X射線光聲成像的信號檢測與仿真

劉 剛，錢建庭，李先明，鄭溪園，李煒澔，林運政，謝 兵，刁現(xiàn)芬

1)深圳大學醫(yī)學部生物醫(yī)學工程學院，廣東深圳 518071； 2)深圳市人民醫(yī)院腫瘤放射科，廣東深圳 518020；3)深圳市寶安人民醫(yī)院腫瘤放射科，廣東深圳 518060

光聲成像的理論基礎是光聲效應．所謂光聲效應是指當使用短脈沖的光照射生物組織時，組織吸收光能量產(chǎn)生局部溫度變化，進而造成組織發(fā)生熱彈性膨脹從而產(chǎn)生超聲信號，這種超聲信號即為光聲信號[1]．光聲成像技術就是先利用高靈敏度超聲探頭檢測組織產(chǎn)生的光聲信號，再利用檢測到的光聲信號重建出組織中光的吸收分布圖像的一種新興的成像模式．組織對光的吸收差異與其化學成分密切相關，而化學成分又可反應組織的功能信息，因此，組織的光吸收分布圖像可為各種疾病的早期診斷、病情分期及療效評估等提供重要依據(jù)．

近年來，光聲成像技術得到了飛速發(fā)展，目前正在從基礎研究階段向著臨床應用階段邁進． WANG等[2]運用光聲成像對老鼠腦部成像，成像中心區(qū)域的軸向分辨率達0.1 mm，切向分辨率<0.25 mm；2016年該課題組通過對整個鼠腦的光聲成像，得到了整個大腦的血流情況[3]．ALLES等[4]在光聲成像雜波抑制理論中具有突出的研究成果，大大提高了光聲成像的圖像質量．ZHAO等[5]首次提出光聲成像檢測生物組織黏彈性的新方法．SONG等[6]證實了壓縮感知理論在頻率域光聲成像中的應用．以上光聲成像技術使用脈寬為幾十納秒到幾百納秒的激光脈沖作為光聲信號的激發(fā)光源．該技術經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已開始用于臨床．而基于光聲效應的原理，當采用脈沖X射線作為輻照組織的脈沖光源時，將同樣會產(chǎn)生光聲信號．相比采用脈沖激光的光聲成像技術，研究人員對于脈沖X射線的光聲效應研究要少些．1988年，MASUJIMA等[7]使用連續(xù)光譜的X射線照射銅、鋁、鉛，并用麥克風檢測到了相應的光聲信號． BOWEN等[8]首次使用4 MV的醫(yī)用直線加速器照射水，使用中心頻率500 kHz的超聲探頭檢測到了水的光聲信號． XIANG等[9]用單陣元換能器圍繞鉛塊200個位置進行360°旋轉掃描，對采集到的信號進行圖像重建，提出了X光聲斷層成像(X-ray acoustic computed tomography, XACT)．XIANG等[10]使用脈沖寬度為60 ns的X射線作為激發(fā)光源，圖像的分辨率達到350 μm，同時通過理論研究減少X射線曝光時間和輻射劑量實現(xiàn)成像，從而降低腫瘤檢測過程中致癌的風險[11]．HICKLING等[12]通過對K-wave仿真結果與實際實驗數(shù)據(jù)對比，論證了X射線光聲成像作為放療時劑量監(jiān)測的可能性．

可見，X射線光聲成像技術發(fā)展相對緩慢，究其原因在于放療用的X射線脈沖寬度一般為幾個微秒，所產(chǎn)生的光聲信號的強度和頻率都比較低，難以重建出高分辨率的光聲圖像，且目前針對低頻超聲信號的高靈敏度接收探頭仍相對較少．另外，放療室內的電磁干擾等噪聲嚴重，也難以被控制，導致接收到的光聲信號信噪比非常低．因此， X射線光聲信號采集仍存在諸多困難．

本研究對放療用X射線激發(fā)的光聲信號進行了初步的理論研究和實驗分析．首先，通過搭建的光電檢測電路，檢測到放療X射線脈沖的寬度；其次，在Matlab環(huán)境下，應用K-wave聲波場時域仿真工具包根據(jù)光聲效應原理仿真出脈沖寬度為幾個μs的光脈沖照射，并對產(chǎn)生的光聲信號進行頻譜分析；然后，針對理論仿真得到的光聲信號特點，選用PZT-4低頻壓電陶瓷材料設計并制作接收探頭，再搭建一個單振元的光聲信號檢測系統(tǒng)，應用西門子PRIMUS直線加速器產(chǎn)生的脈沖X射線作為激發(fā)光源，對比分析所設計的PZT-4探頭與Olypus V301商用探頭所接收到的光聲信號差異．

