[发明专利]一种多通道同步实时数字化光声成像装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及光声成像研究领域，特别涉及一种多通道同步实时数字化光声成像装置及方法。

背景技术

目前光声成像已经成为当前医学影像技术研究的一大热点，光声成像是一种非电离和非侵入性的无损检测技术，可以反映生物组织的结构特征、代谢状态和病变特征。它结合了纯光学成像和超声成像的优点，可得到高分辨率和高对比度的生物组织结构和功能成像。而且光声成像可以很容易的与超声成像结合起来，提供多功能的影像诊断。

光声成像系统经历了从单元采集、多元相控的采集、多通道的切换采集，多通道同步并行采集的设计过程，采集时间大大地缩短了。但由于目前的成像系统都是将采集到的数据在上位机通过一定的成像算法进行处理，因此成像时间受到上位机的处理速度的限制。

申请号为CN200610035700.X的专利申请公开了多通道电子并行扫描光声实时层析成像的方法及其装置。该装置包括激光器、高密度阵列超声换能器、多通道电子并行扫描电路、计算机。多通道电子并行扫描电路包括时间增益放大器、二阶信号滤波、AD转换、FPGA数据处理，FPGA的数据处理包括去探测器的脉冲响应、数字滤波，动态聚焦多波束数字合成。该方法操作方便，控制也比较简单，采用多波束合成，提高了分辨率和信噪比，可以实现层析成像，但仍然有一些不足：1、成像算法是在上位机完成，大大降低了计算机的处理速度，无法完成从采集到成像的实时性；2、由于采用独立的板卡进行采集处理，板卡间没有通信能力，因此无法完成多通道的板卡扩展，对于大规模的多通道(至少是256通道)采集处理只能采取阵元切换的方式，大大降低了成像的处理速度。

因此，需要提供一种多通道且能够同步实时地进行数字化光声成像装置及方法。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种多通道同步实时数字化光声成像装置，该装置制作设计简单、稳定性高，数据的吞吐量大、传输速率及带宽高，应用比较灵活。本发明还提供了一种基于上述多通道同步实时数字化光声成像装置的成像方法。

本发明的一个目的通过以下的技术方案实现：一种多通道同步实时数字化光声成像装置，包括激光器、依次相连的多元超声探测器、前置放大电路和数据成像处理单元，所述激光器发射激光照射到生物组织上产生光声信号，然后由多元超声探测器将光声信号转换为电压信号，再经前置放大电路放大传送到数据成像处理单元；

所述数据成像处理单元包括若干个FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)采集卡、PXIe(PCI eXtensions for Instrumentation Express，面向仪器系统的PCI扩展)背板、CPU板卡和时钟同步板卡，每个FPGA采集卡均与前置放大电路信号连接；所述PXIe背板包括PCIe/PCI转接桥、PCIe交换器，用于CPU板卡、FPGA采集卡的连接及通信，所述CPU板卡与FPGA采集卡之间通过PCIe交换器进行数据传输，各个FPGA采集卡通过PXIe总线与CPU板卡进行通信；所述FPGA采集卡之间通过PCIe交换器进行采集卡之间的P2P(Peer-to-Peer，点对点)数据传输，所述时钟同步板卡与PXIe背板连接，通过时钟总线提供系统差分时钟、差分同步信号、差分星型触发，并且向下兼容PXI时钟，实现多个FPGA采集卡的同步处理。

优选的，所述激光器为纳秒脉冲激光器，脉宽在1-100ns之间，波长在532-1319nm之间，照射到生物组织上的能量小于20mJ/cm²。

优选的，所述多元超声探测器的阵元数为64、128、256、384中的一种，探测器的主频从100KHz到30MHz，与探测的光声信号主频匹配，多元超声探测器为线形、扇形、环形及其它形状的多元超声探测器。

优选的，所述前置放大电路放大倍数在25dB～60dB之间，带宽在100KHz～100MHz之间，前置放大电路前端设计了阻抗变换电路，调谐电路用来与多元超声探测器实现阻抗匹配。

具体的，所述FPGA采集卡包括信号调理与采集模块、FPGA控制器、PXIe控制器和DRAM(Dynamic Random Access Memory，动态随机存储器)，所述信号调理与采集模块、PXIe控制器和DRAM均分别与FPGA控制器相连，PXIe控制器与PXIe背板中的PCIe交换器相连。