CN110361357B - 一种用于皮肤检测的单阵元光声谱信号获取系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于皮肤检测的单阵元光声谱信号获取系统及方法，系统体包括：电脑、脉冲激光器、光纤束、分光片、聚焦透镜、光阑、针式水听器、水槽、黑体、单阵元检测换能器、放大器和示波器，方法具体包括：经聚焦透镜整形后的脉冲激光，通过光阑调整光斑大小，垂直照射到待测样本组织上，产生光声信号；经聚焦透镜整形后的脉冲激光照射在浸于水槽的黑体上，利用换能器采集黑体产生的光声信号；经过信号采集，信号处理，获得待测样本的光声能量吸收谱；选取特征波长下的光声声功率谱，进行一次线性拟合，利用获得的线性拟合参数为皮肤检测提供多样化的量化信息。与现有技术相比，本发明具有灵敏度高、检测深度深等优点。

Description

一种用于皮肤检测的单阵元光声谱信号获取系统及方法

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，尤其是涉及一种用于皮肤检测的单阵元光声谱信号获取系统及方法。

背景技术

皮肤是人体最大的器官，对人体机体的健康发挥着尤为重要的保护作用。

目前用于皮肤疾病诊断的无创影像诊断方法包括光学成像和超声成像等。光学成像可以提供比较高的成像分辨率，但由于光在生物组织中的散射比较强，穿透深度有限，导致成像深度不足，只能进行浅表的成像，无法针对不同的皮肤厚度层做出准确的病理学诊断。超声成像相较于光学成像可以提供较深的成像深度，可确定皮损厚度，但其成像基于生物组织的声阻抗差异，因此常难以区分化学性质有所差异但是物理性质却相差不大的病变区域与正常组织，导致对比度不高，尤其难以进行早期的诊断；且超声成像缺乏对化学信息的分析，能提供的有效病变信息较少，不能作为确诊的依据；此外，这些影像诊断方式均无法提供量化信息。

用于皮肤检测的单阵元光声谱方法，结合了光学和声学的优点，能够实现在一定的成像深度下，达到足够的分辨率。同时该方法弥补了目前影像学诊断方式只能从物理或化学单一方面提供信息，且无法提供量化信息的局限性，能够从化学组织层面上剖析生物组织成分的性质、含量、微结构变化等，提供更为准确的客观量化信息。对组织结构与功能信息全面获取的能力也会是医疗、生物科学发展的必然趋势。

中国专利CN201510935010提供了一种超声光声光声谱成像系统及方法，该方法采用阵列超声探头进行皮肤光谱成像检测，然而该方法灵敏度低，易缺失高频信息；且获得的光声谱信息为光声二维谱图，仅能定性对组织进行判断，无法获得量化信息，对组织进行客观准确的判断。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于皮肤检测的单阵元光声谱信号获取系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于皮肤检测的单阵元光声谱信号获取系统，该系统包括：

