光声和散斑联合成像系统及方法与流程

1.本发明属于生物组织成像的技术领域，具体涉及一种光声和散斑联合成像系统及方法。


背景技术：

2.生物组织内的微循环与生物个体的疾病发生、发展密切相关，对生物组织活体无损地进行微循环结构的成像具有重要意义。
3.目前，对生物组织活体无损进行微循环结构成像，存在光声成像、散斑成像。
4.散斑成像是一种无损伤的活体激光成像技术，非常适用于血液微循环的测量，可以测量血管管径，血管密度，血液流速和血流灌注等微循环参数，从而考察微循环血管的结构，微循环功能以及代谢活动。但是，散斑成像虽然利用散射粒子(血红细胞)的运动导致成像面散斑强度波动、进而计算相对的运动速度信息，却无法计算血氧饱和度。
5.光声成像是一种非入侵式和非电离式的新型生物医学激光成像方法，脉冲激光照射到生物组织相应的光吸收域将产生光声信号(由激光束激生物组织产生超声波的现象)，光声信号携带了组织的光吸收特征信息，通过光声信号能重建出组织中的光吸收分布图像，获得血氧饱和度等信息。
6.现有技术中，联合光声成像和散斑成像的装置结构，都是将光声和激光散斑置于不同的视场下分别进行成像后的叠加，叠加视场前需要通过额外的信号处理或数据处理过程来校正视场位置，存在处理效率低的问题，难以获得准确度较高的多模态生物组织微循环生理参数。另一方面，部分现有的联合成像装置中，光声成像部分的结构往往都只用一台可调谐波长纳秒脉冲激光器进行分光来分别照射样本、向计算机提供触发激光散斑成像部分的信号，其照射到样本上的激光、接收的光声、激光散斑的部分，采用光电滑环进行机械扫描，因此带来的信号同步的问题加大了处理耗时，驱动控制光电滑环的机械动作的部件也增加了整个装置结构的复杂度，提高了装置中信号处理的协同难度。


技术实现要素：

7.为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明的第一目的在于提供一种光声和散斑联合成像系统，第二目的在于提供一种光声和散斑联合成像方法，用于进行激光的光声信号和散斑图像信号的高分辨率和高对比度的组织样本联合成像，散斑成像可以提供大尺寸的血管和血液流速的信息，光声成像可以提供微血管成像和特异性吸收体的信息。
8.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
9.一种光声和散斑联合成像系统，包括激光器组件、光路组件、信号采集组件和成像控制组件；
10.激光器组件包括三个激光器；三个激光器中的一个用于发射对应产生散斑图像的激光束，另外两个用于发射对应产生光声图像的激光束；
11.光路组件包括两个二向色镜、一个物镜；两个二向色镜中的一个靠近两个对应光
声图像的激光器，用于透射和/或反射两个对应光声图像的激光器所发出的激光束到另一个二向色镜；两个二向色镜中的另一个靠近信号采集组件，用于反射靠近两个对应光声图像的激光器的二向色镜所射来的激光激光束，和/或透射对应散斑图像的激光器所发出的激光束照射生物活体组织后所射来的散斑光束；物镜用于聚焦另一个二向色镜所反射的激光束和/或聚焦散斑光束；
12.信号采集组件包括图像采集模块、换能器；图像采集模块用于接收散斑光束并采集相应的散斑信号；换能器用于接收光声信号并转换为电信号；
13.物镜设于换能器的中央位置；
14.成像控制组件分别与图像采集模块、换能器电性连接，用于将散斑信号和/或光声信号转换为数据并构建出相应的生物活体组织血液微循环结构图像。
15.本发明的其中一个优选技术方案为，换能器为半球形中空超声换能器，半球形中空超声换能器的顶端设有开孔，物镜设于开孔中并穿透半球形中空超声换能器的内、外两侧。
16.本发明的其中一个优选技术方案为，成像控制组件还分别与三个激光器电性连接，用于分别向三个激光器发出时序控制信号。
17.本发明的其中一个优选技术方案为，用于发射对应产生散斑图像的激光器为连续光激光器；
18.两个用于发射对应产生光声图像的激光器，其中一个为纳秒脉冲激光器，另一个为可调谐波长纳秒脉冲激光器；
19.靠近两个对应光声图像激光器的二向色镜，用于透射可调谐波长纳秒脉冲激光器所发出的激光束、反射纳秒脉冲激光器所发出的激光束。
20.本发明的其中一个优选技术方案为，光路组件还包括两个光纤准直器和一条光纤；
21.两个光纤准直器各自分别靠近一个二向色镜；
22.两个光纤准直器通过光纤连接，用于传播从其中一个二向色镜射向另一个二向色镜的激光束。
23.本发明的其中一个优选技术方案为，光路组件还包括光学放大模块；
24.光学放大模块设于图像采集模块和靠近信号采集组件的二向色镜之间，用于放大散斑光束。
25.本发明的其中一个更优选技术方案为，光学放大模块为用于放大光束的一组透镜组；
26.透镜组的中轴延长线与物镜的中轴延长线的连线处于同一直线上；
