光聲成像實驗平臺及教學設計

李韙韜， 王 康， 王曉琳

（南京航空航天大學自動化學院生物醫學工程系，南京 211106）

0 引 言

生物醫學工程是典型的交叉學科，其目標在于培養具有工學、理學、生物學和醫學知識的復合型人才［1］。學生需要學習物理、數學、計算機與工程學、生物和化學等跨學科知識，學習難度很大。采用什么教學形式，促進學生掌握這些跨學科的知識，一直是生物醫學工程學科人才培養探討的問題［2-3］。目前，實驗教學平臺是否具有理工生醫融合特色的綜合性、創新性教學實驗平臺成為關注的重點［4］。南方醫科大學生物醫學工程學院開發了醫用X 線機系統實驗平臺［5］；華中科技大學生命科學與技術學院開發了表面等離子共振實驗平臺［6］；南京郵電大學地理與生物信息學院開發了細胞和分子生物學操作實驗平臺［7］。這些平臺一方面表明實驗教學能夠促進學生對知識的吸收、理解和應用；另一方面說明與所在學校科研項目進行結合，形成的高水平綜合實驗平臺，才能實現科研對教學的反哺，對鍛煉學生形成創造性思維具有不可替代的作用。

本文介紹了一套光聲成像實驗平臺，該實驗平臺由光聲成像軟、硬件模塊組成，實驗內容包括：光纖光路、信號采集與處理、電動機控制與虛擬程序、圖像重建算法與程序設計、生理參數采集及動物實驗等方面。

1 光聲成像原理與實驗平臺構成

1.1 光聲成像原理

光聲成像是基于光聲效應原理的一種新型的無損檢測成像技術。當脈沖激光照射生物組織后，組織表面會吸收光能而轉化為熱能釋放，引起組織周圍周期性的溫度變化，進而導致組織發生熱脹冷縮而產生超聲波［8］，通過對該超聲波的檢測，重建出組織的二維或三維成像。光聲成像技術同時結合了光學成像分辨率高和聲學成像檢測深度深的優點，彌補了單一成像的不足，同時獲得活體動物的結構構圖像和功能圖像（如血流和血氧）。光聲成像近年來被認為最有發展前景的一種生物醫學影像技術［9］。

1.2 光聲成像實驗平臺構成

光聲成像實驗平臺如圖1 所示，分為硬件和軟件模塊［10-11］。光源（532 nm 脈沖激光器）發出的光經分光鏡后一部分被光電傳感器采集后，再經過數據采集卡進入上位機，作為參考信號；另一部分光經偏振分束器被分為兩條光路，一條光路為拉曼光路，另一條為延時光路。在拉曼光路中，因為高重復頻率、高脈沖能量，532 nm的激光在5 m保偏光纖中發生受激拉曼散射效應，產生第1、第2 斯托克斯波長（545 和558nm）。再由濾光片選擇558 nm波長激光輸出，傳輸至二向色鏡。在延時光路中，532 nm 激光經過50 m 的單模光纖后產生少量第1 斯托克斯波長（545 nm）激光，經濾光片選擇532 nm 波長激光輸出，傳輸至二向色鏡。此時，532 nm 激光相比于558 nm 激光時間上延遲了230 ns。兩種波長激光由二向色鏡合并為一條激光束再經光纖耦合器耦合至2 m單模光纖，進入光聲信號采集電路。

圖1 光聲成像實驗平臺組成

在光聲信號采集電路中，單模光纖另一端連接至光聲信號放大和采集電路，其中光聲信號捕捉光路安置在籠型支架上，由步進電動機支撐并控制做蛇形掃描。經過2 m單模光纖后的激光束被擴束透鏡組擴束由平面鏡垂直反射至物鏡聚束，穿過直角棱鏡、硅油和菱形棱鏡后，經聲透鏡進一步聚焦聚束，再照射在生物組織產生光聲信號，由超聲換能器采集經級聯放大器放大濾波，最終由數據采集卡采集并保存于上位機中［11］。

系統使用LabVIEW編寫用戶控制界面，完成步進電動機通信控制、數據采集卡參數設置、掃描參數設置、系統實時顯示等功能，其中步進電動機采用串口通信，主從電動機交替運轉實現蛇形掃描；數據采集卡需要設置采樣率、數據段大小、通道選擇、信號觸發等參數；掃描參數包括電機精準定位、采樣區長寬、電機步進距離和數據存儲；系統實時顯示包括光聲信號一維、二維波形顯示和系統信息、狀態參數顯示。存儲的光聲信號數據采用Matlab處理，通過最大密度投影算法和最小二乘擬合算法實現光聲結構像和功能像的重建。

