專利名稱：一種快速光聲三維成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種快速光聲三維成像裝置。
背景技術(shù)：
光聲成像技術(shù)是一種新型的無損醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，它以短脈沖激光作為激勵源，以檢測到待測生物組織的超聲信號并將超聲信號作為信息載體，通過相應(yīng)的圖像重建算法重建組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能信息。目前的光聲三維成像裝置多為陣列探測器，采用機械掃描和電子掃描相結(jié)合的方式對待測生物組織進行掃描。具體的，目前的光聲三維成像裝置在二維XY平面內(nèi)采用旋轉(zhuǎn)掃描模式采集光聲信號，根據(jù)濾波反投影等重建算法重建出二維光聲圖像，然后使用步進電機在)(Z平面內(nèi)移動，不同層的光聲二維圖像通過三維重建就可得到光聲三維成像。但由于這種光聲三維成像裝置需要使用步進電機驅(qū)動的方式進行掃描，因此成像速度慢。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種快速光聲三維成像裝置，以解決現(xiàn)有光聲三維成像裝置成像速度慢的缺點，技術(shù)方案如下一種快速光聲三維成像裝置，包括激光生成裝置、光學(xué)掩膜、可編程邏輯陣列模塊、光聲信號接收裝置、光聲信號處理裝置和三維圖像重建模塊，所述激光生成裝置，用于生成激光束并通過所述光學(xué)掩膜照射在被測物體上；所述可編程邏輯陣列模塊，用于產(chǎn)生隨機矩陣并使用所述隨機矩陣控制所述光學(xué)掩膜中各微鏡片的通斷；所述光聲信號接收裝置，用于接收激光束通過所述光學(xué)掩膜后照射在被測物體上生成的光聲信號；所述光聲信號處理裝置，用于對所述光聲信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換并采集所生成的數(shù)字信號；所述三維圖像重建模塊，用于利用基于壓縮感知的重建算法對所述數(shù)字信號進行計算處理，重建所述被測物體的三維圖像。優(yōu)選的，所述光聲信號處理裝置包括時間增益補償放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、濾波電路和采樣電路，所述時間增益補償放大電路，用于對所述光聲信號接收裝置接收到的光聲信號進行放大；所述濾波電路，用于對放大后的光聲信號進行濾波處理；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，用于對濾波后的光聲信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，生成數(shù)字信號；所述采樣電路，用于采集所生成的數(shù)字信號。優(yōu)選的，本發(fā)明的一種快速光聲三維成像裝置，還包括設(shè)置在所述激光生成裝置的激光發(fā)射側(cè)的擴束鏡。優(yōu)選的，本發(fā)明的一種快速光聲三維成像裝置，還包括依次設(shè)置在所述擴束鏡和所述光學(xué)掩膜之間的凹透鏡和凸透鏡。優(yōu)選的，本發(fā)明的一種快速光聲三維成像裝置，還包括設(shè)置在所述擴束鏡和所述凹透鏡之間的反射鏡。優(yōu)選的，本發(fā)明的一種快速光聲三維成像裝置，還包括設(shè)置在所述凸透鏡和所述光學(xué)掩膜之間的毛玻璃。優(yōu)選的，本發(fā)明的一種快速光聲三維成像裝置，還包括數(shù)據(jù)傳輸電路，用于傳輸所述三維圖像。優(yōu)選的，所述光聲信號接收裝置包括多元陣列超聲探頭。優(yōu)選的，所述激光生成裝置為脈沖激光器。優(yōu)選的，所述光聲信號接收裝置還包括探頭定位裝置，用于定位所述多元陣列超聲探頭。優(yōu)選的，所述多元陣列超聲探頭中陣元的掃描方向與所述激光束的入射方向垂直。通過應(yīng)用以上技術(shù)方案，本發(fā)明提供的一種快速光聲三維成像裝置能夠通過可編程邏輯陣列模塊，控制光學(xué)掩膜中各微鏡片的通斷，進而控制激光束通過光學(xué)掩膜照射在被測物體上的區(qū)域，以產(chǎn)生光聲信號并重建為三維圖像。由于光學(xué)掩膜中各微鏡片的通斷變化極為迅速，因此本發(fā)明可以快速改變激光束照射在被測物體上的區(qū)域，進而能夠在極短的時間內(nèi)接收到足夠的光聲信號并重建為三維圖像，解決了現(xiàn)有光聲三維成像裝置成像速度慢的問題。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明中記載的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下， 還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明實施例提供的一種快速光聲三維成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例提供的一種光學(xué)掩膜的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實施例提供的光聲信號坐標轉(zhuǎn)換的示意圖；圖4為本發(fā)明實施例提供的另一種快速光聲三維成像裝置中光聲信號處理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明實施例提供的另一種快速光聲三維成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應(yīng)當屬于本發(fā)明保護的范圍。