27.靠近信号采集组件的二向色镜，其几何中心点位于透镜组的中轴延长线、物镜的中轴延长线的连线上，其中轴线与透镜组的中轴延长线、物镜的中轴延长线的连线形成45
°
夹角。
28.本发明的其中一个优选技术方案为，激光束在两个二向色镜上透射和/或折射的入射角和/或出射角和/或反射角均为45
°
；
29.散斑光束在二向色镜上的入射角和/或出射角均为45
°
。
30.本发明的其中一个更优选技术方案为，成像控制组件包括信号处理模块、主控模
块、时序控制模块、数据处理成像模块；
31.信号采集组件还包括二维扫描模块；二维扫描模块与换能器连接，用于带动换能器进行二维位移；
32.主控模块分别与信号处理模块、时序控制模块、数据处理成像模块、二维扫描模块电性连接，用于分别向信号处理模块、时序控制模块、数据处理成像模块、二维扫描模块发出指令；
33.信号处理模块分别与图像采集模块、二维扫描模块、数据处理成像模块电性连接，用于接收散斑图像信号和光声图像信号进行处理并转换为相应的数据；
34.数据处理成像模块用于根据信号处理模块的数据构建生物活体组织的血液微循环结构图像；
35.时序控制模块分别与三个激光器电性连接，用于产生时序控制信号，使三个激光器根据时序控制信号发射激光束。
36.一种光声和散斑联合成像方法，包括步骤如下：
37.成像控制组件产生对应用于产生散斑图像信号的一个激光器的第一时序信号；
38.对应用于产生散斑图像信号的激光器根据第一时序信号，在设定的一个时长内周期性地发射激光照射生物活体组织样本，形成散斑图像信号；成像控制组件发出指令控制信号采集组件采集对应的散斑图像信号，然后成像控制组件将散斑图像信号进行处理转换为散斑图像数据；
39.形成散斑图像数据后，成像控制组件停止产生第一时序信号，然后成像控制组件在另一个设定的时长内，交替产生对应用于产生光声信号的可调谐波长纳秒脉冲激光器的第二时序信号、对应用于产生光声信号的另一个激光器的第三时序信号；
40.对应用于产生光声信号的可调谐波长纳秒脉冲激光器、对应用于产生光声信号的另一个激光器通过光路组件，周期性地交替出光对生物活体组织样本进行照射，形成光声图像信号；成像控制组件控制信号采集组件采集光声信号，然后成像控制组件将光声信号进行处理转换为光声图像数据；
41.在获得光声图像数据和散斑图像数据后，成像控制组件从光声图像数据和散斑图像数据中构建出生物活体组织的血液微循环结构图像。
42.本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
43.光声成像和散斑成像通过两个二向色镜共用一个物镜，散斑成像的光路和光声成像的光路在被接收时同轴，可以保证成像的视场一致性实现联合成像的功能，避免现有技术需要额外视场叠加时的位置校验步骤，降低了信号处理模块、数据处理成像模块在信号和数据处理的耗时，提升了成像的效率，获取同一视场下的大尺寸的血管和血液流速的信息和高分辨率的微血管和特异性吸收体的信息；
44.物镜设置在换能器中央位置的结构实现了光声信号和散斑图像信号处于同一视场，避免了现有技术需要光电滑环分离光声信号的激光与散斑图像信号的弊端，简化了光学零部件的数量及结构复杂程度，增加了整个系统的使用可靠性和维护便捷性；
45.两个光纤准直器之间通过光纤连接后，能够对二向色镜射出的激光束进行直径调整，从而方便光声信号的激光最后在物镜聚焦，提高光声信号的精度；
46.可调谐波长的激光器结合固定波长的激光器进行光声成像，可以获取血氧饱和度
信息，还可以进一步实现特异性光学吸收的分子探针成像；
47.通过时序控制信号的方式，有序的进行成像操作，降低了信号处理过程的数据同步需求，提升了处理效率。
附图说明
48.图1为本发明光声和散斑联合成像系统其中一种实施方式的结构框架示意图；
49.图2为本发明光声和散斑联合成像系统另一种实施方式的结构框架示意图；
50.图3为本发明光声和散斑联合成像方法其中一种实施方式的流程图；
51.图中：1-第一样本、2-第一激光器、3-第二激光器、4-第三激光器、5-第一换能器、6-第一物镜、7-第一二向色镜、8-第二二向色镜、9-第一光学放大模块、10-第一图像采集模块、11-第一二维扫描模块、12-第一信号处理模块、13-第一主控模块、14-第一时序控制模块、15-第一数据处理成像模块、16-第二样本、17-第四激光器、18-第五激光器、19-第六激光器、20-第二换能器、21-第二物镜、22-第三二向色镜、23-第四二向色镜、24-第二光学放大模块、25-第二图像采集模块、26-第二二维扫描模块、27-第二信号处理模块、28-第二主控模块、29-第二时序控制模块、30-第二数据处理成像模块、31-第一光纤准直器、32-第二光纤准直器。
具体实施方式
52.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
