一种双角度光声传感系统

1.本发明涉及一种光声传感系统，由于涉及一种深度方向的光声传感系统。


背景技术：

2.光声效应是一种通过向生物组织照射纳秒脉冲激光，组织吸收一部分激光能量，进而产生温度瞬时升高和热胀冷缩，进一步激发出脉冲超声波的物理过程。通过选择不同波长的激光照射组织，可以区分不同类型生物组织的光吸收特性。更进一步通过超声探头扫描，可以获得光吸收分布的二维成像结果。
3.然而，受限于有限视角等因素，对于深度方向的传感和成像效果往往不够好。比如，在纵向方向有多根血管重叠的时候，从正上方探测往往只能看到最浅表的那根血管。再比如，当对黑色素瘤成像时，从其正上方进行探测往往只能获得其表面的信号，并不能反映其浸润深度等在深度方向更复杂的结构信息。虽然通过精细的二维扫描，或者应用高密度超声阵列传感器，可以得到更高质量的光声三维图像，但同时也带来整体检测时间太长或系统成本太高的问题。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：传统的基于单个超声探头的光声传感方法，由于没有基准信号作为参考，无法有效地对深度方向进行定量分析和评估。
5.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种双角度光声传感系统，包括用于照射被测组织的激光器，其特征在于，还包括：
6.两个超声探头，其中一个超声探头从被测组织的正上方检测获得光声信号pa1，另外一个超声探头从被测组织的侧面检测获得光声信号pa2；
7.比例系数计算模块，用于计算光声信号pa1与光声信号pa2的信号比例系数；
8.深度预测模块：在深度预测模块中建立信号比例系数与深度信息之间的函数关系，将实时获得的信号比例系数输入深度预测模块后，由深度预测模块基于函数关系输出对应的深度信息。
9.优选地，还包括距离调节机构，用于调节两个超声探头之间的距离，且使得两个超声探头之间的距离连续可调。
10.优选地，所述信号比例系数为时域比例系数，或为频域比例系数，或为时域比例系数以及频域比例系数，其中：
11.时域比例系数采用以下方法计算得到：
12.对光声信号pa1、pa2分别进行时域有效信号的截取；
13.对截取后的光声信号pa1、pa2分别进行峰值检测，获得光声信号pa1、pa2的时域最大值peak(pa1)、peak(pa2)；
14.对时域最大值peak(pa1)、peak(pa2)进行比例运算，得到时域比例系数；
15.频域比例系数采用以下方法计算得到：
16.对光声信号pa1、pa2分别进行有效信号的截取；
17.对截取后的光声信号pa1、pa2分别进行傅立叶变换，得到其在频域的信息；
18.在频域中，提取光声信号pa1、pa2各自的频率信息后做比例运算，从而获得频域比例系数。
19.优选地，所述频率信息为峰值频率点处的幅值大小或为任意频率点处的幅值大小。
20.优选地，当所述信号比例系数为时域比例系数时，在所述深度预测模块中建立时域比例系数与深度信息之间的函数关系，其中，时域比例系数为自变量，深度信息为因变量，将实时获得的时域比例系数输入深度预测模块后，由深度预测模块基于函数关系输出对应的深度信息；
21.当所述信号比例系数为频域比例系数时，在所述深度预测模块中建立频域比例系数与深度信息之间的函数关系，其中，频域比例系数为自变量，深度信息为因变量，将实时获得的频域比例系数输入深度预测模块后，由深度预测模块基于函数关系输出对应的深度信息；
22.当所述信号比例系数为时域比例系数以及频域比例系数时，在所述深度预测模块中同时建立时域比例系数与深度信息之间的函数关系一以及频域比例系数与深度信息之间的函数关系二，其中，频域比例系数、时域比例系数为自变量，深度信息为因变量，将实时获得的时域比例系数以及频域比例系数输入深度预测模块后，由深度预测模块基于函数关系一以及函数关系二分别获得对应的深度信息一以及深度信息二后，再结合深度信息一以及深度信息二输出最终的深度信息。