1 光電檢測電路及X光脈沖檢測結果

1.1 光電檢測電路

為檢測由醫(yī)用直線加速器發(fā)射出的X射線脈沖寬度，使用光電二極管搭建一個簡單的光電檢測電路．光電二極管是一種光敏傳感器，基于光電效應的原理，即當光子照射在器件上，使電路中產(chǎn)生電流或使電特性發(fā)生變化的效應．針對高能X射線，本研究選擇濱松(HAMAMATSU) S1223-01高性能硅PIN光電二極管．通過并聯(lián)2個二極管增加檢測靈敏度，并串聯(lián)1個2 kΩ電阻，使用示波器(Tektronix DPO5054)接收信號，如圖1．

圖1 光電檢測電路及光電二極管實物圖Fig.1 Photoelectric detection circuit and photo of photodiode

1.2 X光脈沖檢測結果

直線加速器產(chǎn)生的X射線束正照光電二極管，經(jīng)光電檢測電路轉換成可被檢測到的電壓信號，用示波器檢測得到的結果如圖2．

圖2 光電二極管檢測結果Fig.2 Detection result of photodiode

觸發(fā)信號設置為下降沿觸發(fā)．該信號由西門子PRIMUS直線加速器外部控制臺PULSE1端口提供，它對應的是直線加速器內部球管的充放電過程，下降沿為整個充電過程，并在之后維持約4 μs時間，上升沿則為放電過程．實線為由光電檢測電路檢測到的信號波形，當X射線照射到二極管時，電路產(chǎn)生可被檢測到的信號，由于光電子的堆積，示波器檢測到上升沿信號，之后隨著球管的放電，X射線停止照射光電二極管，示波器檢測到下降沿信號，該信號上升沿對應的就是X射線脈沖照射的時間，約4 μs．

2 理論仿真

2.1 仿真工具K-wave

本研究采用K-wave工具包進行仿真．K-wave是一種開源的進行時域內聲學傳播仿真的Matlab開發(fā)工具箱，它能簡捷地構建聲學、超聲和光聲的聲場，并進行圖像重建，從而實現(xiàn)基于不同物質的模擬仿真．K-wave工具包能夠實現(xiàn)一維、二維和三維的光聲仿真，通過對空間和時間上的交替抽樣的離散方式，將波動方程的微分形式進行差分離散化，將聲波的傳遞區(qū)域劃分成一個個網(wǎng)格，通過空間域上網(wǎng)格點之間的反復迭代，時間域上的不斷更新來達到數(shù)值計算的目的，同時大幅提高了計算精度[13]．

K-wave工具包針對時間變化的壓力源，在公式上對應的是質量源，作為質量守恒方程中的源項出現(xiàn)，適合于不能將脈寬為幾個微秒的脈沖函數(shù)近似為沖激函數(shù)，來求解有源波動方程的時域解．隨時間變化的壓力源需要2個參數(shù)：① 定義那些網(wǎng)格點屬于源的掩膜；② 壓力隨時間的變化函數(shù)．

針對脈沖寬度為4 μs的脈沖X射線，本研究通過K-wave工具包理論仿真分析光源的脈沖寬度改變對光聲信號造成的影響．為計算X射線致光聲效應，需要在K-wave中仿真計算得到介質在受到X射線照射后產(chǎn)生的熱效應，以及由熱效應產(chǎn)生的光聲信號．

仿真過程分兩步進行，依次是光致熱和熱致聲兩個過程的仿真計算．由于介質在吸收X射線后形成的熱效應較為復雜，可通過簡化光致熱過程，在忽略熱擴散的條件下，將熱源[14]定義為

(1)

其中，S為需在K-wave中求解的熱源項；D為X射線照射的劑量率，其值取決于在實驗中直線加速器提供的劑量，仿真時其值依照我們在醫(yī)院使用的200 MU/min；τ為X射線的脈沖寬度，此處τ=4 μs；T為X射線的脈沖周期，T=5 ms；ρ為物質的密度．

熱致聲過程在K-wave中的實現(xiàn)過程[15]為

(2)

其中，c為聲速；β為熱擴散系數(shù)；Cp為比熱容；I(t)是脈沖X射線照射的時間函數(shù)．

通過改變時間函數(shù)I(t)中的脈沖寬度，可以仿真得到不同脈沖寬度下光聲信號的差異．

2.2 理論仿真結果

在實際仿真中，通過對光源的熱函數(shù)S進行定義，計算不同物質(以鉛為例，包含物質的密度ρ、比熱容Cp和熱擴散系數(shù)β)與X射線的相互作用，得到物質產(chǎn)生的聲壓p． 規(guī)定相應的聲壓源分布后，可通過在K-wave工具包中設置相應的超聲換能器作為接收系統(tǒng)，接收該聲壓源通過介質傳播后的光聲信號．聲壓源分布設置如圖3．