53.需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
54.此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在该词前面的元素或者物件涵盖出现在该词后面列举的元素或者物件及其等同，而不排除其他元素或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
55.实施例1
56.如图1所示，在图1中以带箭头的线段表示光的传播路径及过程。本实施例1提供的光声和散斑联合成像系统对第一样本1采用三个激光器进行激光的光声信号和散斑图像信号成像，第一样本1为生物活体的组织，例如人的手指或脚趾末端、人关节处外包裹的皮肤组织等。
57.本实施例1提供的光声和散斑联合成像系统包括激光器组件、光路组件、信号采集组件和成像控制组件。激光器组件包括第一激光器2、第二激光器3、第三激光器4。光路组件包括第一物镜6、第一二向色镜7、第二二向色镜8、第一光学放大模块9。信号采集组件包括
第一换能器5、第一图像采集模块10、第一二维扫描模块11。成像控制组件包括第一信号处理模块12、第一主控模块13、第一时序控制模块14、第一数据处理成像模块15。
58.本实施例优选第一激光器2、第二激光器3、第一二向色镜7、第二二向色镜8、第一光学放大模块9、第一物镜6、第一换能器5、第一图像采集模块10之间的相对位置不变。在其他实施方式中，也可以只保持第一激光器2、第二激光器3、第一二向色镜7、第二二向色镜8、第一物镜6、第一换能器5之间的相对位置不变。
59.在激光器组件中，第一激光器2为纳秒脉冲激光器，对应用于产生光声图像，本实施例优选其发射的激光束波长可在500～550纳米中进行选择；第二激光器3为可调谐波长纳秒脉冲激光器，对应用于产生光声图像，本实施例优选其发射的激光束的可调谐波长范围在400～1500纳米之间；第三激光器4为连续光激光器，对应用于产生散斑图像，本实施例优选其发射的激光束波长可在750～800纳米中进行选择；第一激光器2、第二激光器3、第三激光器4均分别通过信号线与第一时序控制模块14电性连接，各自接收第一时序控制模块14所发出的时序控制信号，并各自根据相应的时序控制信号进行激光束的受控发射；第一激光器2、第二激光器3用于发射对应光声信号的激光束，第三激光器4用于发射对应散斑图像信号的激光束；第一激光器2、第三激光器4均为固定波长的激光器。
60.在光路组件中，第一二向色镜7设于靠近第一激光器2和第二激光器3的位置；第一二向色镜7的中轴线分别与第一激光器2、第二激光器3的中轴延长线成45
°
夹角，第一二向色镜7上靠近第一激光器2的一个侧面用于第一激光器2所发出激光束的入射，远离第一激光器2的相对侧面用于第二激光器3所发出激光束的入射、第一激光器2所发出激光束的出射、第二激光器3所发出激光束的反射；第一激光器2所发出激光束在第一二向色镜7出射后、第二激光器3所发出激光束在第一二向色镜7反射后，均射入第二二向色镜8；第二二向色镜8设于靠近第一物镜6和第一换能器5的位置；第二二向色镜8的中轴线与第一物镜6的中轴延长线成45
°
夹角；第二二向色镜8靠近第一物镜6的一个侧面，用于反射从第一二向色镜7入射来的激光束到第一物镜6中、用于入射从第一样本1传播来的散斑光束；第二二向色镜8远离第一物镜6的相对侧面，用于出射散斑光束到第一光学放大模块9；第一物镜6设于第一换能器5的中央位置，其顶端靠近第二二向色镜8，底端靠近第一样本1，第二二向色镜8所反射的激光束从上到下穿过第一物镜6照射到第一样本1，第一样本1所射出的激光散斑从下到上穿过第一物镜6进行聚焦照射到第一光学放大模块9；第一光学放大模块9为具有光学放大功能的透镜组，用于接收激光散斑并传播到第一图像采集模块10中，第一光学放大模块9的中轴延长线与第二二向色镜8的中轴线成45
°
夹角；第一光学放大模块9的中轴延长线与第一物镜6的中轴延长线的连线处于同一直线上，第二二向色镜8的几何中心点处于第一光学放大模块9的中轴延长线与第一物镜6的中轴延长线所在的连线上。
61.靠近信号采集组件的二向色镜，其中心点位于所述透镜组的中轴延长线、物镜的中轴延长线的连线上，其中轴线与透镜组的中轴延长线、物镜的中轴延长线的连线形成45
°
夹角。
62.本实施例优选，第一激光器2射出的激光束，在到达第一二向色镜7上的一个侧面时，与第一二向色镜7成45
°
的入射角，透过第一二向色镜7后，与第一二向色镜7上的相对侧面成45
°
的出射角。本实施例优选，第二激光器3射出的激光束，在到达第一二向色镜7上的相对侧面时，与第一二向色镜7成45
°
的入射角，经过反射后与第一二向色镜7上的相对侧面
成45
°
的出射角。本实施例优选，第二二向色镜8靠近第一物镜6的一个侧面上，入射的激光束的入射角、反射的激光束的反射角、入射的散斑光束的入射角均为45
