技术领域
[0001] 本
发明涉及一种弹性、粘性双参数成像方法及装置，尤其是一种光声定量弹性、粘性双参数成像方法及装置，属于
生物医学的弹性、粘性检测技术。
背景技术
[0002] 弹性和粘性是重要的表征物质
力学特性的物理参数，
生物组织弹性和粘性的改变往往与其病理过程和组织异常密切相关，因此生物组织弹性、粘性的测量对于预临床研究和临床应用，特别是检测和诊断像
乳腺癌、肝
纤维化、动脉粥样硬化等许多其他的弹性、粘性发生变化的
疾病方面，具有很好的前景。
[0003] 目前，超声弹性成像、光学相干弹性成像、
磁共振弹性成像作为一种弹性技术被提出，通过测量组织被激励后的应变响应获得组织的相对弹性。即使在一定程度上这些定性的测量方法可用于检测组织病变，但易受操作者主观因素的影响；而且，他们也不适合测量一些例如肝纤维化、动脉粥样硬化之类的弥漫性疾病，因为组织异常并不是发生在一些集中的区域，因此没有正常的背景组织提供对比。剪切波弹性成像虽然能实现定量测量，然而由于存在不可忽略的较大的测量误差，尤其对于不均匀性或层状组织；而且，在剪切波弹性成像中较长持续的声
辐射力产生的高
能量沉积，生物组织很容易因此遭受热损伤。
[0004] 生物组织既表现出弹性，又表现出粘性，视为一种粘弹体，因此需要弹性、粘性同时描述生物组织的力学行为来提供互补信息。然而，在上述成像方法中，粘性并没有受到和弹性相同的关注与重视，这会导致弹性测量的偏差，也会潜在地导致与组织生理状态有关的重要信息的丢失。
[0005] 目前，利用光声技术检测组织弹性的方法已有报道，如2011年9月7日公开的发明
专利：光声弹性成像方法与装置，
申请人：华南师范大学，申请日：2011年1月14日，申请号：201110008213.5；如2013年公开的发明专利：一种便携式无创、实时光声粘弹检测仪，申请人：华南师范大学，申请日：2012年9月26日，申请号：201210363738.5。这两个专利申请都是用强度调制的连续
光源激发产生光声
信号，通过测量该信号与调制信号之间的
相位差来表征组织的粘弹特性(粘弹比)。此种方法在下列情况下存在很大的局限性，第一，当正常组织和变异组织的
弹性模量和粘性系数都分别不相等，但粘弹比相等时，使得测量的
相位延迟相同，不能区分正常组织和变异组织；其次，当在组织的变异过程，弹性和粘性都分别变化，且变化的比例相同时，使得测得的相位延迟一样，不能实现动态过程的检测。
发明内容
[0006] 本发明的目的是为了解决上述现有弹性成像技术和粘弹成像技术的
缺陷，提供了一种能够无损、准确地定量弹性和粘性的光声定量弹性、粘性双参数成像方法。
[0007] 本发明的另一目的在于提供一种实现上述方法的光声定量弹性、粘性双参数成像装置，该装置结构简单、使用方便，可以实现对具有弹性、粘性变化的病变的检测，尤其对于动脉粥样硬化，可得到脂质、纤维、
钙化组织、
炎症的成分分布，从而识别易损斑
块。
[0008] 本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0009] 光声定量弹性、粘性双参数成像方法，所述方法包括以下步骤：
[0010] 1)准连续
激光器发出一定
波长的激光脉冲，经
准直透镜准直；
[0011] 2)经准直的激光脉冲通过聚焦透镜照射到样品池内的待测组织样品上，基于光致热弹效应，使待测组织样品产生光声信号；
[0012] 3)光声信号经超声耦合剂后，由超声探测器接收，再经过信号
放大器放大；
[0013] 4)被放大的光声信号分别被输送到示波器和
锁相放大器，以得到位移的上升时间和光声信号的
相位差，并将该信息存储到计算机中；
[0014] 5)计算机通过驱动
电路控制步进
电机逐点扫描待测组织样品，按照上述步骤1)～4)的方式接收、采集数据；
[0015] 6)计算机对采集到的数据进行处理，根据位移的上升时间和弹性的关系，以及光声信号的相位差和粘弹比的关系，将各点的弹性和粘性以灰度形式映射到显示屏上，获得待测组织样品的定量弹性、粘性的二维灰度图像。
[0016] 作为一种优选方案，步骤4)中，所述位移的上升时间是指：与光声信号对应的位移的上升时间，即位移是光声信号的一次积分。
[0017] 作为一种优选方案，步骤4)中，所述光声信号的相位差是指：激发信号与同频光声信号的相位差。
[0018] 作为一种优选方案，步骤5)中，所述采集数据是指：采用基于Labview控制平台的单通道实时采集系统，并将各点采集得到的数据与待测组织样品各点一一对应。
