形成半径沿传播方向随传播距离不断增大的圆环状光束，经透声反光镜反射，在水平面内聚光照射至放置在检查台上的待测体上，产生超声波，经透声反光镜透射，超声换能器接收超声波，将声信号转换为电信号，电信号经前置放大器放大后通过滑环，随后经次级放大器放大、数据采集卡信号数字化后传输至计算机，电动旋转台带动滑环的动子旋转，从而实现超声换能器围绕系统的中心轴旋转扫描。
2.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，进一步包括电动平移台，所述检查台安装在沿轴向平移的电动平移台上。
3.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述成像系统采用倒置的形式，激光器在下发出脉冲激光，光路从下至上经过待测体，超声换能器在上接收超声波。
4.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述圆环上装配多个不同频率的超声换能器。
5.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述动子的底面半径是定子半径的2～4倍；动子的两个底面半径相等。
6.一种如权利要求1所述的光声计算层析成像系统的成像方法，其特征在于，所述成像方法包括以下步骤：
1)激光器发出脉冲激光，经扩束器扩束后竖直入射到圆锥镜体，经反射形成半径沿传播方向随传播距离不断增大的圆环状光束，圆环状光束经透声反光镜反射，在水平面内聚光照射至放置在检查台上的待测体上，待测体接受水平面内聚光照射后产生超声波，经透声反光镜透射，超声波被超声换能器接收后转换为电信号，电信号经过前置放大器放大后通过滑环，再经次级放大器放大后传输至采集卡，转换成数字信息后存储至计算机；
2)电动旋转台匀速率连续旋转，带动多个超声换能器旋转，重复步骤1)，直至旋转台旋转360°/N完成对待测体的一次360°完整扫描，其中，超声换能器的个数为N，N为大于2的自然数；
3)完成对待测体的一次360°扫描后，z轴方向的电动平移台带动装有待测体的检查台进行z轴方向移动，从而完成三维成像；
4)采样结束后，利用计算机把所有换能器采集的同一断层的数据按照滑环旋转的方向依次拼接，并逐一断层使用延迟-叠加重建算法重建出断层图像，最后把各断层图像堆叠成三维图像。
7.如权利要求6所述的成像方法，其特征在于，更换不同频率的超声换能器安装在圆环上，低频超声换能器探测生物内部器官的宏观形态，高频超声换能器得到内部脏器的精细结构，从而进行多尺度的成像。
一种结合滑环的光声计算层析成像系统及其成像方法
技术领域
[0001] 本发明涉及光声计算层析成像技术，具体涉及一种结合滑环的光声计算层析成像系统及其成像方法。
背景技术
[0002] 光声层析成像(Photoacoustic Tomography)PAT是一种基于光声效应的层析成像技术。该成像技术具有无创性，并结合了光学成像的高对比度和超声成像的高分辨率特性，能在较深层组织中获得较高分辨率的图像。
[0003] 围绕物体进行环形探测是光声层析成像的重要实现方式，在小动物成像、关节成像和乳腺成像上都广泛使用。目前的环形探测系统主要包括两种形式：少数单超声换能器环形旋转探测，以及超声换能器阵列探测。前者需要相对较长的时间，而且随着探头数目增加旋转时容易出现信号线盘绕的情况；后者只需少量或无需旋转扫描，大大缩短了成像所需时间，但成本远高于前者。
发明内容
[0004] 为了克服以上现有技术中存在的问题，本发明将滑环引入到光声计算层析成像系统，形成了结合滑环的光声计算层析成像系统及其成像方法。
[0005] 本发明的一个目的在于提供一种结合滑环的光声计算层析成像系统。