°
，第二二向色镜8原理第一物镜6的相对侧面上，出射的散斑光束的出射角为45
°
。
63.在信号采集组件中，第一图像采集模块10用于接收第一光学放大模块9传播来的散斑光束，第一图像采集模块10通过信号线与第一信号处理模块12电性连接，从而将散斑光束对应的电信号传送到第一信号处理模块12中；本实施例优选第一图像采集模块10具体为由面阵图像传感器(cmos摄像头或ccd相机)及多通道模拟信号采集电路组成的图像信号采集装置；第一换能器5与第一信号处理模块12电性连接，第一换能器5用于接收第一样本1所产生的光声信号(即激光照射第一样本1后所产生的超声波)并转换为电信号后发送到第一信号处理模块12，本实施例优选第一换能器5为半球形中空超声换能器且顶端设有开孔，第一物镜6设于半球形的顶端开孔并穿透半球形的内、外两侧，半球形中空超声换能器的内侧正下方用来放置第一样本1；第一二维扫描模块11与第一换能器5相互机械连接，本实施例优选第一二维扫描模块11的具体类型为压电位移台；第一二维扫描模块11根据第一主控模块13的指令带动第一换能器5对第一样本1进行二维位移机械扫描，第一换能器5接收到光声信号后传入第一信号处理模块12；；根据本实施例两个二向色镜、一个物镜和一个换能器的位置设置关系，可见散斑成像的视场与光声成像的视场相同，且光声信号和散斑图像信号的接收将会同轴；第一信号处理模块12通过信号线与第一主控模块13电性连接，用于根据第一主控模块13的相应指令接收光声信号和散斑图像信号。
64.在成像控制组件中，第一信号处理模块12还与第一图像采集模块10电性连接，用于接收光声信号和散斑图像信号并分别进行信号处理后转换为相应可用于计算机处理的数据格式，第一信号处理模块12所做的信号处理包括检测、滤波、变换、调制、降噪中的一种或多种；第一数据处理成像模块15通过数据线或数字电子线路与第一信号处理模块12电性连接，用于从第一信号处理模块12所转换出相应的光声信号数据、散斑图像信号数据中，重建出对应第一样本1的生物组织血液微循环结构图像；第一主控模块13通过数据线或数字电子线路分别与第一时序控制模块14、第一信号处理模块12、第一数据处理成像模块15、第一二维扫描模块11电性连接，用于分别对第一时序控制模块14、第一信号处理模块12、第一数据处理成像模块15、第一二维扫描模块11的工作过程进行指令控制；第一时序控制模块14用于根据第一主控模块13的指令生成多个时序控制信号，分别对第一激光器2、第二激光器3、第三激光器4的激光束发射过程控制，使得第一激光器2、第二激光器3、第三激光器4的激光束发射与第一信号处理模块12的信号采集以及接收相对应，从而使第一数据处理成像模块15能够有序地同步相关数据。
65.本实施例进一步优选，第一激光器2、第二激光器3、第一二向色镜7、第二二向色镜8、第一光学放大模块9、第一物镜6、第一换能器5、第一图像采集模块10之间相互通过与一个或多个刚性零部件的机械连接来保持相对位置不变，从而在第一二维扫描模块11带动第一换能器5进行位移时能始终保持光声信号和散斑信号的接收同轴。
66.本实施例进一步优选，成像控制组件被集成在一台个人计算机内，第一信号处理模块12、第一数据处理成像模块15、第一时序控制模块14、第一主控模块13均通过个人计算机内的相关的硬件和软件的结合实现。
67.本实施例1的光声和散斑联合成像系统工作过程为：第一主控模块13给到第一时
序控制模块14指令，发出控制第三激光器4单独出光一段时长的时序控制信号，第一主控模块13同时控制第一信号处理模块12接收散斑图像信号；第一主控模块13在第三激光器4单独出光之前、或者第一信号处理模块12接收完毕散斑图像信号之后，发出指令给到第一时序控制模块14，产生控制第一激光器2、可调谐波长的第二激光器3交替出光的时序控制信号，第一主控模块13同时控制第一二维扫描模块11带动第一换能器5进行机械二维扫描并采集光声信号、第一信号处理模块12接收光声信号；第一信号处理模块12在完成一次光声信号以及散斑图像信号的接收后，让第一信号处理模块12转换接收的信号得到相应的光声成像数据及散斑成像数据；第一数据处理成像模块15根据第一信号处理模块12的光声成像数据及散斑成像数据，重建出第一样本1的生物组织血液微循环结构图像。
68.本实施例1相比现有技术，其有益效果在于：
69.光声成像和散斑成像通过第二二向色镜8共用第一物镜6，散斑成像的光路和光声成像的光路在被接收时同轴，可以保证成像的视场一致性实现联合成像的功能，避免现有技术需要额外视场叠加时的位置校验步骤，降低了第一信号处理模块12、第一数据处理成像模块15在信号和数据处理的耗时，提升了成像的效率，获取同一视场下的大尺寸的血管和血液流速的信息和高分辨率的微血管和特异性吸收体的信息；
