基于LabVIEW平台的高准确度光声成像系统设计

　　0　引言

　　纯光学成像具有成像快速、非侵入、高分辨率等优点[1-2],但往往随着光穿透组织深度的增加,光在组织中的强散射性造成其成像空间分辨率迅速下降;超声成像具有组织高穿透性的优点[3],但对于早期病变部位成像对比度很低易造成误诊;正电子发射层析术在目前核医学影像研究中具有重要地位[4],但由于其设备复杂、成像速度较慢,且现有示踪剂种类发展有限,使其推广受到限制;核磁共振成像具有无损伤、高分辨率的优点,可同时获得组织解剖和生理功能等信息[5],但其敏感性较低(微克分子水平),且设备成本造价昂贵.因此,研究和发展一种低成本、具有高对比度和高分辨率的无损医学成像方法,是临床医学领域亟待解决的问题.

　　光声成像是一种新近迅速发展起来、基于生物组织内部光学吸收差异、以超声作为媒介的无损生物光子医学影像技术[6-13].它有效地结合了纯光学成像的高对比度和纯声学成像的高穿透深度的优点,可实现厘米量级探测深度和微米量级成像准确度的组织影像[14-24].本文采用“虚拟仪器”(VirtualInstrument,简称VI)技术[25-26],设计了一套单探测器旋转扫描侧向接收模式的高准确度光声成像系统,并成功实现了活体实验鼠的大脑结构和脑皮层血管网络分布成像.

　　1　硬件设计

　　整个实验系统主要由PC机、PCI-GPIB接口卡和PCI-1757接口卡等硬件构建而成,如图1.其主要硬件包括:1)超声传感器,为针状的磺化聚二氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride,PVDF)膜的水听器(HP, Precision acoustic LTD) ,响应带宽为200 kHz~1.5 MHz,探测灵敏度为950 nv/pa,接收面积直径为1 mm;2)信号放大器,包括前放和主放大器(HP,Precision acoustic LTD),其中主放大器的带宽为50 kHz~125 MHz,最小放大倍数为25 dB,最大输入信号的峰峰值为0.5 V;3)数字示波器(TDS3032,Tektronix),最高采样率2.5 GS/s,带宽300 MHz,内置GPIB接口;4)即插即用式GPIB接口卡(PCI-GPIB, National Instruments,NI),是一个数字化24脚(扁型接口插座)并行总线,其中16根线为TTL电平信号线,包括8根双向数据线、5根控制线、3根握手线,另8根为地线和屏蔽线;5)数字I/O卡(PCI-1757UP,Advantech),它提供24通道的高速数字I/O处理,其中每8通道可编程;6)2P步进电机(VEXTA,Japan),其驱动选用2相步进电机驱动器RD-023MS ( RORZE,Taiwan);7)可调谐激光器LS-2134(LOTIS TII,Belarus),工作波长可为350~532 nm或650~1 000 nm,脉宽为8 ns;8)个人计算机.

　　整个测试系统的实验装置如图2,工作原理如下:可调谐激光器工作于内触发模式,输出激光波长选为532 nm,重复频率为20 Hz,脉冲激光能量密度为12 mJ/cm2.当短脉冲激光经扩散后均匀辐射生物组织时,组织吸收光能引起升温,升温导致热膨胀而产生光声信号,经由超声耦合液耦合到水听器.水听器接收到光声信号,经过前放和主放大器放大后输入到数字示波器,数据经多次平均后由GPIB接口送到计算机做后处理.当系统检测到激光器的Q-SWITCH同步输出时,系统会立即呼叫中断处理,提供数据采集开始与停止、数据读取、触发步进电机等中断功能,可让使用者根据实际需求自行设定,以协助使用者立即有效地掌握现场状况.