[0006] 本发明的光声计算层析成像系统包括：多个超声换能器、圆环、滑环、电动旋转台、机架、激光器、扩束器、圆锥镜体、检查台、透声反光镜、水槽和计算机；其中，滑环包括外侧的动子和内部的定子，二者同轴；定子固定在机架上，并且在定子的中心具有通孔；动子的一底面固定于电动旋转台，另一底面固定圆环，圆环与滑环同轴；多个超声换能器均匀地安装在圆环上；检查台放置在透声反光镜的中央，与超声换能器一起放置在水槽内；激光器发出脉冲激光，经扩束器扩束后竖直入射到圆锥镜体，经反射形成半径沿传播方向随传播距离不断增大的圆环状光束，经透声反光镜反射，在水平面内聚光照射至放置在检查台上的待测体上，产生超声波，经透声反光镜透射，超声换能器接收超声波，将声信号转换为电信号，电信号经前置放大器放大后通过滑环，随后经次级放大器放大、数据采集卡信号数字化后传输至计算机，电动旋转台带动滑环的动子旋转，从而实现超声换能器围绕系统的中心轴旋转扫描。
[0007] 本发明引入滑环，并对滑环进行改进，内侧为定子，外侧为动子，并把动子的底面半径加大，动子的底面半径是定子半径的2～4倍，超声换能器固定在滑环外侧的动子上，从而获得更大的成像范围。现有技术中，滑环的装配底面为水平朝向，级轴向为水平方向，而本发明中滑环采用装配底面朝下的摆放，即滑环的轴向沿竖直方向，方便超声换能器由上而下地固定，有利于动子与超声换能器和电动旋转台固定。滑环中心处设置有通孔，方便待测体自由穿过滑环。
[0008] 在滑环外侧的动子上，通过圆环均匀地固定多个超声换能器，超声换能器的个数为N，N为大于2的自然数，相邻的两个超声换能器之间的夹角为360°/N，超声换能器扫描一层需要旋转的角度为360°/N；并且旋转时不会出现信号线盘绕的情况，从而相对单个超声换能器探测缩短了探测时间；滑环的成本较为低廉，装配滑环和多个超声换能器的系统的价格也远低于超声换能器阵列，从而降低系统的研发成本。超声换能器统一固定于圆环，随后把圆环装配到滑环上，这样便可在系统外把所有超声换能器对准中心轴，简化了系统的校准难度。
[0009] 滑环上不仅可以装配多个超声换能器，而且能够替换不同频率的超声换能器，低频超声换能器可探测生物内部器官的宏观形态，高频超声换能器可得到内部脏器的精细结构，从而进行多尺度的成像。多个超声器可以采用相同的频率，也可以分别采用不同的频率。
[0010] 进一步配合轴向的电动平移台带动检查台，将检查台安装在可沿轴向平移的电动平移台上，该系统便能进行三维成像。
[0011] 本发明将整个成像系统采用“倒置”的形式，激光器在下发出脉冲激光，光路从下至上经过待测体，超声换能器在上接收超声波。激光经过凹透镜与凸透镜组成的扩束器后，光束直径扩大了一倍，从而减少系统调节不够完美而导致的光照不均所带来的影响；扩束后的激光束竖直入射到圆锥镜体，经反射形成半径沿传播方向随传播距离不断增大的圆环状光束，经透声反光镜反射，在水平面内聚光照射至放置在检查台上的待测体上，产生超声波，经透声反光镜透射，N个相互间隔360°/N的超声换能器接收透射的超声波，将声信号转换为电信号，随后电信号经前置放大器放大后通过滑环，再经次级放大器放大后传输至采集卡，转换成数字信息后存储至计算机；电动旋转台带动滑环旋转360°/N完成对待测体的360°的完整扫描采样；系统的z轴方向装配电动平移台，在完成一次360°扫描后带动装有待测体的检查台进行z轴方向移动，从而完成三维成像；采样结束后，利用计算机把所有换能器采集的同一断层的数据按照滑环旋转的方向依次拼接，并逐一断层使用延迟-叠加重建算法重建出断层图像，最后把各断层图像堆叠成三维图像。
[0012] 本发明的另一个目的在于提供一种结合滑环的光声计算层析成像方法。
[0013] 本发明的光声计算层析成像方法，包括以下步骤：
[0014] 1)激光器发出脉冲激光，经扩束器扩束后竖直入射到圆锥镜体，经反射形成半径沿传播方向随传播距离不断增大的圆环状光束，圆环状光束经透声反光镜反射，在水平面内聚光照射至放置在检查台上的待测体上，待测体接受水平面内聚光照射后产生超声波，经透声反光镜透射，超声波被超声换能器接收后转换为电信号，电信号经过前置放大器放大后通过滑环，再经次级放大器放大后传输至采集卡，转换成数字信息后存储至计算机；