70.第一物镜6设置在第一换能器5中央位置的结构实现了光声信号和散斑图像信号处于同一视场，避免了现有技术需要光电滑环分离光声信号的激光与散斑图像信号的弊端，简化了光学零部件的数量及结构复杂程度，增加了整个系统的使用可靠性和维护便捷性；
71.第二激光器3和第一激光器2进行光声成像，可以获取血氧饱和度信息，还可以进一步实现特异性光学吸收的分子探针成像。
72.实施例2
73.如图2所示，在图2中以带箭头的线段表示光的传播路径及过程。本实施例2提供的光声和散斑联合成像系统对第二样本16采用三个激光器进行激光的光声信号和散斑图像信号成像，第二样本16为生物活体的组织，例如人的手指末端等。
74.本实施例2提供的光声和散斑联合成像系统包括激光器组件、光路组件、信号采集组件和成像控制组件。激光器组件包括第四激光器17、第五激光器18、第六激光器19。光路组件包括第二物镜21、第三二向色镜22、第四二向色镜23、第二光学放大模块24、第一光纤准直器31、第二光纤准直器32。信号采集组件包括第二换能器20、第二图像采集模块25、第二二维扫描模块26。成像控制组件包括第二信号处理模块27、第二主控模块28、第二时序控制模块29、第二数据处理成像模块30。
75.本实施例优选第四激光器17、第五激光器18、第三二向色镜22、第四二向色镜23、第二光学放大模块24、第二物镜21、第二换能器20、第二图像采集模块25之间的相对位置不变。
76.在激光器组件中，第四激光器17为纳秒脉冲激光器，本实施例优选其发射的激光束波长为532纳米；第五激光器18为可调谐波长纳秒脉冲激光器，本实施例优选其发射的激光束的可调谐波长范围在400～1500纳米之间；第六激光器19为连续光激光器，本实施例优选其发射的激光束波长为785纳米；第四激光器17、第五激光器18、第六激光器19均分别通过信号线与第二时序控制模块29电性连接，各自接收第二时序控制模块29所发出的时序控
制信号，并各自根据相应的时序控制信号进行激光束的受控发射；第四激光器17、第五激光器18用于发射对应光声信号的激光束，第六激光器19用于发射对应散斑图像信号的激光束；第四激光器17、第六激光器19均为固定波长的激光器。
77.在光路组件中，第三二向色镜22设于靠近第四激光器17和第五激光器18的位置；第三二向色镜22的中轴线分别与第四激光器17、第五激光器18的中轴延长线成45
°
夹角，第三二向色镜22上靠近第四激光器17的一个侧面用于第四激光器17所发出激光束的入射，远离第四激光器17的相对侧面用于第五激光器18所发出激光束的入射、第四激光器17所发出激光束的出射、第五激光器18所发出激光束的反射；第四激光器17所发出激光束在第三二向色镜22出射后、第五激光器18所发出激光束在第三二向色镜22反射后，均垂直射入第一光纤准直器31中；第一光纤准直器31和第二光纤准直器32之间通过光纤进行接连，并在光纤内传播第三二向色镜22射出的激光束；第一光纤准直器31调整入射的激光束至今后，把激光束传播到光纤中，然后激光束在第二光纤准直器32上垂直射出；在第二光纤准直器32上垂直射出的激光束传播到第四二向色镜23上；第四二向色镜23设于靠近第二物镜21和第二换能器20的位置；第四二向色镜23的中轴线与第二物镜21的中轴延长线成45
°
夹角；第四二向色镜23靠近第二物镜21的一个侧面，用于反射从第二光纤准直器32入射来的激光束到第二物镜21中、用于入射从第二样本16传播来的散斑光束；第四二向色镜23远离第二物镜21的相对侧面，用于出射散斑光束到第二光学放大模块24；第二物镜21设于第二换能器20的中央位置，其顶端靠近第四二向色镜23，底端靠近第二样本16，第四二向色镜23所反射的激光束从上到下穿过第二物镜21照射到第二样本16，第二样本16所射出的激光散斑从下到上穿过第二物镜21进行聚焦照射到第二光学放大模块24；第二光学放大模块24为具有光学放大功能的透镜组，用于接收激光散斑并传播到第二图像采集模块25中，第二光学放大模块24的中轴延长线与第四二向色镜23的中轴线成45
°
夹角；第二光学放大模块24的中轴延长线与第二物镜21的中轴延长线的连线处于同一直线上，第四二向色镜23的几何中心点处于第二光学放大模块24的中轴延长线与第二物镜21的中轴延长线所在的连线上。
78.本实施例优选，第四激光器17射出的激光束，在到达第三二向色镜22上的一个侧面时，与第三二向色镜22成45
°
的入射角，透过第三二向色镜22后，与第三二向色镜22上的相对侧面成45
°
的出射角。本实施例优选，第五激光器18射出的激光束，在到达第三二向色镜22上的相对侧面时，与第三二向色镜22成45
°
的入射角，经过反射后与第三二向色镜22上的相对侧面成45
°
的出射角。本实施例优选，第四二向色镜23靠近第二物镜21的一个侧面上，入射的激光束的入射角、反射的激光束的反射角、入射的散斑光束的入射角均为45
