本發明涉及顯微成像技術領域，尤其涉及一種光聲顯微成像自適應掃描系統及方法。

背景技術：

光聲成像是近些年來發展迅速的一種無損醫學成像方法，結合了純超聲成像的高穿透特性和純光學成像的高對比度特性。它是以脈沖激光作為激勵源、光聲信號作為信息載體，根據不同生物組織對特定波長激光具有差別較大的光學吸收系數進而輻射不同強度超聲波的原理進行成像，通過對采集到的光聲信號進行圖像重建處理而得到組織內部結構信息的一種成像方法。光聲成像技術將光學和聲學有機地結合起來，部分地克服了光在組織中傳播時組織的強散射效應對成像的影響，因此光聲成像技術具有比純光學成像技術更好的生物組織穿透性。光聲信號既依賴于生物組織的光學特性，也依賴于生物組織的聲學特性，能夠給醫學診斷提供大量的有效信息，所以光聲成像技術應用前景廣闊，正逐漸成為生物組織無損檢測技術領域的一個研究熱點。

光聲顯微鏡(Photoacoustic microscope，PAM)使用掃描的方式獲得信號，而不需要復雜的重建算法。掃描的方式主要有兩種，第一種是通過掃描一個聚焦的超聲探測器以獲取光聲圖像，這種方式被稱為超聲分辨率光聲顯微鏡，它通過超聲來進行定位，分辨率決定于超聲探頭的帶寬以及中心頻率。第二種掃描方式是采用會聚的激光束進行掃描，通過這樣的方式能達到光學分辨率的光聲成像，它的分辨率取決于會聚激光束的衍射極限，因此它也被稱為光學分辨率光聲顯微鏡。

然而，當光學分辨率光聲顯微鏡的成像對象表面平整度不高時，由于激光的焦點和超聲探頭的聲焦點的客觀存在，使得在使用傳統激光束掃描方式時，獲得的光聲信號并不總能具有較強的均勻的功率密度，這對成像質量造成極大的不利影響，也使光學分辨率光聲顯微鏡的應用范圍被限制在平整度較高的材料(如半導體硅片)或者生物組織(如小鼠的耳部血管)的成像上，而無法對平整度較低的材料或者生物組織(如小鼠腦部)進行較好的成像。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種光聲顯微成像自適應掃描系統，用以自動調整掃描系統與待測組織表面之間的距離，解決光學分辨率光聲顯微鏡無法對平整度較低的材料或者生物組織進行高品質成像的問題。

為此目的，本發明提出了一種光聲顯微成像自適應掃描系統,包括：

主控裝置，與所述主控裝置連接的激光器、超聲探頭、紅外測距裝置和驅動裝置，所述激光器用于發射激光束，所述激光束依次通過光纖束和物鏡聚焦在待測組織表面，產生光聲信號；所述物鏡、所述超聲探頭和所述紅外測距裝置的相對位置固定；

當所述紅外測距裝置位于待測組織的第一位置點上方時，所述紅外測距裝置用于檢測所述超聲探頭與所述第一位置點之間的第一垂直距離并傳輸至所述主控裝置；

所述主控裝置用于控制所述驅動裝置驅動所述超聲探頭和所述物鏡移動到至所述第一位置點上方，同時所述紅外測距裝置移動至所述待測組織的第二位置點上方；當所述紅外測距裝置位于所述第二位置點上方時，所述紅外測距裝置還用于檢測所述超聲探頭與第二位置點之間的第二垂直距離并傳輸至所述主控裝置；

所述主控裝置還用于根據所述第一垂直距離和第二垂直距離控制所述驅動裝置驅動所述超聲探頭和所述物鏡移動到至所述第二位置點上方，使所述超聲探頭與所述第二位置點之間的距離等于所述第一垂直距離；

所述超聲探頭用于采集所述第一位置點和第二位置點產生的光聲信號并傳輸至所述主控裝置。

優選的，所述主控裝置包括數據處理單元，所述數據處理單元用于根據所述超聲探頭采集的各個位置點產生的光聲信號，并通過最大值投影法重建光聲圖像。

優選的，所述主控裝置還包括：與所述數據處理單元連接的數據采集單元，所述數據采集單元包括：分別與所述超聲探頭、紅外測距裝置和激光器連接的主控電路，以及依次連接的時間增益補償放大單元、預濾波單元、A/D轉換單元；所述主控電路連接所述時間增益補償放大單元；