圖3 K-wave初始壓力分布Fig.3 Initial pressure distribution

圖3中的初始聲壓源設置為鉛塊經(jīng)由X射線產(chǎn)生．K-wave工具包中光聲信號的仿真在256×256的網(wǎng)格內進行，初始壓力分布定義為一個在(0, 0)位置上的方形吸收體，邊長為30 mm，密度為11 300 kg/m3，介質的傳播聲速為1 300 m/s，熱擴散系數(shù)為29.3×10-6m2/s，比熱容為1 300 J/(kg·K)．脈沖周期為5 ms，通過改變脈沖寬度τ可在仿真中觀察到不同τ對應的光聲信號．仿真結果見圖4．

圖4 不同脈寬光源對應產(chǎn)生不同的光聲信號Fig.4 Photo-acoustic (PA) singals generated using lights with different pulse width

由圖4可見，光聲信號是寬頻信號，從61.7 kHz到1.0 MHz都存在著光聲信號，這對實驗采集光聲信號具有一定的指導意義．由圖4還可發(fā)現(xiàn)，脈沖寬度在幾個微秒時頻譜差異不大，X射線的脈沖寬度越寬，信號幅值越弱， 因此利用低頻寬帶的超聲探頭可更好地接收光聲信號．

3 實驗及結果

3.1 實驗系統(tǒng)及參數(shù)設置

實驗中光聲信號的采集是通過直線加速器照射水槽中的物體，再通過超聲換能器接收得到的．直線加速器距離水槽表面1 m，產(chǎn)生的6 MV治療用X射線直接照射物體產(chǎn)生光聲信號，通過超聲換能器接收．

圖5為本研究所搭建的光聲信號采集系統(tǒng)原理框圖．由圖5可見，整個實驗系統(tǒng)主要分為兩部分：一部分在放療室內完成，由直線加速器提供高能X射線，照射物體產(chǎn)生光聲信號，使用超聲換能器接收光聲信號，并對信號做一定的處理；另一部分在放療控制室內完成，主要通過電腦遠程控制示波器進行信號采集，同時將控制臺上的PULSE1端口與示波器的觸發(fā)端口連接，用于同步觸發(fā)示波器采集光聲信號．實驗過程中通過對比不同位置的超聲換能器接收到的超聲波信號的時延，來判斷采集到的信號是否為光聲信號．

3.2 光聲信號接收探頭選取

本研究分別使用V301-SU (Olympus-NDT)商用探頭，以及采用PZT-4陶瓷壓電材料自行設計的探頭來檢測光聲信號．如圖6， V301-SU是目前國外包括XIANG[9]和HICKLING[12]等科研團隊使用較多的探頭，其中心頻率為500 kHz，帶寬為290 kHz．使用4294A Agilent阻抗分析儀測得其阻抗相位圖，在阻抗相位圖中觀測諧振頻率點可得到中心頻率．實測所用V301-SU的中心頻率為360 kHz．

理論仿真結果發(fā)現(xiàn)，脈寬為幾個微秒的光脈沖產(chǎn)生的光聲信號頻率主要集中在低頻部分，因此本研究希望通過設計一款中心頻率低于100 kHz的超聲探頭用作信號接收．PZT-4是一款中心頻率為80 kHz的低頻壓電陶瓷材料，對于低于100 kHz的X射線光聲信號，它可能更適合作為接收換能器．PZT-4陶瓷電極垂直于厚度方向，厚度達19.8 mm，諧振頻率相對較低；直徑達16.7 mm，靈敏度相對較高．考慮以上特性，本研究使用PZT-4作為壓電

圖5 光聲信號采集實驗系統(tǒng)原理示意框圖Fig.5 The system structure of photoacoustic signal acquisition

圖6 奧林巴斯V301及其阻抗特性Fig.6 Olympus transducer V301 and its impedance characteristic

材料．在運用這款材料前，需對其進行封裝并測試．使用黃銅外殼作為屏蔽封裝，同時金屬外殼也可更方便接地；內襯塑料絕緣，并在黃銅外殼的周圍打孔方便接地；使用BNC接口做為信號引出口，同時用同軸電纜作為信號線．PZT-4陶瓷換能器實物圖及其阻抗相位圖見圖7．

圖7 PZT-4陶瓷換能器及其阻抗特性Fig.7 Ceramic transducer PZT-4 and its impedance characteristic