°
，第四二向色镜23原理第二物镜21的相对侧面上，出射的散斑光束的出射角为45
°
。
79.在信号采集组件中，第二图像采集模块25用于接收第二光学放大模块24传播来的散斑光束，第二图像采集模块25通过信号线与第二信号处理模块27电性连接，从而将散斑光束对应的电信号传送到第二信号处理模块27中；本实施例优选第二图像采集模块25具体为由面阵图像传感器(cmos摄像头或ccd相机)及多通道模拟信号采集电路组成的图像信号采集装置；第二换能器20与第二信号处理模块27电性连接，用于接收第二样本16所产生的光声信号，本实施例优选第二换能器20为半球形中空超声换能器且顶端设有开孔，第二物镜21设于半球形的顶端开孔并穿透半球形的内、外两侧，半球形中空超声换能器的内侧正下方用来放置第二样本16；第二二维扫描模块26与第二换能器20相互机械连接，本实施例
优选第二二维扫描模块26具体为压电位移运动扫描台；第二换能器20所接收到的光声信号被转换为电信号，同时第二换能器20在会通过压电位移运动扫描台的带动下对第二样本16进行二维位移扫描；根据本实施例两个二向色镜、一个物镜和一个换能器的位置设置关系，可见散斑成像的视场与光声成像的视场相同，且光声信号和散斑图像信号的接收将会同轴；第二二维扫描模块26与第二主控模块28通过信号线或数据线电性连接；第二信号处理模块27通过信号线与第二主控模块28电性连接，用于根据第二主控模块28的相应指令接收光声信号和散斑图像信号；第二二维扫描模块26带动第二换能器20移动到第二样本16上的一个位置时，第二换能器20在该位置采集光声信号，由于第二样本16与第二换能器20之间的距离是已知固定的，根据光声信号到达第二换能器20的时间，可以计算出第二样本16在深度方向上的光学吸收信息，得到二维平面上每一个点的深度方向上的光学吸收信息，进而可以得到样品的三维光学吸收信息。
80.在成像控制组件中，第二信号处理模块27还与第二图像采集模块25电性连接，用于接收光声信号和散斑图像信号并分别进行信号处理后转换为相应可用于计算机处理的数据格式，第二信号处理模块27所做的信号处理包括检测、滤波、变换、调制、降噪中的一种或多种；第二数据处理成像模块30通过数据线或数字电子线路与第二信号处理模块27电性连接，用于从第二信号处理模块27所转换出相应的光声信号数据、散斑图像信号数据中，构建出对应第二样本16的生物组织血液微循环结构图像；第二主控模块28通过数据线和/或数字电子线路分别与第二时序控制模块29、第二信号处理模块27、第二数据处理成像模块30、第二二维扫描模块26电性连接，用于分别对第二时序控制模块29、第二信号处理模块27、第二数据处理成像模块30、第二二维扫描模块26的工作过程进行指令控制；第二时序控制模块29用于根据第二主控模块28的指令生成多个时序控制信号，分别对第四激光器17、第五激光器18、第六激光器19的激光束发射过程控制，使得第四激光器17、第五激光器18、第六激光器19的激光束发射与第二信号处理模块27的信号采集以及接收相对应，从而使第二数据处理成像模块30能够有序地同步相关数据。
81.本实施例进一步优选，第四激光器17、第五激光器18、第三二向色镜22、第四二向色镜23、第二光学放大模块24、第二物镜21、第二换能器20、第二图像采集模块25之间相互通过与一个或多个刚性零部件的机械连接来保持相对位置不变，或者均分别固定连接在同一个外壳的内部来保持相对位置不变，从而在第二二维扫描模块26带动第二换能器20进行位移时能始终保持光声信号和散斑信号的接收同轴，或者直接采用第二二维扫描模块26驱动这些刚性零部件或外壳来带动第二换能器20进行二维位移并保持光声信号和散斑信号的接收同轴。
82.本实施例进一步优选，成像控制组件被集成在一台个人计算机内，第二信号处理模块27、第二数据处理成像模块30、第二时序控制模块29、第二主控模块28均通过个人计算机内的相关的硬件和软件的结合实现。
83.本实施例2的光声和散斑联合成像系统工作过程为：第二主控模块28给到第二时序控制模块29指令，发出控制第六激光器19单独出光一段时长的时序控制信号，第二主控模块28同时控制第二信号处理模块27接收散斑图像信号；第二主控模块28在第六激光器19单独出光之前、或者第二信号处理模块27接收完毕散斑图像信号之后，发出指令给到第二时序控制模块29，产生控制第四激光器17、可调谐波长的第五激光器18交替出光的时序控
制信号，第二主控模块28同时控制第二二维扫描模块26带动第二换能器20采集光声信号、第二信号处理模块27接收光声信号；第二信号处理模块27在完成一次光声信号以及散斑图像信号的接收后，让第二信号处理模块27转换接收的信号得到相应的光声成像数据及散斑成像数据；第二数据处理成像模块30根据第二信号处理模块27的光声成像数据及散斑成像数据，搭建出第二样本16的生物组织血液微循环结构图像。