所述主控電路用于向所述激光器發送脈沖激光發射控制信號，并接收所述超聲探頭返回的光聲信號，還用于向所述紅外測距裝置發送距離檢測控制信號。

所述時間增益補償放大單元用于對所述光聲信號進行時間增益補償放大處理；

所述預濾波單元用于將放大處理后的光聲信號進行預濾波處理；

所述A/D轉換單元用于將經過預濾波的所述光聲信號轉換為數字光聲信號。

優選的，所述數據采集單元還包括：與所述A/D轉換單元連接的數據緩存單元、與所述數據緩存單元連接的數據傳輸單元；

所述數據緩存單元用于對所述數字光聲信號進行存儲；

所述數據傳輸單元用于將所述數據緩存單元存儲的數字光聲信號傳輸至所述數據處理單元。

優選的，所述物鏡的焦點與所述超聲探頭的焦點一致且對準所述待測組織表面。

優選的，該系統還包括：三維掃描平臺，所述物鏡、超聲探頭、紅外測距裝置和光纖束均固定在所述三維掃描平臺的支架上；

所述驅動裝置為連接所述主控裝置的步進電機，所述步進電機用于在所述主控裝置的控制下，驅動所述三維掃描平臺在豎直方向上移動，以調整所述超聲探頭與所述待測組織表面之間的距離。

優選的，所述步進電機為3臺，用于控制所述三維掃描平臺分別在x軸、y軸、z軸三個方向上移動。

另一方面，本發明實施例還提供了一種采用上述任意一種所述的系統進行光聲顯微成像自適應掃描的方法，該方法包括：

當所述紅外測距裝置位于待測組織的第一位置點上方時，控制所述紅外測距裝置檢測所述超聲探頭與所述第一位置點之間的第一垂直距離；

控制所述驅動裝置驅動所述超聲探頭和所述物鏡移動到至所述第一位置點上方，同時控制所述紅外測距裝置移動至所述待測組織的第二位置點上方；

當所述紅外測距裝置位于所述第二位置點上方時，控制所述紅外測距裝置檢測所述超聲探頭與第二位置點之間的第二垂直距離；

根據所述第一垂直距離和第二垂直距離控制所述驅動裝置驅動所述超聲探頭和所述物鏡移動到至所述第二位置點上方，使所述超聲探頭與所述第二位置點之間的距離等于所述第一垂直距離；

控制所述超聲探頭采集所述第一位置點和第二位置點產生的光聲信號。

優選的，該方法還包括：

通過數據處理單元根據各個位置點采集的所述光聲信號，通過最大值投影法重建光聲圖像。

優選的，在所述根據各個位置點采集的所述光聲信號，通過最大值投影法重建光聲圖像之前，還包括：

對所述光聲信號進行時間增益補償放大處理；

將放大處理后的光聲信號進行預濾波處理；

將經過預濾波的所述光聲信號轉換為數字光聲信號。

本發明實施例提供的光聲顯微成像自適應掃描系統，通過紅外測距裝置檢測超聲探頭與待測組織表面第一位置點之間的距離以及超聲探頭與待測組織表面第二位置點之間的距離，以此控制超聲探頭在移動至第二位置點時，超聲探頭與第二位置點之間的距離與超聲探頭與第一位置點之間的距離相同，從而在對平整度較低的材料或生物組織進行成像時，可以自動調整超聲探頭與待測組織之間的距離，保證實時對焦，實現光聲圖像的高分辨率成像。

附圖說明

通過參考附圖會更加清楚的理解本發明的特征和優點，附圖是示意性的而不應理解為對本發明進行任何限制，在附圖中：

圖1為本發明實施例提供的一種光聲顯微成像自適應掃描系統的框架示意圖；

圖2為本發明另一實施例提供的一種光聲顯微成像自適應掃描系統的框架示意圖；

圖3為本發明一實施例提供的一種光聲顯微成像自適應掃描方法的流程示意圖。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明的實施例進行詳細描述。

