光声成像实验平台及教学设计

李韪韬， 王 康， 王晓琳

（南京航空航天大学自动化学院生物医学工程系，南京 211106）

0 引 言

生物医学工程是典型的交叉学科，其目标在于培养具有工学、理学、生物学和医学知识的复合型人才［1］。学生需要学习物理、数学、计算机与工程学、生物和化学等跨学科知识，学习难度很大。采用什么教学形式，促进学生掌握这些跨学科的知识，一直是生物医学工程学科人才培养探讨的问题［2-3］。目前，实验教学平台是否具有理工生医融合特色的综合性、创新性教学实验平台成为关注的重点［4］。南方医科大学生物医学工程学院开发了医用X 线机系统实验平台［5］；华中科技大学生命科学与技术学院开发了表面等离子共振实验平台［6］；南京邮电大学地理与生物信息学院开发了细胞和分子生物学操作实验平台［7］。这些平台一方面表明实验教学能够促进学生对知识的吸收、理解和应用；另一方面说明与所在学校科研项目进行结合，形成的高水平综合实验平台，才能实现科研对教学的反哺，对锻炼学生形成创造性思维具有不可替代的作用。

本文介绍了一套光声成像实验平台，该实验平台由光声成像软、硬件模块组成，实验内容包括：光纤光路、信号采集与处理、电动机控制与虚拟程序、图像重建算法与程序设计、生理参数采集及动物实验等方面。

1 光声成像原理与实验平台构成

1.1 光声成像原理

光声成像是基于光声效应原理的一种新型的无损检测成像技术。当脉冲激光照射生物组织后，组织表面会吸收光能而转化为热能释放，引起组织周围周期性的温度变化，进而导致组织发生热胀冷缩而产生超声波［8］，通过对该超声波的检测，重建出组织的二维或三维成像。光声成像技术同时结合了光学成像分辨率高和声学成像检测深度深的优点，弥补了单一成像的不足，同时获得活体动物的结构构图像和功能图像（如血流和血氧）。光声成像近年来被认为最有发展前景的一种生物医学影像技术［9］。

1.2 光声成像实验平台构成

光声成像实验平台如图1 所示，分为硬件和软件模块［10-11］。光源（532 nm 脉冲激光器）发出的光经分光镜后一部分被光电传感器采集后，再经过数据采集卡进入上位机，作为参考信号；另一部分光经偏振分束器被分为两条光路，一条光路为拉曼光路，另一条为延时光路。在拉曼光路中，因为高重复频率、高脉冲能量，532 nm的激光在5 m保偏光纤中发生受激拉曼散射效应，产生第1、第2 斯托克斯波长（545 和558nm）。再由滤光片选择558 nm波长激光输出，传输至二向色镜。在延时光路中，532 nm 激光经过50 m 的单模光纤后产生少量第1 斯托克斯波长（545 nm）激光，经滤光片选择532 nm 波长激光输出，传输至二向色镜。此时，532 nm 激光相比于558 nm 激光时间上延迟了230 ns。两种波长激光由二向色镜合并为一条激光束再经光纤耦合器耦合至2 m单模光纤，进入光声信号采集电路。

图1 光声成像实验平台组成

在光声信号采集电路中，单模光纤另一端连接至光声信号放大和采集电路，其中光声信号捕捉光路安置在笼型支架上，由步进电动机支撑并控制做蛇形扫描。经过2 m单模光纤后的激光束被扩束透镜组扩束由平面镜垂直反射至物镜聚束，穿过直角棱镜、硅油和菱形棱镜后，经声透镜进一步聚焦聚束，再照射在生物组织产生光声信号，由超声换能器采集经级联放大器放大滤波，最终由数据采集卡采集并保存于上位机中［11］。

系统使用LabVIEW编写用户控制界面，完成步进电动机通信控制、数据采集卡参数设置、扫描参数设置、系统实时显示等功能，其中步进电动机采用串口通信，主从电动机交替运转实现蛇形扫描；数据采集卡需要设置采样率、数据段大小、通道选择、信号触发等参数；扫描参数包括电机精准定位、采样区长宽、电机步进距离和数据存储；系统实时显示包括光声信号一维、二维波形显示和系统信息、状态参数显示。存储的光声信号数据采用Matlab处理，通过最大密度投影算法和最小二乘拟合算法实现光声结构像和功能像的重建。