84.本实施例2相比现有技术，其有益效果在于：
85.光声成像和散斑成像通过第四二向色镜23共用第二物镜21，散斑成像的光路和光声成像的光路在被接收时同轴，可以保证成像的视场一致性实现联合成像的功能，避免现有技术需要额外视场叠加时的位置校验步骤，降低了第二信号处理模块27、第二数据处理成像模块30在信号和数据处理的耗时，提升了成像的效率，获取同一视场下的大尺寸的血管和血液流速的信息和高分辨率的微血管和特异性吸收体的信息；
86.第二物镜21设置在第二换能器20中央位置的结构实现了光声信号和散斑图像信号处于同一视场，避免了现有技术需要光电滑环分离光声信号的激光与散斑图像信号的弊端，简化了光学零部件的数量及结构复杂程度，增加了整个系统的使用可靠性和维护便捷性；
87.第一光纤准直器31、第二光纤准直器32之间通过光纤连接后，能够对第三二向色镜22射出的激光束进行直径调整，从而方便光声信号的激光最后在第二物镜21聚焦，提高光声信号的精度；
88.可调谐波长的第五激光器18和第四激光器17进行光声成像，可以获取血氧饱和度信息，还可以进一步结合第二物镜21和第二换能器20做成分子探针。
89.实施例3
90.结合图3所示。本实施例提供的光声和散斑联合成像方法，可基于实施例1或实施例2的系统进行执行。本实施例的光声和散斑联合成像方法，包括步骤如下：
91.s1、成像控制组件中的主控模块发出指令，控制成像控制组件中的信号处理模块进入工作状态，等待接收散斑图像信号和光声信号；
92.s2、主控模块向成像控制组件中的时序控制模块向发出指令，由时序控制模块产生对应用于产生散斑图像信号的一个激光器的第一时序信号；
93.s3、散斑成像阶段：对应用于产生散斑图像信号的激光器根据第一时序信号，在设定的一个时长内周期性地发射激光照射生物活体组织样本，形成散斑图像信号，其中以第一时序信号的高电平区间上升沿作为激光发射的触发信号；主控模块在时序控制模块产生第一时序信号后，发出指令分别控制信号采集组件中的图像采集模块所采集对应的散斑图像信号、控制信号处理模块将散斑图像信号进行处理转换为散斑图像数据；其中，出光的周期、高电平区间所占出光周期的比例均可以根据需求进行设定；
94.s4、在形成散斑图像数据后，主控模块向时序控制模块发出指令停止产生第一时序信号，然后由时序控制模块在另一个设定的时长内，交替产生对应用于产生光声信号的可调谐波长纳秒脉冲激光器的第二时序信号、对应用于产生光声信号的另一个激光器的第三时序信号；
95.s5、光声成像阶段：对应用于产生光声信号的可调谐波长纳秒脉冲激光器、对应用于产生光声信号的另一个激光器通过光路组件，周期性地交替出光对生物活体组织样本进
行照射，形成光声图像信号，其中由对应第三时序信号的激光器先出光，以高电平区间上升沿为触发信号；主控模块在时序控制模块产生的第三时序信号的首个周期的高电平区间结束后，即照射生物活体组织样本产生的光声信号首次达到换能器后，发出指令控制二维扫描模块带动换能器二维位移扫描生物活体组织样本接收的光声信号、控制信号处理模块将光声信号进行处理转换为光声图像数据；其中，交替出光的周期、高电平区间所占交替出光周期的比例均可以根据需求设定；
96.s6、在获得光声图像数据和散斑图像数据后，主控模块发出指令控制成像控制组件中的数据处理成像模块，根据散斑信号和光声信号处于同一视场下的特性，从光声图像数据和散斑图像数据中构建出生物活体组织的血液微循环结构图像。
97.本实施例3相比现有技术，其有益效果在于：
98.光声成像和散斑成像由于在被接收时同轴，可以保证成像的视场一致性实现联合成像的功能，避免现有技术需要额外视场叠加时的位置校验步骤，降低了信号处理模块、数据处理成像模块在信号和数据处理的耗时，提升了成像的效率，获取同一视场下的大尺寸的血管和血液流速的信息和高分辨率的微血管和特异性吸收体的信息、同时实现对血氧饱和度信息的获取；通过时序控制信号的方式，有序的进行成像操作，降低了信号处理过程的数据同步需求，提升了处理效率。
99.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。

技术特征：