如圖1所示，本發明實施例提供了一種光聲顯微成像自適應掃描系統，該系統包括：

主控裝置1，與所述主控裝置1連接的激光器2、超聲探頭3、紅外測距裝置4和驅動裝置5，所述激光器2用于發射激光束，所述激光束依次通過光纖束7和物鏡8聚焦在待測組織10表面，產生光聲信號；所述物鏡8、所述超聲探頭3和所述紅外測距裝置4的相對位置固定；

當所述紅外測距裝置4位于待測組織10的第一位置點上方時，所述紅外測距裝置4用于檢測所述超聲探頭3與所述第一位置點之間的第一垂直距離并傳輸至所述主控裝置1；

所述主控裝置1用于控制所述驅動裝置5驅動所述超聲探頭3和所述物鏡8移動到至所述第一位置點上方，同時所述紅外測距裝置4移動至所述待測組織10的第二位置點上方；當所述紅外測距裝置4位于所述第二位置點上方時，所述紅外測距裝置4還用于檢測所述超聲探頭3與第二位置點之間的第二垂直距離并傳輸至所述主控裝置1；

所述主控裝置1還用于根據所述第一垂直距離和第二垂直距離控制所述驅動裝置5驅動所述超聲探頭3和所述物鏡8移動到至所述第二位置點上方，使所述超聲探頭3與所述第二位置點之間的距離等于所述第一垂直距離；

所述超聲探頭3用于采集所述第一位置點和第二位置點產生的光聲信號并傳輸至所述主控裝置1。

需要說明的是，本發明實施例提供的光聲顯微成像自適應掃描系統可以應用于光聲顯微鏡中，其中，該激光器2可以為OPO高能激光器，可以選用德國Innolas公司spitlight600激光器，脈沖寬度最低為1μs，最大能量90mJ，最高重復頻率20Hz；超聲探頭3可以選用128陣元的寬帶線陣探頭，探頭帶寬為5～9MHz，陣元間距為0.3mm。該光纖束7可以為高能光纖束7。超聲探頭3的陣元面、光纖束7的出光口正對待測組織10，OPO高能激光器發出的脈沖激光可以經過鏡組6作用后照射到待測組織10的表面，產生光聲信號。該鏡組6可以包括聚焦透鏡和棱鏡等。物鏡8、超聲探頭3和紅外測距裝置4可以固定在移動平臺上，使三者的相對位置固定。

具體的，當紅外測距裝置4位于待測組織10的第一位置點上方時，此時超聲探頭3位于前一位置點，紅外測距裝置4檢測超聲探頭3與第一位置點之間的第一垂直距離并傳輸至主控裝置1；主控裝置1控制驅動裝置5驅動所超聲探頭3和物鏡8移動到至第一位置點上方，此時紅外測距裝置4移動至待測組織10的第二位置點上方；主控裝置1控制激光器2發出脈沖激光，脈沖激光經過鏡組6作用并通過光纖束7和物鏡8照射在待測組織10表面的第一位置點，并產生光聲信號，超聲探頭3采集第一位置處的光聲信號。當紅外測距裝置4位于第二位置點上方時，紅外測距裝置4檢測所述超聲探頭3與第二位置點之間的第二垂直距離并傳輸至所述主控裝置1(此時超聲探頭3位于第一位置點上方)；主控裝置1根據第一垂直距離和第二垂直距離控制驅動裝置5驅動所述超聲探頭3和物鏡8移動到至所述第二位置點上方，使所述超聲探頭3與所述第二位置點之間的距離等于所述第一垂直距離；主控裝置1控制激光器2發出脈沖激光，脈沖激光經過鏡組6作用并通過光纖束7和物鏡8照射在待測組織10表面的第二位置點，并產生光聲信號，超聲探頭3采集第二位置點產生的光聲信號。超聲探頭3將采集的第一位置點和第二位置點產生的光聲信號傳輸至主控裝置1。

本發明實施例提供的光聲顯微成像自適應掃描系統，通過紅外測距裝置4檢測超聲探頭3與待測組織10表面第一位置點之間的距離以及超聲探頭3與待測組織10表面第二位置點之間的距離，以此控制超聲探頭3在移動至第二位置點時，超聲探頭3與第二位置點之間的距離與超聲探頭3與第一位置點之間的距離相同，從而在對平整度較低的材料或生物組織進行成像時，可以自動調整超聲探頭3與待測組織10之間的距離，保證實時對焦，實現光聲圖像的高分辨率成像。