本研究自制的PZT-4陶瓷換能器，實測中心頻率為75.3 kHz，介電常數(shù)約為0.65，電容約為150 pF．同時，由阻抗相位圖可見，該探頭非常窄帶，適合接收窄帶信號．

3.3 實驗結果

由于鉛塊對X射線的吸收系數(shù)較大，產(chǎn)生光聲信號的強度較其他材料大，因此本實驗使用鉛塊作為被照射物，鉛塊大小為2.5 cm×2.0 cm×1.5 cm．分別使用V301-SU和PZT-4作為接收換能器接收光聲信號．直線加速器提供6 MeV強度的X射線，射線與樣品交界的光斑大小為10 cm×10 cm，信號通過數(shù)字示波器(Tektronix DPO5054)采集，前端使用前置放大器(5662，Olympus-NDT)進行34 dB的放大，采樣率為5 MHz，并在示波器采集過程中對信號進行512次平均，以提高光聲信號的信噪比．

由于實驗環(huán)境復雜，為避免電磁干擾的影響，需對整個實驗系統(tǒng)進行電磁屏蔽．電磁屏蔽選用篩孔尺寸為150 μm紫銅網(wǎng)，屏蔽網(wǎng)與直線加速器共地．

圖8 Olympus V301換能器接收到的信號及光聲信號頻譜Fig.8 The PA signals detected by V301-SU and its frequency spectrum

實驗中，通過三軸移動平臺對探頭進行精確距離移動，分析探頭在不同位置采集到信號的時延，以水中聲速1 480 m/s估算，每移動1 cm，光聲信號時延為6.7 μs．實驗結果如圖8和圖9．分別將信號在縱軸上進行一定平移，以方便觀測出信號間的時延，信號幅值通過峰峰值計算可得；信號前40 μs有很明顯的電磁干擾，在對信號分析時將電磁干擾截去．

圖9 PZT-4陶瓷封裝換能器接收到的信號及光聲信號頻譜Fig.9 The PA signals detected by PZT-4 transducer and the frequency spectrum

比較圖8和圖9中探頭距離鉛塊不同距離下的信號，可以觀測到不同距離下探頭接收到的信號產(chǎn)生的時延．Olympus V301換能器接收到的信號幅值約為1 mV，對光聲信號段做頻譜分析，得到信號中心頻率約為47 kHz．PZT-4陶瓷封裝換能器信號幅值可達2 mV左右，探測到的信號中心頻率約為79 kHz．通過對比可以發(fā)現(xiàn)，PZT-4探頭在低頻段接收的信號信噪比更好，也更接近仿真結果中光聲信號的中心頻率73.5 kHz．PZT-4探頭檢測到的信號波形與仿真結果偏差較大，這是因為本研究所設計的探頭帶寬太窄所致．

結 語

通過理論仿真結果發(fā)現(xiàn)，脈沖寬度為幾個微秒的光脈沖所產(chǎn)生的光聲信號為低頻寬帶信號，并且信號強度非常弱．使用醫(yī)用直線加速器產(chǎn)生的脈沖，X射線輻照物體所產(chǎn)生的光聲信號幅值弱，且頻率低，加上醫(yī)院環(huán)境復雜，存在著較強的的電磁干擾，導致信號檢測難度大．雖然使用Olympus V301和自制的PZT-4陶瓷探頭均檢測到了有效的光聲信號．其中，使用本研究自制的PZT-4陶瓷探頭，檢測到的信號幅值是Olympus V301的2倍，且信噪比更好；但是Olympus V301所檢測到的信號波形與理論仿真結果更加接近，自制的PZT-4陶瓷探頭所檢測到的信號波形與理論仿真結果偏差較大．我們認為，這是由于Olympus V301探頭帶寬較大，而自制的PZT-4陶瓷探頭帶寬太窄所致．實驗結果表明，兩款探頭在檢測脈沖寬度為4 μs的X射線脈沖照射所產(chǎn)生的聲信號時都存在不足，為更好的檢測該光聲信號，需要設計一款中心頻率在70 kHz附近、帶寬較寬，且檢測靈敏度較高的探頭．

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61271108，6142780119)；廣東省醫(yī)學科研基金資助項目(A2017280)；深圳市科技基礎研究資助項目(JCYJ20150525092941053)

作者簡介：劉 剛(1992—)，男，深圳大學碩士．研究方向：光聲成像．E-mail：2151220111@szu.edu.cn

引文：劉 剛，錢建庭，李先明，等．X射線光聲成像的信號檢測與仿真[J]. 深圳大學學報理工版，2018，35(3)：324-330.

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