如圖1所示，本發(fā)明實施例提供了一種快速光聲三維成像裝置，包括激光生成裝置100、光學(xué)掩膜200、可編程邏輯陣列模塊300、光聲信號接收裝置400、光聲信號處理裝置 500和三維圖像重建模塊600，激光生成裝置100，用于生成激光束并通過光學(xué)掩膜200照射在被測物體上；其中，激光生成裝置100可以為脈沖激光器，如倍頻的Q-Switched Nd:YAG脈沖激光器，波長為532nm，脈沖寬度為7ns，重復(fù)頻率是20Hz。光學(xué)掩膜200可以采用數(shù)字微鏡裝置(Digital Micromirror Device, DMD)?？删幊踢壿嬯嚵心K300，用于產(chǎn)生隨機矩陣并使用隨機矩陣控制光學(xué)掩膜200 中各微鏡片的通斷；在實際應(yīng)用中，可編程邏輯陣列模塊300可以在很短的時間內(nèi)快速生成大量隨機矩陣，以使光聲信號接收裝置400接收到足夠多的被測物體上發(fā)出的光聲信號。其中，光學(xué)掩膜200中的多個微鏡片都可以獨立的通斷。在實際應(yīng)用中，可編程邏輯陣列模塊300產(chǎn)生的隨機矩陣中的數(shù)據(jù)元可以和光學(xué)掩膜200中的各個微鏡片進行一一對應(yīng)。例如光學(xué)掩膜200為圖2所示的結(jié)構(gòu)，包括第一微鏡片001、第二微鏡片002、第三微鏡片003和第四微鏡片004。相應(yīng)的，可編程邏輯陣列模塊300產(chǎn)生的隨機矩陣也可以為兩行兩列的矩陣，包括四個數(shù)據(jù)元 具體的一一對應(yīng)方式有多種，最簡單的對應(yīng)方式為An與第一微鏡片001對應(yīng)、A12 與第二微鏡片002對應(yīng)、A21與第三微鏡片003對應(yīng)、A22與第四微鏡片004對應(yīng)。由于可編程邏輯陣列模塊300產(chǎn)生的是隨機矩陣，因此每個數(shù)據(jù)元的取值并不確定，可以為1或0。 如產(chǎn)生的隨機矩陣為則光學(xué)掩膜200中與該矩陣中數(shù)據(jù)元對應(yīng)的各個微鏡片的通斷情況為第一微鏡片001不導(dǎo)通、第二微鏡片002導(dǎo)通、第三微鏡片003導(dǎo)通、第四微鏡片004不導(dǎo)通。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，當微鏡片導(dǎo)通時，激光束就可以通過該微鏡片照射到被測物體的相應(yīng)位置上并產(chǎn)生光聲信號。當微鏡片不導(dǎo)通時，激光束就無法通過該微鏡片，與該微鏡片對應(yīng)的被測物體的相應(yīng)位置上就無激光束照射，也無法產(chǎn)生光聲信號。當然，對應(yīng)的方式也可以為其他的對應(yīng)方式。另外，可編程邏輯陣列模塊300產(chǎn)生的隨機矩陣也可以為大于兩行兩列的矩陣，如三行三列矩陣。這時，僅僅需要將該矩陣的部分數(shù)據(jù)元和各微鏡片一一對應(yīng)即可。對應(yīng)的方式同樣有多種，本發(fā)明在此不再累述。光聲信號接收裝置400，用于接收激光束通過光學(xué)掩膜200后照射在被測物體上生成的光聲信號；其中，光聲信號接收裝置400可以包括多元陣列超聲探頭。多元陣列超聲探頭可以采用1 陣元的寬帶線陣探頭，每個陣元可以接一個12bit的A/D轉(zhuǎn)換器，探頭帶寬與光聲信號頻率保持一致。實際應(yīng)用中，多元陣列超聲探頭可以選用1 陣元的寬帶線陣探頭， 探頭帶寬為5 10MHz，陣元間距為0. 3mm。這樣，每個陣元接收到的光聲信號是該陣元對應(yīng)高度的組織樣品發(fā)出的光聲信號。多元陣列超聲探頭的位置和角度可以根據(jù)實際需要進行調(diào)整，為了提高檢測精度，可以將超聲探頭放置于離被測物體較近的位置，同時保持超聲探頭陣元的掃描方向與激光束的入射方向垂直，如圖1所示。在實際應(yīng)用中，多元陣列超聲探頭可以采用平行掃描方式的探頭，也可以采用散射掃描方式的探頭。當然，光聲信號接收裝置400還包括其它裝置，如探頭定位裝置，用于定位多元陣列超聲探頭。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，具體的探頭定位裝置可以為多種，如使用機械手臂固定多元陣列超聲探頭并對其進行定位。當然也可以使用電機驅(qū)動行程機構(gòu)的方式對其進行定位。本發(fā)明在此不做限定。光聲信號處理裝置500，用于對光聲信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換并采集所生成的數(shù)字信號；本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，對光聲信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換可以為采用1 路12位低電壓差分A/D轉(zhuǎn)換器對1 個陣元的光聲信號并行采樣。三維圖像重建模塊600，用于利用基于壓縮感知的重建算法對數(shù)字信號進行計算處理，重建被測物體的三維圖像。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，在光聲信號接收裝置400接收到足夠多的光聲信號以后，就可以根據(jù)這些光聲信號進行被測物體的三維圖像重建。壓縮感知，也被稱為壓縮采樣(Compressive Sensing)或稀疏采樣(CS， Compressed Sampling)，是一種利用稀疏的或可壓縮的信號進行信號重建的技術(shù)。