电脑，用于控制脉冲激光器发射多波长脉冲激光。

脉冲激光器，用于接收电脑指令发射脉冲激光。

多模光纤束，用于引导脉冲激光器发射的脉冲激光。

水槽，用于浸泡黑体并耦合声信号。

分光片，用于将经多模光纤束引导后的脉冲激光进行分光，并分别照射至待测组织样本上及照射到浸入水槽中的黑体上。

聚焦透镜，用于对分光后的脉冲激光束进行聚焦。

光阑，用于对聚焦后的脉冲激光进行尺寸调整，调节照射到待测组织样本上的光斑大小。

针式水听器，用于采集待测组织样本产生的光声信号。

换能器，浸入水槽中，用于采集黑体产生的光声信号。

放大器，用于分别对针式水听器、换能器采集的光声信号进行放大。

示波器，用于对所述针式水听器和换能器采集到的光声信号进行显示和采集。

一种用于皮肤检测的单阵元光声谱信号获取方法，该方法包括如下步骤：

S1、采用耦合剂包裹待测组织样本，将黑体浸没于水槽中，将多波长脉冲光激光经过分光片分光。

S2、将分光后的脉冲光激光分别经过聚焦透镜聚焦照射在待测组织样本和浸入水槽中的黑体上，确定待检测区域大小以调整光阑大小，确定照射到待测组织样本上的光斑尺寸。

S3、采用针式水听器经耦合剂耦合接收来自样本产生的光声信号，将换能器置于水槽中并对准黑体，接收黑体产生的光声信号。

S4、将待测组织样本产生的光声信号对黑体产生的光声信号进行能量归一，以进行激光能量校准，同时对针式水听器进行频响校准。

S5、对能量归一校准后的信号进行处理，获取待测组织样本的光吸收能量谱图。

优选地，对能量归一校准后的信号进行welch处理，以获取待测组织样本的光吸收能量谱图。

S6、根据光吸收能量谱图选取多个特征吸收光波长，进行光声声功率谱一次线性拟合。具体步骤包括：

1)将获得的光能量吸收谱图与已知纯组织成分的光能量吸收谱图做对比，选取多个特征光吸收波长，如血红蛋白、胶原、脂质、黑色素等特征光吸收波长；

2)提取特征光吸收波长下的光声信号，进行信号处理，获得对应光波长下的光声声功率谱，并进行一次线性拟合。

S7、根据步骤S6的拟合结果提取包括斜率、截距、中值在内的一次线性拟合参数。

S8、将获取的拟合参数用来为皮肤疾病检测提供多样化的量化信息。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明采用了光声谱检测的方式，利用光声信号携带了化学组织成分上剖析生物组织的性质、含量和微结构变化等信息，能够实现在特定波长下利用其光声声功率谱线性拟合参数进行定量检测，穿透深度深，灵敏度高，且不易丢失高频信息；

二、本发明采取的聚焦方式为具有一定尺寸的弱聚焦，使得整个样本组织都被光源辐照产生光声信号，可以获得整个组织样本的生物学信息，包括化学组织成分及组织微结构信息等；使用耦合剂包裹除光照方向以外全部待测组织样本，保证了能够获得整个样本的光声信号，有助于获取更全面的待测组织样本的分子化学、微观结构等信息，与传统的影像学诊断方式相比，本发明能够提供量化信息，且能够同时提供物理微结构信息和化学组分信息；

三、本发明使用针式水听器旋转进行多点信号采集，可以获得更丰富的信息，且可以重建得到二维图像，得到对应每个位置的量化信息，灵敏度高、带宽较宽；

四、本发明将黑体浸入水槽中，经脉冲激光照射激发后产生光声信号，产生的光声信号用于对多波长脉冲激光进行光能量归一校准，稳定性高，去除了激光器本身在不同光波长下能量不同的固有局限性；

五、本发明通过利用针式水听器进行频响校准，避免了系统本身对数据造成的影响，能够有效地去除系统噪声。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图；

图2为本发明方法的流程示意图；

图1中标号所示：

1、电脑，2、脉冲激光器，3、多模光纤束，4、分光片，5、聚焦透镜，6、光阑，7、针式水听器，8、黑体，9、水槽，10、换能器，11、放大器，12、示波器，13、待测组织样本。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明涉及一种用于皮肤检测的单阵元光声谱信号获取系统，该系统包括电脑1、脉冲激光器2、多模光纤束3、分光片4、聚焦透镜5、光阑6、针式水听器7、水槽9、换能器10、放大器11和示波器12。电脑1与脉冲激光器 2连接，脉冲激光器2发射脉冲激光由多模光纤束3引导，分光片4将经多模光纤束3引导后的脉冲激光进行分光，并分别通过聚焦透镜5聚焦后照射到待测组织样本13上和照射到黑体8上。黑体8浸入盛有水的水槽9中，经脉冲激光照射激发后产生光声信号，产生的光声信号用于对多波长脉冲激光进行光能量归一。

光阑6用于对聚焦后的脉冲激光进行尺寸调整，并用于调节照射到待测组织样本13上的光斑大小。针式水听器7检测采集待测组织样本13产生的光声信号，并利用放大器11对采集的信号进行放大后在示波器12显示采集。换能器10检测采集黑体8产生的光声信号，并利用放大器11对采集的信号进行放大后在示波器12 显示采集。

利用聚焦透镜将激光脉冲进行弱聚焦，既能提高光能量密度，进而提高光声信噪比，又能实现光完全辐照待测组织样本，使得整个样本组织均能产生光声信号；其中的光阑，可以根据样本组织的大小适时的调整光斑大小，增加了系统的灵活性；多波长脉冲激光扫描范围为690-950nm以及1200-1800nm，涵盖了多种组织成分的特征吸收波长，能够更全面地反映待测样本的光学特性。