在上述實施例的基礎上，如圖2所示，本發明實施例提供的一種光聲顯微成像自適應掃描系統，所述主控裝置1包括數據處理單元11，所述數據處理單元11用于根據所述超聲探頭3采集的各個位置點產生的光聲信號，并通過最大值投影法重建光聲圖像。

其中，所述主控裝置1還包括：與所述數據處理單元11連接的數據采集單元12，所述數據采集單元12包括：分別與所述超聲探頭3、紅外測距裝置4和激光器2連接的主控電路121，以及依次連接的TGC(時間增益補償)放大單元122、預濾波單元123、A/D轉換單元124；所述主控電路121連接所述TGC放大單元122；

所述主控電路121用于向所述激光器2發送脈沖激光發射控制信號，并接收所述超聲探頭3返回的光聲信號，還用于向所述紅外測距裝置4發送距離檢測控制信號。

所述TGC放大單元122用于對所述光聲信號進行時間增益補償放大處理；

所述預濾波單元123用于將放大處理后的光聲信號進行預濾波處理；

所述A/D轉換單元124用于將經過預濾波的所述光聲信號轉換為數字光聲信號。

其中，所述數據采集單元12還包括：與所述A/D轉換單元124連接的數據緩存單元125、與所述數據緩存單元125連接的數據傳輸單元126；

所述數據緩存單元125用于對所述數字光聲信號進行存儲；

所述數據傳輸單元126用于將所述數據緩存單元125存儲的數字光聲信號傳輸至所述數據處理單元11。

具體的，主控電路121控制激光器2發出脈沖激光，脈沖激光經過鏡組6作用并通過光纖束7后，照射在待測組織10表面的第一位置點，并產生光聲信號，超聲探頭3采集該位置處的光聲信號，并傳輸至主控電路121，之后通過依次連接的TGC放大單元122、預濾波單元123、A/D轉換單元124、數據緩存單元125和數據傳輸單元126可以對該光聲信號進行同步放大、預濾波、A/D轉換和緩存，最后上傳到數據處理單元11，由數據處理單元11根據超聲探頭3采集的各個位置點產生的光聲信號，并通過最大值投影法重建光聲圖像。其中，數據緩存單元125可以為基于FPGA的數據采集電路，該數據傳輸單元126可以為USB數據傳輸電路。其中，主控電路121與除預濾波單元123以外的其他單元(TGC放大單元122、A/D轉換單元124、數據緩存單元125和數據傳輸單元126)均電氣連接。與超聲探頭3的移動方向對應的紅外測距裝置4可以位于第二位置點的上方，用于檢測超聲探頭3與待測組織10第二位置點之間的第二垂直距離，可以由主控電路121控制紅外測距裝置4進行超聲探頭3與待測組織10之間距離的測量，紅外測距裝置4檢測的結果返回給主控電路121，可以由主控電路121控制驅動裝置5，帶動超聲探頭3和光纖束7出光口(包括物鏡8)到達第二位置點上方，在超聲探頭3和光纖束7出光口到達第二位置點時，可以由主控電路121根據紅外測距裝置4返回的結果(即超聲探頭3與第二位置點之間的距離)控制驅動裝置5帶動超聲探頭3、紅外測距裝置4和光纖束7的出光口移動，從而調整光纖束7的出光口和超聲探頭3與待測組織10之間的距離，使該距離與超聲探頭3位于第一位置點上方時的距離相等。

在上述實施例的基礎上，優選的，所述物鏡8的焦點與所述超聲探頭3的焦點一致且對準所述待測組織10表面。優選的，該系統還包括：三維掃描平臺9，所述物鏡8、超聲探頭3、紅外測距裝置4和光纖束7均固定在所述三維掃描平臺9的支架上；所述驅動裝置5為連接所述主控裝置1的步進電機，所述步進電機用于在所述主控裝置1的控制下，驅動所述三維掃描平臺9在豎直方向上移動，以調整所述超聲探頭3與所述待測組織10表面之間的距離。