[0019] 作为一种优选方案，步骤6)中，所述对采集到的数据进行处理是指：采用Matlab程序将样品对应各点的弹性和粘性值分别以灰度形式重建图像，从而获得样品的光声定量弹性、粘性成像图。
[0020] 本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0021] 光声定量弹性、粘性双参数成像装置，所述装置包括光声信号激发组件、光声信号采集组件、光声
信号处理组件和探测扫描组件；
[0022] 所述光声信号激发组件包括准连续激光器、
准直透镜和聚焦透镜；
[0023] 所述光声信号采集组件包括超声探测器、超声耦合剂和信号放大器；
[0024] 所述光声信号处理组件包括示波器、
锁相放大器和计算机；
[0025] 所述探测扫描组件包括驱动电路和步进电机；
[0026] 所述光声信号激发组件、光声信号采集组件和光声信号处理组件依次连接；
[0027] 所述准连续激光器、准直透镜和聚焦透镜依次连接，准连续激光器发出一定波长的激光脉冲，激光脉冲经准直透镜准直后，通过聚焦透镜照射到样品池内的待测组织样品上；所述超声探测器与信号放大器连接；所述示波器和锁相放大器分别与计算机连接；所述计算机、驱动电路和步进电机依次连接。
[0028] 作为一种优选方案，所述准连续激光器发出的激光波长为1064nm，激光调制
频率为0-150KHz。
[0029] 作为一种优选方案，所述超声探测器为既可实现反向接收模式，又可实现上升时间和相位差的同时测量的中空探测器。
[0030] 作为一种优选方案，所述计算机安装有采集控制及
数据处理系统。
[0031] 作为一种优选方案，所述采集控制及
数据处理系统利用Labview和Matlab程序编写而成。
[0032] 本发明的光声定量弹性、粘性双参数成像装置的工作原理是：物质被激发后会产生位移响应，根据
波动方程，弹性越大，物质位移达到峰值所需的时间越短；对于粘弹性物质，由于阻尼效应，位移响应会滞后激励一定的相位差；通过上升时间和弹性的关系，以及相位差和粘弹比的关系，将各点的弹性和粘性以灰度形式映射到显示屏上，获得物质的定量弹性、粘性的二维灰度图像。
[0033] 本发明相对于
现有技术具有如下的有益效果：
[0034] 1、本发明将放大后的光声信号分别输送到示波器和锁相放大器，以得到位移的上升时间和光声信号的相位差，根据位移的上升时间和弹性的关系，以及光声信号的相位差和粘弹比的关系，将待测组织样品各点的弹性和粘性以灰度形式映射到显示屏上，进而获得待测组织样品的定量弹性、粘性的二维灰度图像，克服了现有技术只测量相位差(粘弹比)的缺点，且能无损、准确地定量弹性和粘性。
[0035] 2、本发明利用高度聚焦的激光进行逐点扫描，可以获得高
对比度、高
分辨率的弹性、粘性图像；能够很方便地结合
光声成像，可以提供组织结构和力学方面的互补信息，以及更加全面、深入地展开临床研究。
[0036] 3、本发明从方法上不仅能准确、无损测量弹性模量和粘性系数的绝对值，不受主观因素和待测区域周围组织影响，而且从装置上采用反向检测模式，方便在体组织的弹性、粘性检测，利于产业化推广。
附图说明
[0037] 图1为本发明
实施例1的光声定量弹性、粘性双参数成像的结构示意图。
[0038] 图2为本发明实施例1的光声定量弹性、粘性双参数成像方法的
流程图。
[0039] 图3为本发明实施例2的测量不同浓度的琼脂样品的弹性值图。
[0040] 图4为本发明实施例2的测量不同浓度的琼脂样品的粘性值图。
[0041] 图5为本发明实施例3的生物组织样品示意图。
[0042] 图6为本发明实施例3的生物组织样品的光声弹性成像图。
[0043] 图7为本发明实施例3的生物组织样品的光声粘性成像图。
[0044] 其中，1-准连续激光器，2-准直透镜，3-聚焦透镜，4-超声探测器，5-第一信号放大器，6-第二信号放大器，7-示波器，8-锁相放大器，9-计算机，10-样品池，11-待测组织样品。
具体实施方式
[0045] 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。
[0046] 实施例1：
[0047] 如图1所示，本实施例的光声定量弹性、粘性双参数成像装置包括光声信号激发组件、光声信号采集组件、光声信号处理组件和探测扫描组件；
[0048] 所述光声信号激发组件包括准连续激光器1、准直透镜2和聚焦透镜3；所述准连续激光器1发出的激光波长为1064nm，激光调制频率为0-150KHz；
[0049] 所述光声信号采集组件包括超声探测器4、超声耦合剂、第一信号放大器5和第二信号放大器6；所述超声探测器4为中空探测器，既可实现反向接收模式，又可实现上升时间和相位差的同时测量；