2 实验教学内容设计

根据光声成像原理及实验平台构成，其涵盖了多个生物医学工程专业需要学习的理论知识。利用该实验平台可以开展的实验如图2 所示，主要包括：光纤光路设计实验（生物医学光子学）、信号采集与处理实验（数字信号处理）、虚拟仪器软件设计实验和双波长血氧算法实验等。基于光声成像的实验平台是一个综合实验平台，可以使用该平台完成生物医学工程专业多种类型的实验课和课内实验的教学。比如，光纤光路设计实验、信号采集与处理实验可以服务于大学物理、生物医学光子学、数字信号处理、生物医学信号处理等课程的相关实验教学。虚拟仪器设计实验可以服务于生物医学仪器、模拟电路、数字电路等课程。整个系统可以作为观摩实验平台服务于新生研讨课程、学科（专业）拓展课和科学实验探究课等创新课程。同时，平台也可以进行诸如课程设计、毕业设计、科创项目等综合型实验。

图2 基于光声成像实验平台的教学设计

3 实验案例分析

3.1 光纤光路设计实验

本实验要求学生掌握扎实的光学基础知识，实验中锻炼学生使用透镜、滤光片、光纤耦合器、光纤、棱镜等光学元器件，实现脉冲激光的波长变化、耦合、聚焦等功能。本部分实验的难点在于：①在调制偏振分束器和半波片时，学生需要了解受激拉曼散射效应的原理，清楚拉曼光路和延时光路能量分配比，既需要避免拉曼光路产生不了或产生能量不足的558 nm激光，也需要避免延时光路过多产生受激拉曼散射效应，削弱了延时光路输出的532 nm激光。②在系统拉曼光路和延时光路的光纤耦合处，学生需要清楚激光束在光纤中的全反射传播原理，找准光纤入射角度，尽可能提高光纤耦合效率，并且避免拉曼光路因能量太强而烧损光纤。③在二向色镜调制处，学生需要调节二向色镜和延时光路输出端的平面镜的俯仰角度，使双波长激光完全合并，否则无法有效耦合至2 m 单模光纤。④在光声信号捕捉光路中，学生需要了解光声信号传播路径，明白声透镜与直角棱镜、硅油、菱形棱镜之间的关系，减少光声信号的传播损失。

在本实验中光学元器件之间的组合有诸多参数匹配要求，需要设计合理的光学传输路径，学生通过本部分实验不仅学习掌握众多光学基本知识，还能熟练使用光功率计、光谱仪、示波器等光学检测设备，为今后设计搭建更复杂的光路奠定扎实的基础。

3.2 信号采集与处理实验

信号采集与处理实验学生需要了解A/D转换、奈奎斯特采样定理、放大滤波等信号处理相关知识。本部分实验基于数据采集卡、光电传感器、超声换能器和级联放大器。数据采集卡采用GAGE 公司生产的CES1422 高速数据采集卡，光电传感器采用Newport公司生产的818-BB-21 高速硅光学探测器，超声换能器采用Olympus公司生产的V214-BB-RM高频接触式传感器，级联放大器由MINI-Circuits 公司生产的两个ZFL-500LN ＋射频放大器串联。超声换能器采集光声信号后由级联放大器滤波放大，在光电传感器传来的触发信号调制下，数据采集卡将光声信号模数转换并存储至上位机，参与本部分实验的学生需要通过LabVIEW实现步进电机串口通信、数据采集卡的参数设置、图像采集参数设置、数据存储等功能。

本部分实验的关键点在于：①LabVIEW软件中一个while循环就是一个线程，系统在采集数据过程中，步进电机同时在做蛇形扫描，为了防止出现数据丢失现象，需要合理解决电机运行和采集卡采集存储的多线程时间分配问题；②级联放大器放大滤波后的光声信号依旧被噪声信号包围，在LabVIEW中还需要通过数字信号处理的方式滤波，否则在后期图像重建过程中无法清楚辨别声波信号，降低图像锐度和图像分辨率；③受激光源内部晶体和波长变化光路的影响，照射在生物组织表面的脉冲激光可能出现不稳定抖动现象，在LabVIEW编程中，需要将触发信号导入做归一化处理，消除激光抖动而引起光声信号不稳定的影响。