23.优选地，当所述信号比例系数为时域比例系数以及频域比例系数时，所述深度预测模块将所述深度信息一和所述深度信息二的均值作为最终的深度信息。
24.优选地，所述时域比例系数与深度信息之间的函数关系以及所述频域比例系数与深度信息之间的函数关系均通过数据拟合方法获得。
25.本发明从被测组织正上方和侧边分别放置一个超声传感器，并提出与之匹配的信号处理方法，来提取被测组织的特征信息，进而在基本不增加成本的前提下，实现更多的临床有用信息的提取，如预测皮下血管丰富度，肿瘤浸润深度，以及激光治疗过程中的实时监控治疗效果等。
附图说明
26.图1示意了发明中超声探头的位置放置示意图；
27.图2示意了时域比例系数的计算方法；
28.图3示意了频域比例系数的计算方法；
29.图4示意了本实施例中深度预测模块的实现方法；
30.图5示意了两个超声探头对应的时域光声信号。
具体实施方式
31.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人
员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
32.本实施例公开的一种双角度光声传感系统，包括：
33.用于照射被测组织的激光器。
34.两个超声探头：如图1中的(a)和(b)所示，当被测组织在深度方向的几何特征有区别的时候(比如纵向有更丰富的血管)，传统的基于单个超声探头的光声传感方法，由于没有基准信号作为参考，无法有效的进行定量分析和评估。为解决该问题，在本发明中，利用两个超声探头分别从被测组织的正上方和侧面同时检测得到光声信号pa1、pa2。
35.距离调节机构，用于调节两个超声探头之间的距离，且两个超声探头之间的距离连续可调。我们提出两个探头中间的距离需连续可调。因为，如果距离太近，两个超声探头采集到的光声信号相似度会很高，会降低进行特征提取的精度。相反，如果侧面的超声探头离正上方超声探头太远，又会导致光声信号传播距离太长，声波衰减严重，降低信噪比。所以，两个超声探头之间的距离应该有一个最优值，且根据不同的应用场景，该距离最优值也不一样。在这里，距离的调节方式包括手动方式、电机带动方式等。
36.比例系数计算模块，用于计算光声信号pa1、pa2的时域比例系数，或用于计算光声信号pa1、pa2的频域比例系数，或用于计算光声信号pa1、pa2的时域比例系数以及频域比例系数。
37.时域比例系数的计算方法如图2所示：首先对光声信号pa1、pa2分别进行时域有效信号的截取，去除耦合、外部干扰等部分。然后，对光声信号pa1、pa2分别进行峰值检测，获得信号的时域最大值peak(pa1)、peak(pa2)。最后，对两个光声信号的时域最大值peak(pa1)、peak(pa2)进行比例运算，得到时域比例系数rt，
38.频域比例系数的计算方法如图3所示：首先对光声信号pa1、pa2分别进行有效信号的截取。然后，对光声信号pa1、pa2分别进行傅立叶变换，得到其在频域的信息。在频域中，我们可以提取两个光声信号各自的峰值频率点，以及在特定频率点的幅值大小。根据两个光声信号提取出的频率信息，进一步做比例运算，从而获得频域比例系数rf，其中，fft(
·
)是对时域信号进行傅立叶变换，得到信号的频域信息，peakf(
·
)是对频域信息进行峰值提取，如峰值频率点及其幅值大小或任意频率点处的幅值大小。
39.深度预测模块，用于基于比例系数计算模块计算得到的时域比例系数和/或频域比例系数预测对应的深度信息。