[0015] 2)电动旋转台匀速率连续旋转，带动多个超声换能器旋转，重复步骤1)，直至旋转台旋转360°/N完成对待测体的一次360°完整扫描，其中，超声换能器的个数为N，N为自然数，旋转速率越大，采集数据越少，耗时越短；
[0016] 3)完成对待测体的一次360°扫描后，z轴方向的电动平移台带动装有待测体的检查台进行z轴方向移动，从而完成三维成像；
[0017] 4)采样结束后，利用计算机把所有换能器采集的同一断层的数据按照滑环旋转的方向依次拼接，并逐一断层使用延迟-叠加重建算法重建出断层图像，最后把各断层图像堆叠成三维图像。
[0018] 进一步，更换不同频率的超声换能器安装在滑环上，低频超声换能器可探测生物内部器官的宏观形态，高频超声换能器可得到内部脏器的精细结构，从而进行多尺度的成像。
[0019] 本发明的优点：
[0020] 本发明将滑环引入光声计算层析成像系统，滑环内侧为定子，外侧为动子由电动旋转台带动旋转，N个超声换能器通过圆环均匀地安装在外侧的动子上，这样超声换能器扫描一层需要旋转的角度为360°/N；并且旋转时不会出现信号线盘绕的情况，从而相对单个超声换能器探测缩短了探测时间；滑环的成本较为低廉，装配滑环和多个超声换能器的系统的价格也远低于超声换能器阵列，从而降低系统的研发成本。
附图说明
[0021] 图1为本发明的光声计算层析成像系统的示意图；
[0022] 图2为本发明的光声计算层析成像系统的滑环的示意图。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
[0024] 如图1所示，本实施例的光声计算层析成像系统包括：4个超声换能器1、圆环2、滑环3、电动旋转台4、机架、激光器5、扩束器、圆锥镜体7、检查台8、透声反光镜9、水槽10和计算机；其中，如图2所示，滑环3包括外侧的动子32和内部的定子31，二者同轴；定子32固定在机架上，并且在定子的中心具有通孔；动子32的一底面固定于电动旋转台，另一底面固定圆环2；多个超声换能器1均匀地安装在圆环2上；检查台8放置在透声反光镜9的中央，与超声换能器1一起放置在水槽10内；激光器5发出脉冲激光经棱镜反射，经由凹透镜62和凸透镜62组成的扩束器扩束后竖直入射到圆锥镜7，经反射形成半径沿传播方向随传播距离不断增大的圆环状光束，经透声反光镜9反射，在水平面内聚光照射至放置在检查台8上的待测体上，产生超声波，经透声反光镜透射，超声换能器1接收超声波，将声信号转换为电信号，电信号经前置放大器放大后通过滑环，随后经次级放大器放大、数据采集卡信号数字化后传输至计算机。电动旋转台带动多个超声换能器在xy平面旋转，配合z方向的电动平移台带动检查台，该系统便能进行三维成像。根据不同的成像要求，超声换能器可采用多种类型，中心频率在1MHz、5MHz和10MHz中选择。动子的底面半径是100mm，定子半径是40mm。
[0025] 本实施例的光声计算层析成像方法，包括以下步骤：
[0026] 1)激光器5发出脉冲激光经棱镜反射，经由凹透镜62和凸透镜62组成的扩束器扩束后竖直入射到圆锥镜7，经反射形成半径沿传播方向随传播距离不断增大的圆环状光束，圆环状光束经透声反光镜9反射，在水平面内聚光照射至放置在检查台8上的待测体上，待测体接受水平面内聚光照射后产生超声波，经透声反光镜9透射，超声波被超声换能器1接收并转换为电信号，电信号经过前置放大器放大后通过滑环，再经次级放大器放大后传输至采集卡，转换成数字信息后存储至计算机；
[0027] 2)电动旋转台4连续旋转，转速2°/s，带动N超声换能器旋转，重复步骤1)，直至旋转台完成360°/N旋转；
[0028] 3)完成一次360°扫描后，z轴方向的电动平移台带动装有待测体的检查台进行z轴方向移动，从而完成三维成像；
[0029] 4)采样结束后，利用计算机把所有换能器采集的同一断层的数据按照滑环旋转的方向依次拼接，并逐一断层使用延迟-叠加重建算法重建出断层图像，最后把各断层图像堆叠成三维图像。
[0030] 最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