优选地，针式水听器7选用灵敏度高，频带宽(可优先选用1-20MHz)的针式水听器，用于更好地接收来自样本产生地光声信号。

本发明还涉及一种用于皮肤检测的单阵元光声谱信号获取方法，该方法基于上述系统，包括下列步骤：

步骤1、搭建实验光路，采用多波长脉冲激光照射待检测区域，以医用耦合剂包裹待测组织样本，将黑体浸没于水槽中，将多波长脉冲光激光经过分光片分光。

步骤2、将分光后的脉冲光激光分别经过聚焦透镜聚焦照射在待测组织样本和浸入水槽中的黑体上，确定待检测区域大小以调整光阑大小，确定照射到待测组织样本上的光斑尺寸。

步骤3、使脉冲激光经聚焦透镜弱聚焦，并经过光阑调整光斑大小后照射到待测组织样本上，使用针式水听器经耦合剂耦合接收来自样本产生的光声信号；将换能器置于水槽中并对准黑体，接收黑体产生的光声信号。

步骤4、将组织样本产生的光声信号对黑体产生的光声信号进行能量归一，以进行激光能量校准，同时对针式水听器进行频响校准，去除系统影响。

步骤5、对归一校准后的光声信号进行welch处理，得到待测组织样本的光吸收能量谱图。

步骤6、获取特征光吸收波长下光声声功率谱线性拟合参数：

将获得的光吸收能量谱图与已知纯组织成分的光能量吸收谱图进行对比，选取多个特征光吸收波长，如血红蛋白、胶原、脂质、黑色素等特征光吸收波长。

提取对应特征光吸收波长下的光声信号，进行信号处理，获得对应光波长下的光声声功率谱，并进行一次线性拟合；提取一次线性拟合参数，包括斜率、截距、中值等，进行定量的评估。

步骤7、利用获取的拟合参数为皮肤疾病检测提供多样化的量化信息。

对于光声效应来说，本发明采取的聚焦方式为具有一定尺寸的弱聚焦，使得整个样本组织都被光源辐照产生光声信号，可以获得整个组织样本的生物学信息，包括化学组织成分及组织微结构信息等。

光声，是光进声出的检测技术，光声效应描述的是一种利用脉冲激光或调制电磁波作为声波激发源辐照在组织上，组织体内的大分子发色团由于热弹效应产生辐射声能的过程。光声是在超声的平台上结合了光学的优势，探测深度更深的同时保留高灵敏度性。同时基于组织内吸收团的特征光谱吸收和形态结构，光声信号可以同时携带检测样本的物理、化学、微观结构等信息，对比目前的诸多术中边界探测技术，更为精准界定边界，下式为光声方程，表明当组织受到时变加热(光照)时便会向外辐射声波：

其中，β为热膨胀系数，

为热函数，η_th为热转换效率，

是生物组织被辐照区域的比光功率沉积，

为光通量，C_p为等压比热容，

为t时刻，r 处产生的声压，

为拉普拉斯算子，c为声速，V为体积。

步骤1中，使用耦合剂包裹除光照方向以外全部待测组织样本，保证了能够获得整个样本的光声信号，帮助获得更全面的待测组织样本的分子化学、微观结构等信息；使用针式水听器，灵敏度高、带宽较宽(1-20MHz)；同时，将针式水听器旋转进行多点信号采集，可以获得更丰富的信息，甚至可以重建得到二维图像，得到对应每个位置的量化信息。

步骤3和步骤4中，利用黑体产生的光声信号，对待测组织样本进行光能量的归一校准，稳定性高，去除了激光器本身在不同光波长下能量不同的固有局限性；进行针式水听器的频响校准，避免了系统本身对数据造成的影响，以去除系统噪声。

步骤5中，采用Matlab软件中pWelch函数(平滑平均窗口为30000，信号重叠率为90％)进行时频转换，计算信号的功率谱，获得待测组织样本的光吸收能量谱图，其中横坐标为光吸收波长(690-950nm，1200-1800nm)，纵坐标为吸收激光产生的光声信号的归一后的能量幅度(以水的特征吸收峰波长1450nm为归一点)；将获得的光吸收能量谱图与已知纯组织成分(有氧血红蛋白、无氧血红蛋白、胶原、脂质、黑色素、水等)的光能量吸收谱图进行对比，选取多个特征光吸收波长(吸收峰，或远高于其他物质的光吸收波长)，如血红蛋白、胶原、脂质、黑色素等特征光吸收波长，以对待测组织样本中这些组织成分的含量、微结构等变化进行分析。