40.若比例系数计算模块获得的是时域比例系数，则在深度预测模块中建立时域比例系数与深度信息之间的函数关系，其中，时域比例系数为自变量，深度信息为因变量；若比例系数计算模块获得的是频域比例系数，则在深度预测模块中建立频域比例系数与深度信息之间的函数关系，其中，频域比例系数为自变量，深度信息为因变量；若比例系数计算模块获得的是时域比例系数及频域比例系数，则在深度预测模块中同时建立时域比例系数与深度信息之间的函数关系以及频域比例系数与深度信息之间的函数关系，其中，时域比例系数、频域比例系数为自变量，深度信息为因变量。
41.本实施例中，比例系数计算模块同时获得时域比例系数以及频域比例系数，因此，
在深度预测模块中同时建立时域比例系数与深度信息之间的函数关系以及频域比例系数与深度信息之间的函数关系。
42.如图4所示，采用数据拟合的方法建立时域比例系数与深度信息之间的函数关系和频域比例系数与深度信息之间的函数关系：首先我们拿到多组已知浸润深度的样品及深度数据，对样品进行双探头的光声信号采集，并通过分析获得时域比例系数及频域比例系数，此时可结合已知的样品标准深度信息，对深度和比例系数进行数据拟合，获得时域及频域两个拟合函数，即：拟合函数一f1(x)＝a+bx+cx2+
…
，用于描述深度信息与时域比例系数之间的函数关系；拟合函数二f2(x)＝α+βx+γx2+
…
，用于描述深度信息与频域比例系数之间的函数关系，其中，自变量为时域比例系数以及频域比例系数，函数值为浸润深度，求出a、b、c、α、β、γ等系数的值。
43.本实施例中：将实时获得的时域比例系数输入深度预测模块后，通过拟合函数一能够获得深度信息一；将实时获得的频域比例系数输入深度预测模块后，通过拟合函数二能够获得深度信息二。则深度预测模块基于深度信息一以及深度信息二计算得到最终的深度信息，本实施例中，深度预测模块将深度信息一和深度信息二的均值作为最终的深度信息
44.应当注意的是，根据实际情况需要，本领域技术人员可以选择时域比例系数或频域比例系数来预测皮下组织的结构信息，即深度信息(如血管丰富度、肿瘤浸润深度、激光治疗效果)，也可以结合时域比例系数以及频域比例系数共同进行预测。
45.上述双角度光声传感系统可以很好地克服单探头光声传感中没有基准信号无法进行定量分析的问题，并提供更多且更准确的组织定量分析评估，如皮下血管丰富度、色素浸润深度等。
46.为验证上述双角度光声传感系统的效果，制作琼脂仿体模拟黑痣组织进行仿体实验：
47.1)采用琼脂粉、水、黑墨水作为基本原料并控制其比例关系，制作出两种含黑色素浓度不同的仿体；
48.2)根据临床上黑痣实际的厚度情况，将仿体制成约一厘米直径、四种不同厚度的圆片，依次为薄、较薄、较厚、厚；
49.3)查询资料得到黑色素的吸收系数，并结合激光在组织中的吸收与穿透能力，选择1064nm作为激发波长；
50.4)对于每块仿体进行信号激发，并在正上方和侧方两个角度进行了信号采集，获得了不同浓度、不同厚度下的实验信号，如图5所示，其中，(a)为低浓度—薄、较薄所对应的信号，(b)为高浓度—较厚、厚所对应的信号；
51.5)绘制出各组信号的时域波形及功率谱分布，并进行组间比较及关键参数的计算。
52.此处，我们采用时域信号分析方法，将同一样品远近不同探头收集到的两个时域信号峰峰值进行比对，得到rt值分布如下表(其中较近的探头收集的信号对应公式中的pa1)：
[0053][0054]
从上表可以看出，不同浓度的rt值差异较大，同一浓度下，随着样品厚度的逐渐增加，比值也呈现下降的趋势，这与我们的理论分析保持了一致。

技术特征：