1.一种光声和散斑联合成像系统，其特征在于，包括激光器组件、光路组件、信号采集组件和成像控制组件；所述激光器组件包括三个激光器；所述三个激光器中的一个用于发射对应产生散斑图像的激光束，另外两个用于发射对应产生光声图像的激光束；所述光路组件包括两个二向色镜、一个物镜；所述两个二向色镜中的一个靠近两个对应光声图像的激光器，用于透射和/或反射两个对应光声图像的激光器所发出的激光束到另一个二向色镜；两个二向色镜中的另一个靠近信号采集组件，用于反射靠近两个对应光声图像的激光器的二向色镜所射来的激光激光束，和/或透射对应散斑图像的激光器所发出的激光束照射生物活体组织后所射来的散斑光束；所述物镜用于聚焦另一个二向色镜所反射的激光束和/或聚焦散斑光束；所述信号采集组件包括图像采集模块、换能器；所述图像采集模块用于接收散斑光束并采集相应的散斑信号；所述换能器用于接收光声信号并转换为电信号；信号采集组件还包括二维扫描模块；所述二维扫描模块与换能器连接，用于带动换能器进行二维位移；物镜设于换能器的中央位置；所述成像控制组件分别与图像采集模块、换能器电性连接，用于将散斑信号和/或光声信号转换为数据并构建出相应的生物活体组织血液微循环结构图像。2.根据权利要求1所述的光声和散斑联合成像系统，其特征在于，换能器为半球形中空超声换能器，所述半球形中空超声换能器的顶端设有开孔，物镜设于开孔中并穿透半球形中空超声换能器的内、外两侧。3.根据权利要求1所述的光声和散斑联合成像系统，其特征在于，成像控制组件还分别与三个激光器电性连接，用于分别向三个激光器发出时序控制信号。4.根据权利要求1所述的光声和散斑联合成像系统，其特征在于，用于发射对应产生散斑图像的激光器为连续光激光器；两个用于发射对应产生光声图像的激光器，其中一个为纳秒脉冲激光器，另一个为可调谐波长纳秒脉冲激光器；靠近两个对应光声图像激光器的二向色镜，用于透射可调谐波长纳秒脉冲激光器所发出的激光束、反射纳秒脉冲激光器所发出的激光束。5.根据权利要求1所述的光声和散斑联合成像系统，其特征在于，光路组件还包括两个光纤准直器和一条光纤；所述两个光纤准直器各自分别靠近一个二向色镜；两个光纤准直器通过所述光纤连接，用于传播从其中一个二向色镜射向另一个二向色镜的激光束。6.根据权利要求1所述的光声和散斑联合成像方法，其特征在于，光路组件还包括光学放大模块；所述光学放大模块设于图像采集模块和靠近信号采集组件的二向色镜之间，用于放大散斑光束。7.根据权利要求6所述的光声和散斑联合成像方法，其特征在于，光学放大模块为用于放大光束的一组透镜组；透镜组的中轴延长线与物镜的中轴延长线的连线处于同一直线上；
靠近信号采集组件的二向色镜，其几何中心点位于所述透镜组的中轴延长线、物镜的中轴延长线的连线上，其中轴线与透镜组的中轴延长线、物镜的中轴延长线的连线形成45
°
夹角。8.根据权利要求1所述的光声和散斑联合成像方法，其特征在于，所述激光束在两个二向色镜上透射和/或折射的入射角和/或出射角和/或反射角均为45
°
；所述散斑光束在二向色镜上的入射角和/或出射角均为45
°
。9.根据权利要求1-8任一项所述的光声和散斑联合成像系统，其特征在于，成像控制组件包括信号处理模块、主控模块、时序控制模块、数据处理成像模块；所述主控模块分别与所述信号处理模块、时序控制模块、数据处理成像模块、二维扫描模块电性连接，用于分别向信号处理模块、时序控制模块、数据处理成像模块、二维扫描模块发出指令；所述信号处理模块分别与图像采集模块、二维扫描模块、数据处理成像模块电性连接，用于接收散斑图像信号和光声图像信号进行处理并转换为相应的数据；所述数据处理成像模块用于根据信号处理模块的数据构建生物活体组织的血液微循环结构图像；所述时序控制模块分别与三个激光器电性连接，用于产生时序控制信号，使三个激光器根据时序控制信号发射激光束。10.一种光声和散斑联合成像方法，其特征在于，包括步骤如下：成像控制组件产生对应用于产生散斑图像信号的一个激光器的第一时序信号；对应用于产生散斑图像信号的激光器根据第一时序信号，在设定的一个时长内周期性地发射激光照射生物活体组织样本，形成散斑图像信号；成像控制组件发出指令控制信号采集组件采集对应的散斑图像信号，然后成像控制组件将散斑图像信号进行处理转换为散斑图像数据；形成散斑图像数据后，成像控制组件停止产生第一时序信号，然后成像控制组件在另一个设定的时长内，交替产生对应用于产生光声信号的可调谐波长纳秒脉冲激光器的第二时序信号、对应用于产生光声信号的另一个激光器的第三时序信号；对应用于产生光声信号的可调谐波长纳秒脉冲激光器、对应用于产生光声信号的另一个激光器通过光路组件，周期性地交替出光对生物活体组织样本进行照射，形成光声图像信号；成像控制组件控制信号采集组件采集光声信号，然后成像控制组件将光声信号进行处理转换为光声图像数据；在获得光声图像数据和散斑图像数据后，成像控制组件从光声图像数据和散斑图像数据中构建出生物活体组织的血液微循环结构图像。

技术总结
本发明公开了一种光声和散斑联合成像系统及方法。本发明的系统包括激光器组件、光路组件、信号采集组件和成像控制组件，信号采集组件中的换能器和图像采集模块处于同一视场下。本发明的有益效果在于，结构简单、信号处理复杂度相对较低，可以进行同一视场下的光声和散斑联合成像。散斑联合成像。散斑联合成像。


技术研发人员：叶飞 张吴昱 王巍
受保护的技术使用者：广东光声科技有限公司
技术研发日：2023.05.12
技术公布日：2023/9/23