它是以隨機采樣的方式用更少的數(shù)據(jù)采樣點，來完美地恢復(fù)原始信號。對于一個可壓縮信號，壓縮感知能夠用比奈奎斯特(Nyquist)采樣速率低很多的速率無失真地采樣信號，給信號的采樣、存儲、傳輸和處理都帶來了巨大的方便。在采用基于壓縮感知的重建算法對光聲信號進行重建處理之前，可以先使用相控聚焦算法對光聲信號接收裝置400接收到的數(shù)據(jù)進行處理，將每一層的光聲信號區(qū)分開 (因為光聲信號接收裝置400接收到來自被測物體的不同深度的斷層光聲信號)。基于壓縮感知的重建算法是本領(lǐng)域經(jīng)常用到的一種用來重建三維圖像的算法，為方便理解，本發(fā)明對其做簡單介紹。假設(shè)一個長度為N的實離散時間信號χ(η)，η= 1，2，…，N?？梢园薛?η)看成一個N維列向量，用χ表示。如果χ是可壓縮的，則可以表示為
權(quán)利要求
1.一種快速光聲三維成像裝置，其特征在于，包括激光生成裝置、光學(xué)掩膜、可編程邏輯陣列模塊、光聲信號接收裝置、光聲信號處理裝置和三維圖像重建模塊，所述激光生成裝置，用于生成激光束并通過所述光學(xué)掩膜照射在被測物體上； 所述可編程邏輯陣列模塊，用于產(chǎn)生隨機矩陣并使用所述隨機矩陣控制所述光學(xué)掩膜中各微鏡片的通斷；所述光聲信號接收裝置，用于接收激光束通過所述光學(xué)掩膜后照射在被測物體上生成的光聲信號；所述光聲信號處理裝置，用于對所述光聲信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換并采集所生成的數(shù)字信號；所述三維圖像重建模塊，用于利用基于壓縮感知的重建算法對所述數(shù)字信號進行計算處理，重建所述被測物體的三維圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述光聲信號處理裝置包括時間增益補償放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、濾波電路和采樣電路，所述時間增益補償放大電路，用于對所述光聲信號接收裝置接收到的光聲信號進行放大；所述濾波電路，用于對放大后的光聲信號進行濾波處理；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，用于對濾波后的光聲信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，生成數(shù)字信號；所述采樣電路，用于采集所生成的數(shù)字信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，還包括設(shè)置在所述激光生成裝置激光發(fā)射側(cè)的擴束鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，還包括依次設(shè)置在所述擴束鏡和所述光學(xué)掩膜之間的凹透鏡和凸透鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，還包括設(shè)置在所述擴束鏡和所述凹透鏡之間的反射鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，還包括設(shè)置在所述凸透鏡和所述光學(xué)掩膜之間的毛玻璃。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，還包括數(shù)據(jù)傳輸電路，用于傳輸所述三維圖像。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述光聲信號接收裝置包括多元陣列超聲探頭。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述激光生成裝置為脈沖激光器。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述光聲信號接收裝置還包括探頭定位裝置，用于定位所述多元陣列超聲探頭。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述多元陣列超聲探頭中陣元的掃描方向與所述激光束的入射方向垂直。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種快速光聲三維成像裝置，包括激光生成裝置、光學(xué)掩膜、可編程邏輯陣列模塊、光聲信號接收裝置、光聲信號處理裝置和三維圖像重建模塊。本發(fā)明能夠通過可編程邏輯陣列模塊控制光學(xué)掩膜中各微鏡片的通斷，進而控制激光束通過光學(xué)掩膜照射在被測物體上的區(qū)域，以產(chǎn)生光聲信號并重建為三維圖像。由于光學(xué)掩膜中各微鏡片的通斷變化極為迅速，因此本發(fā)明可以快速改變激光束照射在被測物體上的區(qū)域，進而能夠在極短的時間內(nèi)接收到足夠的光聲信號并重建為三維圖像，解決了現(xiàn)有光聲三維成像裝置成像速度慢的問題。
文檔編號A61B8/00GK102389321SQ20111017102
公開日2012年3月28日 申請日期2011年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月23日
發(fā)明者馮乃章, 周文平, 唐艷紅, 孫明健, 沈毅 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué), 深圳市開立科技有限公司