1.一种双角度光声传感系统，包括用于照射被测组织的激光器，其特征在于，还包括：两个超声探头，其中一个超声探头从被测组织的正上方检测获得光声信号pa1，另外一个超声探头从被测组织的侧面检测获得光声信号pa2；比例系数计算模块，用于计算光声信号pa1与光声信号pa2的信号比例系数；深度预测模块：在深度预测模块中建立信号比例系数与深度信息之间的函数关系，将实时获得的信号比例系数输入深度预测模块后，由深度预测模块基于函数关系输出对应的深度信息。2.如权利要求1所述的一种双角度光声传感系统，其特征在于，还包括距离调节机构，用于调节两个超声探头之间的距离，且使得两个超声探头之间的距离连续可调。3.如权利要求1所述的一种双角度光声传感系统，其特征在于，所述信号比例系数为时域比例系数，或为频域比例系数，或为时域比例系数以及频域比例系数，其中：时域比例系数采用以下方法计算得到：对光声信号pa1、pa2分别进行时域有效信号的截取；对截取后的光声信号pa1、pa2分别进行峰值检测，获得光声信号pa1、pa2的时域最大值peak(pa1)、peak(pa2)；对时域最大值peak(pa1)、peak(pa2)进行比例运算，得到时域比例系数；频域比例系数采用以下方法计算得到：对光声信号pa1、pa2分别进行有效信号的截取；对截取后的光声信号pa1、pa2分别进行傅立叶变换，得到其在频域的信息；在频域中，提取光声信号pa1、pa2各自的频率信息后做比例运算，从而获得频域比例系数。4.如权利要求3所述的一种双角度光声传感系统，其特征在于，所述频率信息为峰值频率点处的幅值大小或为任意频率点处的幅值大小。5.如权利要求3所述的一种双角度光声传感系统，其特征在于，当所述信号比例系数为时域比例系数时，在所述深度预测模块中建立时域比例系数与深度信息之间的函数关系，其中，时域比例系数为自变量，深度信息为因变量，将实时获得的时域比例系数输入深度预测模块后，由深度预测模块基于函数关系输出对应的深度信息；当所述信号比例系数为频域比例系数时，在所述深度预测模块中建立频域比例系数与深度信息之间的函数关系，其中，频域比例系数为自变量，深度信息为因变量，将实时获得的频域比例系数输入深度预测模块后，由深度预测模块基于函数关系输出对应的深度信息；当所述信号比例系数为时域比例系数以及频域比例系数时，在所述深度预测模块中同时建立时域比例系数与深度信息之间的函数关系一以及频域比例系数与深度信息之间的函数关系二，其中，频域比例系数、时域比例系数为自变量，深度信息为因变量，将实时获得的时域比例系数以及频域比例系数输入深度预测模块后，由深度预测模块基于函数关系一以及函数关系二分别获得对应的深度信息一以及深度信息二后，再结合深度信息一以及深度信息二输出最终的深度信息。6.如权利要求5所述的一种双角度光声传感系统，其特征在于，当所述信号比例系数为时域比例系数以及频域比例系数时，所述深度预测模块将所述深度信息一和所述深度信息
二的均值作为最终的深度信息。7.如权利要求5所述的一种双角度光声传感系统，其特征在于，所述时域比例系数与深度信息之间的函数关系以及所述频域比例系数与深度信息之间的函数关系均通过数据拟合方法获得。

技术总结
本发明公开了一种双角度光声传感系统，包括用于照射被测组织的激光器，其特征在于，还包括：两个超声探头，其中一个超声探头从被测组织的正上方检测获得光声信号PA1，另外一个超声探头从被测组织的侧面检测获得光声信号PA2；比例系数计算模块，用于计算光声信号PA1与光声信号PA2的信号比例系数；深度预测模块：在深度预测模块中建立信号比例系数与深度信息之间的函数关系，将实时获得的信号比例系数输入深度预测模块后，由深度预测模块基于函数关系输出对应的深度信息。本发明从被测组织正上方和侧边分别放置一个超声传感器，并提出与之匹配的信号处理方法，来提取被测组织的特征信息，进而在基本不增加成本的前提下，实现更多的临床有用信息的提取。多的临床有用信息的提取。多的临床有用信息的提取。


技术研发人员：高飞 朱璐瑶 高峰
受保护的技术使用者：上海科技大学
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/8/16