2 實驗教學內容設計

根據光聲成像原理及實驗平臺構成，其涵蓋了多個生物醫學工程專業需要學習的理論知識。利用該實驗平臺可以開展的實驗如圖2 所示，主要包括：光纖光路設計實驗（生物醫學光子學）、信號采集與處理實驗（數字信號處理）、虛擬儀器軟件設計實驗和雙波長血氧算法實驗等。基于光聲成像的實驗平臺是一個綜合實驗平臺，可以使用該平臺完成生物醫學工程專業多種類型的實驗課和課內實驗的教學。比如，光纖光路設計實驗、信號采集與處理實驗可以服務于大學物理、生物醫學光子學、數字信號處理、生物醫學信號處理等課程的相關實驗教學。虛擬儀器設計實驗可以服務于生物醫學儀器、模擬電路、數字電路等課程。整個系統可以作為觀摩實驗平臺服務于新生研討課程、學科（專業）拓展課和科學實驗探究課等創新課程。同時，平臺也可以進行諸如課程設計、畢業設計、科創項目等綜合型實驗。

圖2 基于光聲成像實驗平臺的教學設計

3 實驗案例分析

3.1 光纖光路設計實驗

本實驗要求學生掌握扎實的光學基礎知識，實驗中鍛煉學生使用透鏡、濾光片、光纖耦合器、光纖、棱鏡等光學元器件，實現脈沖激光的波長變化、耦合、聚焦等功能。本部分實驗的難點在于：①在調制偏振分束器和半波片時，學生需要了解受激拉曼散射效應的原理，清楚拉曼光路和延時光路能量分配比，既需要避免拉曼光路產生不了或產生能量不足的558 nm激光，也需要避免延時光路過多產生受激拉曼散射效應，削弱了延時光路輸出的532 nm激光。②在系統拉曼光路和延時光路的光纖耦合處，學生需要清楚激光束在光纖中的全反射傳播原理，找準光纖入射角度，盡可能提高光纖耦合效率，并且避免拉曼光路因能量太強而燒損光纖。③在二向色鏡調制處，學生需要調節二向色鏡和延時光路輸出端的平面鏡的俯仰角度，使雙波長激光完全合并，否則無法有效耦合至2 m 單模光纖。④在光聲信號捕捉光路中，學生需要了解光聲信號傳播路徑，明白聲透鏡與直角棱鏡、硅油、菱形棱鏡之間的關系，減少光聲信號的傳播損失。

在本實驗中光學元器件之間的組合有諸多參數匹配要求，需要設計合理的光學傳輸路徑，學生通過本部分實驗不僅學習掌握眾多光學基本知識，還能熟練使用光功率計、光譜儀、示波器等光學檢測設備，為今后設計搭建更復雜的光路奠定扎實的基礎。

3.2 信號采集與處理實驗

信號采集與處理實驗學生需要了解A/D轉換、奈奎斯特采樣定理、放大濾波等信號處理相關知識。本部分實驗基于數據采集卡、光電傳感器、超聲換能器和級聯放大器。數據采集卡采用GAGE 公司生產的CES1422 高速數據采集卡，光電傳感器采用Newport公司生產的818-BB-21 高速硅光學探測器，超聲換能器采用Olympus公司生產的V214-BB-RM高頻接觸式傳感器，級聯放大器由MINI-Circuits 公司生產的兩個ZFL-500LN ＋射頻放大器串聯。超聲換能器采集光聲信號后由級聯放大器濾波放大，在光電傳感器傳來的觸發信號調制下，數據采集卡將光聲信號模數轉換并存儲至上位機，參與本部分實驗的學生需要通過LabVIEW實現步進電機串口通信、數據采集卡的參數設置、圖像采集參數設置、數據存儲等功能。

本部分實驗的關鍵點在于：①LabVIEW軟件中一個while循環就是一個線程，系統在采集數據過程中，步進電機同時在做蛇形掃描，為了防止出現數據丟失現象，需要合理解決電機運行和采集卡采集存儲的多線程時間分配問題；②級聯放大器放大濾波后的光聲信號依舊被噪聲信號包圍，在LabVIEW中還需要通過數字信號處理的方式濾波，否則在后期圖像重建過程中無法清楚辨別聲波信號，降低圖像銳度和圖像分辨率；③受激光源內部晶體和波長變化光路的影響，照射在生物組織表面的脈沖激光可能出現不穩定抖動現象，在LabVIEW編程中，需要將觸發信號導入做歸一化處理，消除激光抖動而引起光聲信號不穩定的影響。