[0050] 所述光声信号处理组件包括示波器7、锁相放大器8和计算机9；所述计算机9安装有采集控制及数据处理系统，该采集控制及数据处理系统利用Labview和Matlab程序编写而成，也就说计算机9具有Labview
数据采集控制程序和Matlab图像重建程序；
[0051] 所述探测扫描组件包括驱动电路和步进电机；
[0052] 所述光声信号激发组件、光声信号采集组件和光声信号处理组件依次连接；
[0053] 所述准连续激光器1、准直透镜2和聚焦透镜3依次连接，准连续激光器1发出一定波长的激光脉冲，激光脉冲经准直透镜2准直后，通过聚焦透镜3照射到样品池10内的待测组织样品11上；所述超声探测器4分别与第一信号放大器5和第二信号放大器6连接；所述示波器7和锁相放大器8分别与计算机9连接；所述计算机9、驱动电路和步进电机依次连接。
[0054] 如图1和图2所示，本实施例的光声定量弹性、粘性双参数成像方法包括以下步骤：
[0055] 1)光声信号激发组件中的准连续激光器1发出一定波长的激光脉冲，经准直透镜2准直；经准直的激光脉冲通过聚焦透镜3照射到样品池10内的待测组织样品11上，激光激励待测组织样品11，基于光致热弹效应，使待测组织样品11产生光声信号；
[0056] 2)光声信号经光声信号采集组件中的超声耦合剂后，由超声探测器4接收，再分别经过第一信号放大器5和第二信号放大器6放大；
[0057] 3)被放大的光声信号分别被输送到示波器7和锁相放大器8，以得到位移的上升时间和光声信号的相位差，并将该信息存储到计算机9中；其中，位移的上升时间是与光声信号对应的位移的上升时间，即光声信号的一次积分就是位移，光声信号的相位差是激发信号与同频光声信号的相位差；
[0058] 4)计算机9通过驱动电路控制步进电机逐点扫描待测组织样品11，按照上述步骤1)～3)的方式接收、采集数据；其中，采集数据是采用基于Labview控制平台的单通道实时采集系统，并将各点采集得到的数据与待测组织样品11各点一一对应；
[0059] 5)计算机9对采集到的数据进行处理，基于波动方程，得到位移的上升时间和弹性的对应关系，由测量的上升时间可定量弹性；基于Kelvin-Voigt模型(KV模型)，得到光声信号的相位差和粘弹比的对应关系，根据测量的相位差可得粘弹比，再将已定量的弹性结合此粘弹比就可定量粘性；将各点的弹性和粘性以灰度形式映射到显示屏上，获得待测组织样品11的定量弹性、粘性的二维灰度图像；其中，对采集到的数据进行处理是采用Matlab程序将样品对应各点的弹性和粘性值分别以灰度形式重建图像，从而获得样品的光声定量弹性、粘性成像图。
[0060] 实施例2：
[0061] 本实施例是利用琼脂样品进行的实验，主要包括以下步骤：
[0062] 1)琼脂样品是分别用0.75g、1.00g、1.25g、1.50g的琼脂粉与50mL的
水混合，煮沸后冷却而成，将制作成的浓度为15g/L、20g/L、25g/L、30g/L的琼脂样品固定在样品池内；
[0063] 2)准连续激光器发出激光脉冲，经准直透镜准直后通过聚焦透镜照射到待测样品上；
[0064] 3)琼脂样品产生的光声信号被超声探测器接收，再经过信号放大器放大。
[0065] 4)被放大的光声信号分别被输送到示波器和锁相放大器，并将此信息存储到计算机中；
[0066] 5)通过测量上升时间和相位差，定量浓度为15g/L、20g/L、25g/L、30g/L的琼脂样品的弹性、粘性，分别如图3和图4所示，从图中可以看出，本发明方法及装置能够确定物质的弹性、粘性。
[0067] 实施例3：
[0068] 本实施例是利用生物组织样品进行的实验。
[0069] 一块含有猪瘦肉、猪肥肉的生物组织样品，如图5所示；通过实施例1的成像方法后，得到生物组织样品的光声弹性成像图和光声粘性成像图，分别如图6和图7所示，可以看出本发明的方法及装置能够重建出样品弹性、粘性差异分布的图像，实现光声定量弹性、粘性成像。
[0070] 综上所述，本发明将放大后的光声信号分别输送到示波器和锁相放大器，以得到位移的上升时间和光声信号的相位差，根据位移的上升时间和弹性的关系，以及光声信号的相位差和粘弹比的关系，将各点的弹性和粘性以灰度形式映射到显示屏上，进而获得待测组织样品的定量弹性、粘性的二维灰度图像，克服了现有技术只测量相位差(粘弹比)的缺点，且能无损、准确地定量弹性和粘性。
[0071] 以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