步骤6中，提取对应组织成分特征光吸收波长下的光声信号，进行信号处理，获得对应光波长下的光声声功率谱，并进行一次线性拟合；获得一次线性拟合参数，包括斜率、截距、中值等。其中截距和中值是对组织成分含量的评估，截距反映的是组织中对应中低频尺寸的组织含量的评估；中值也称为中频强度，是对组织平均信号的强度的反映；斜率反映的是组织中对应高低频的组织尺寸的相对分布，是对组织的均匀程度、异质性的评估。如在肿瘤组织中常伴随着血管的异常增生，那么相对于正常组织，其血红蛋白含量会增加，对应的血红蛋白特征光吸收光波长下的一次线性拟合参数，截距和中值通常会变大，斜率会变小。因此，可以利用光声声功率谱拟合参数进行定量的评估，用以为皮肤疾病检测提供多样化的量化信息。

本发明采用了光声谱检测的方式，利用光声信号携带了化学组织成分上剖析生物组织的性质、含量和微结构变化等信息，能够实现在特定波长下利用其光声声功率谱线性拟合参数进行定量检测，穿透深度深，灵敏度高，且不会丢失信息。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种用于皮肤检测的单阵元光声谱信号获取方法，其特征在于，该方法应用用于皮肤检测的单阵元光声谱信号获取系统，该系统包括：

电脑，用于控制脉冲激光器发射多波长脉冲激光；

脉冲激光器，用于接收电脑指令发射脉冲激光；

多模光纤束，用于引导脉冲激光器发射的脉冲激光；

水槽，用于浸泡黑体并耦合声信号；

分光片，用于将经多模光纤束引导后的脉冲激光进行分光，并分别照射至待测组织样本上及照射到浸入水槽中的黑体上；

聚焦透镜，用于对分光后的脉冲激光束进行聚焦；

光阑，用于对聚焦后的脉冲激光进行尺寸调整，调节照射到待测组织样本上的光斑大小；

针式水听器，用于采集待测组织样本产生的光声信号；

换能器，浸入水槽中，用于采集黑体产生的光声信号；

放大器，用于分别对针式水听器、换能器采集的光声信号进行放大；

示波器，用于对所述针式水听器和换能器采集到的光声信号进行显示和采集；

所述用于皮肤检测的单阵元光声谱信号获取方法包括下列步骤：

1)采用耦合剂包裹待测组织样本，将黑体浸没于水槽中，将多波长脉冲光激光经过分光片分光；

2)将分光后的脉冲光激光分别经过聚焦透镜聚焦照射在待测组织样本和浸入水槽中的黑体上，确定待检测区域大小以调整光阑大小，确定照射到待测组织样本上的光斑尺寸；

3)采用针式水听器经耦合剂耦合接收来自样本产生的光声信号，将换能器置于水槽中并对准黑体，接收黑体产生的光声信号；

4)将黑体产生的光声信号对待测组织样本产生的光声信号进行能量归一，以进行激光能量校准，同时对针式水听器进行频响校准；

5)对能量归一校准后的信号进行处理，获取待测组织样本的光吸收能量谱图；

6)根据光吸收能量谱图选取多个特征吸收光波长，进行光声声功率谱一次线性拟合；

7)提取包括斜率、截距、中值在内的一次线性拟合参数，截距和中值为对组织成分含量的评估，采用截距评估组织中对应中低频尺寸的组织含量，采用中值反映组织平均信号的强度，采用斜率反映组织中对应高低频的组织尺寸的相对分布。

2.根据权利要求1所述的用于皮肤检测的单阵元光声谱信号获取方法，其特征在于，步骤5)中，对能量归一校准后的信号进行welch处理，获取待测组织样本的光吸收能量谱图。

3.根据权利要求2所述的用于皮肤检测的单阵元光声谱信号获取方法，其特征在于，步骤6)具体包括以下步骤：

61)将获得的光能量吸收谱图与已知纯组织成分的光能量吸收谱图做对比，选取多个特征光吸收波长；

62)提取特征光吸收波长下的光声信号，进行信号处理，获得对应光波长下的光声声功率谱，并进行一次线性拟合。

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