学生通过本单元实验不仅能够深入理解数字信号处理相关知识，还将掌握串口通信和多线程分配等编程技巧。

3.3 虚拟仪器软件设计实验

系统软件界面是基于LabVIEW实现的，学生需要了解虚拟仪器的软件编程思想，熟悉LabVIEW软件开发环境，通过LabVIEW 实现步进电动机串口通信、数据采集卡参数设置、图像采集参数设置、数据存储、信号处理、波形显示等功能。每个功能模块互不干扰，通过属性节点、局部变量和函数调用实现各个模块的连接，在系统功能整合的同时，也不能忽视界面的设计，做到参数设置控件简单明了、波形显示清晰，方便后期实验人员操作。学生通过本单元实验的设计，既巩固了LabVIEW软件编程能力，又对软件界面布局的思路有一定提高。

3.4 图像重建算法实验

目前光声图像重建算法众多，主要使用最大密度投影算法（Maximum Intensity Projection，MIP），它利用光线跟踪法来跟踪图像平面上每个像素发出的投影射线，然后遍历投影射线上的每个像素值，并保留该投影射线上最大像素值［12-13］。

如图3 所示，聚焦后的脉冲激光照射在待测组织表面时，由于不同深度的组织对聚焦光束吸收效果不同，从而产生的超声信号也不同，在z轴方向上就会产生一条超声波（A-line）。当聚焦脉冲跟随电动机做蛇形扫描时，x 轴方向上的所有A-line 会形成一条Bscan，将y轴上的所有B-scan 组合就形成了一幅三维光声图像。倘若每条A-line 应用MIP算法，三维光声图像就会变换为一幅二维光声图像。

图3 光声图像重建示意图

在本单元实验中，学生需要了解电动机运行方式，掌握基本的生物医学图像的二维与三维重建算法，为今后学习CT、核磁共振等生物医学成像重建算法奠定基础。

3.5 双波长血氧算法实验

目前，光声血氧成像主要通过最小二乘拟合算法实现的，其本质上是一种线性回归的参数拟合，系统通过光路调制产生532 和558 nm 两种波长激光分别对血液中的HbR 和HbO2吸收差异较为明显。HbR 和HbO2是血液中主要的吸收因子，因此血液吸收系数μa（λi）可表示为：

式中：εHbR（λi）和εHbO2（λi）是HbR和HbO2在波长λi下的摩尔消光系数［cm－1·（mol·L）－1］；CHbR和CHbO2分别是两种形式的血红蛋白的浓度（mol/L）。

由于光声信号幅值P（λi）与局部血液吸收系数μa成正比，因此可以用P（λi）代替μa来计算HbR 和HbO2的相对浓度，则根据最小二乘原理，可得如下最小二乘拟合矩阵：

式中：

K是比例系数，它与超声波参数、光通过皮肤时局部光通量的波长相关变化有关。但是在激光能量、激光波长、实验周围温度气压等测量条件不变的情况下，血氧饱和度为绝对值，则有：

在该单元实验中，学生需要掌握最小二乘拟合算法的推导过程，通过Matlab 软件编程实现最小二乘拟合算法和MIP算法的结合，对学生的算法处理能力有一定的提高。

4 结 语

本文介绍了一套光声成像科学探究实验平台，该实验平台来源于本学科的科研项目，科学意义和技术水平高，工程需求明确，实现了科研反哺教学的目的。该平台硬件包括光学元器件、光电转换模块、超声探头、高速多通道数据采集卡和二维电机，软件包括图像重建算法编程（Matlab）和虚拟控制软件（LabView）。利用该平台可以实现理、工、生、医等跨学科相关的基础实验和创新综合实验。该实验平台可以有效的推广到相关院校的实验教学中，特别是论文所阐述的从科研平台到教学实验平台的开发思路，具有重要的参考价值。