學生通過本單元實驗不僅能夠深入理解數字信號處理相關知識，還將掌握串口通信和多線程分配等編程技巧。

3.3 虛擬儀器軟件設計實驗

系統軟件界面是基于LabVIEW實現的，學生需要了解虛擬儀器的軟件編程思想，熟悉LabVIEW軟件開發環境，通過LabVIEW 實現步進電動機串口通信、數據采集卡參數設置、圖像采集參數設置、數據存儲、信號處理、波形顯示等功能。每個功能模塊互不干擾，通過屬性節點、局部變量和函數調用實現各個模塊的連接，在系統功能整合的同時，也不能忽視界面的設計，做到參數設置控件簡單明了、波形顯示清晰，方便后期實驗人員操作。學生通過本單元實驗的設計，既鞏固了LabVIEW軟件編程能力，又對軟件界面布局的思路有一定提高。

3.4 圖像重建算法實驗

目前光聲圖像重建算法眾多，主要使用最大密度投影算法（Maximum Intensity Projection，MIP），它利用光線跟蹤法來跟蹤圖像平面上每個像素發出的投影射線，然后遍歷投影射線上的每個像素值，并保留該投影射線上最大像素值［12-13］。

如圖3 所示，聚焦后的脈沖激光照射在待測組織表面時，由于不同深度的組織對聚焦光束吸收效果不同，從而產生的超聲信號也不同，在z軸方向上就會產生一條超聲波（A-line）。當聚焦脈沖跟隨電動機做蛇形掃描時，x 軸方向上的所有A-line 會形成一條Bscan，將y軸上的所有B-scan 組合就形成了一幅三維光聲圖像。倘若每條A-line 應用MIP算法，三維光聲圖像就會變換為一幅二維光聲圖像。

圖3 光聲圖像重建示意圖

在本單元實驗中，學生需要了解電動機運行方式，掌握基本的生物醫學圖像的二維與三維重建算法，為今后學習CT、核磁共振等生物醫學成像重建算法奠定基礎。

3.5 雙波長血氧算法實驗

目前，光聲血氧成像主要通過最小二乘擬合算法實現的，其本質上是一種線性回歸的參數擬合，系統通過光路調制產生532 和558 nm 兩種波長激光分別對血液中的HbR 和HbO2吸收差異較為明顯。HbR 和HbO2是血液中主要的吸收因子，因此血液吸收系數μa（λi）可表示為：

式中：εHbR（λi）和εHbO2（λi）是HbR和HbO2在波長λi下的摩爾消光系數［cm－1·（mol·L）－1］；CHbR和CHbO2分別是兩種形式的血紅蛋白的濃度（mol/L）。

由于光聲信號幅值P（λi）與局部血液吸收系數μa成正比，因此可以用P（λi）代替μa來計算HbR 和HbO2的相對濃度，則根據最小二乘原理，可得如下最小二乘擬合矩陣：

式中：

K是比例系數，它與超聲波參數、光通過皮膚時局部光通量的波長相關變化有關。但是在激光能量、激光波長、實驗周圍溫度氣壓等測量條件不變的情況下，血氧飽和度為絕對值，則有：

在該單元實驗中，學生需要掌握最小二乘擬合算法的推導過程，通過Matlab 軟件編程實現最小二乘擬合算法和MIP算法的結合，對學生的算法處理能力有一定的提高。

4 結 語

本文介紹了一套光聲成像科學探究實驗平臺，該實驗平臺來源于本學科的科研項目，科學意義和技術水平高，工程需求明確，實現了科研反哺教學的目的。該平臺硬件包括光學元器件、光電轉換模塊、超聲探頭、高速多通道數據采集卡和二維電機，軟件包括圖像重建算法編程（Matlab）和虛擬控制軟件（LabView）。利用該平臺可以實現理、工、生、醫等跨學科相關的基礎實驗和創新綜合實驗。該實驗平臺可以有效的推廣到相關院校的實驗教學中，特別是論文所闡述的從科研平臺到教學實驗平臺的開發思路，具有重要的參考價值。