如圖2所示，本發明實施例提供的一種光聲顯微成像自適應掃描系統，所述光纖束7的出光口通過物鏡8將所述脈沖激光照射到所述待測組織10表面；所述物鏡8的焦點與所述超聲探頭3的焦點一致且對準所述待測組織10表面。其中，為了便于調整物鏡8、超聲探頭3、紅外測距裝置4以及光纖束7，該系統還包括：三維掃描平臺9，所述物鏡8、超聲探頭3、紅外測距裝置4和光纖束7均固定在所述三維掃描平臺9的支架上；驅動裝置5包括連接所述主控電路的步進電機，所述步進電機用于在所述主控電路的控制下，驅動所述三維掃描平臺9在豎直方向上移動，以調整所述超聲探頭3與所述待測組織10表面之間的距離以及所述物鏡8(即光纖束7出光口)與所述待測組織10表面之間的距離。需要說明的是，由于物鏡8、超聲探頭3、紅外測距裝置4和光纖束7均固定在所述三維掃描平臺9的支架上，所以主控電路通過控制步進電機驅動三維掃描平臺9的上下移動，就可以帶動該平臺支架上的物鏡8、超聲探頭3、紅外測距裝置4和光纖束7一起上下移動，從而可以改變超聲探頭3與待測組織10之間的距離，以及物鏡8與待測組織10之間的距離，但不改變超聲探頭3和物鏡8的相對距離。其中，該紅外測距裝置46可以為兩個，分別裝配在三維掃描平臺9的X軸的兩個方向上。該主控電路可以包括用于控制該步進電機的步進電機控制器以及RS485數據傳輸電路，相應的，該數據處理單元11可以為高能計算機，該高能計算機具有連接步進電機控制器的RS485接口以及與USB數據傳輸電路連接的PCIE接口。

進一步的，該步進電機可以為3臺，用于控制所述三維掃描平臺9分別在x軸、y軸、z軸三個方向上移動。其中，該三維掃描平臺9還可以包括面包板，用于各種電路單元的組裝。舉例來說，可以用于數據采集單元12的裝配。

如圖3所示，本發明實施例提供的一種光聲顯微成像自適應掃描方法，該方法可以采用上述實施例所述的光聲顯微成像自適應掃描系統，該方法包括以下步驟:

S1：當所述紅外測距裝置4位于待測組織10的第一位置點上方時，控制所述紅外測距裝置4檢測所述超聲探頭3與所述第一位置點之間的第一垂直距離；

S2：控制所述驅動裝置5驅動所述超聲探頭3和所述物鏡8移動到至所述第一位置點上方，同時控制所述紅外測距裝置4移動至所述待測組織10的第二位置點上方；

S3：當所述紅外測距裝置4位于所述第二位置點上方時，控制所述紅外測距裝置4檢測所述超聲探頭3與第二位置點之間的第二垂直距離；

S4：根據所述第一垂直距離和第二垂直距離控制所述驅動裝置5驅動所述超聲探頭3和所述物鏡8移動到至所述第二位置點上方，使所述超聲探頭3與所述第二位置點之間的距離等于所述第一垂直距離；

S5：控制所述超聲探頭3采集所述第一位置點和第二位置點產生的光聲信號。

本發明實施例提供的光聲顯微成像自適應掃描方法，通過紅外測距裝置4檢測超聲探頭3與待測組織10表面第一位置點之間的距離以及超聲探頭3與待測組織10表面第二位置點之間的距離，以此控制超聲探頭3在移動至第二位置點時，超聲探頭3與第二位置點之間的距離與超聲探頭3與第一位置點之間的距離相同，從而在對平整度較低的材料或生物組織進行成像時，可以自動調整超聲探頭3與待測組織10之間的距離，保證實時對焦，實現光聲圖像的高分辨率成像。

優選的，該方法還包括：

通過數據處理單元11根據各個位置點采集的所述光聲信號，通過最大值投影法重建光聲圖像。

優選的，在所述根據各個位置點采集的所述光聲信號，通過最大值投影法重建光聲圖像之前，還包括：

對所述光聲信號進行時間增益補償放大處理；

將放大處理后的光聲信號進行預濾波處理；

將經過預濾波的所述光聲信號轉換為數字光聲信號。

對于與系統對應的光聲顯微成像自適應掃描方法實施例而言，由于其與系統實施例基本相似，達到的技術效果也與系統實施例起到的效果相同，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法實施例的部分說明即可。

雖然結合附圖描述了本發明的實施方式，但是本領域技術人員可以在不脫離本發明的精神和范圍的情況下做出各種修改和變型，這樣的修改和變型均落入由所附權利要求所限定的范圍之內。