李韙韜， 王 康， 王曉琳

（南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，南京 211106）

0 引 言

生物醫(yī)學(xué)工程是典型的交叉學(xué)科，其目標(biāo)在于培養(yǎng)具有工學(xué)、理學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)知識(shí)的復(fù)合型人才［1］。學(xué)生需要學(xué)習(xí)物理、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)與工程學(xué)、生物和化學(xué)等跨學(xué)科知識(shí)，學(xué)習(xí)難度很大。采用什么教學(xué)形式，促進(jìn)學(xué)生掌握這些跨學(xué)科的知識(shí)，一直是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科人才培養(yǎng)探討的問(wèn)題［2-3］。目前，實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是否具有理工生醫(yī)融合特色的綜合性、創(chuàng)新性教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)成為關(guān)注的重點(diǎn)［4］。南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院開(kāi)發(fā)了醫(yī)用X 線機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［5］；華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院開(kāi)發(fā)了表面等離子共振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［6］；南京郵電大學(xué)地理與生物信息學(xué)院開(kāi)發(fā)了細(xì)胞和分子生物學(xué)操作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［7］。這些平臺(tái)一方面表明實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的吸收、理解和應(yīng)用；另一方面說(shuō)明與所在學(xué)校科研項(xiàng)目進(jìn)行結(jié)合，形成的高水平綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，才能實(shí)現(xiàn)科研對(duì)教學(xué)的反哺，對(duì)鍛煉學(xué)生形成創(chuàng)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由光聲成像軟、硬件模塊組成，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：光纖光路、信號(hào)采集與處理、電動(dòng)機(jī)控制與虛擬程序、圖像重建算法與程序設(shè)計(jì)、生理參數(shù)采集及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)等方面。

1 光聲成像原理與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)成

1.1 光聲成像原理

光聲成像是基于光聲效應(yīng)原理的一種新型的無(wú)損檢測(cè)成像技術(shù)。當(dāng)脈沖激光照射生物組織后，組織表面會(huì)吸收光能而轉(zhuǎn)化為熱能釋放，引起組織周圍周期性的溫度變化，進(jìn)而導(dǎo)致組織發(fā)生熱脹冷縮而產(chǎn)生超聲波［8］，通過(guò)對(duì)該超聲波的檢測(cè)，重建出組織的二維或三維成像。光聲成像技術(shù)同時(shí)結(jié)合了光學(xué)成像分辨率高和聲學(xué)成像檢測(cè)深度深的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了單一成像的不足，同時(shí)獲得活體動(dòng)物的結(jié)構(gòu)構(gòu)圖像和功能圖像（如血流和血氧）。光聲成像近年來(lái)被認(rèn)為最有發(fā)展前景的一種生物醫(yī)學(xué)影像技術(shù)［9］。

1.2 光聲成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)成

光聲成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(fā)出的光經(jīng)分光鏡后一部分被光電傳感器采集后，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入上位機(jī)，作為參考信號(hào)；另一部分光經(jīng)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(shí)光路。在拉曼光路中，因?yàn)楦咧貜?fù)頻率、高脈沖能量，532 nm的激光在5 m保偏光纖中發(fā)生受激拉曼散射效應(yīng)，產(chǎn)生第1、第2 斯托克斯波長(zhǎng)（545 和558nm）。再由濾光片選擇558 nm波長(zhǎng)激光輸出，傳輸至二向色鏡。在延時(shí)光路中，532 nm 激光經(jīng)過(guò)50 m 的單模光纖后產(chǎn)生少量第1 斯托克斯波長(zhǎng)（545 nm）激光，經(jīng)濾光片選擇532 nm 波長(zhǎng)激光輸出，傳輸至二向色鏡。此時(shí)，532 nm 激光相比于558 nm 激光時(shí)間上延遲了230 ns。兩種波長(zhǎng)激光由二向色鏡合并為一條激光束再經(jīng)光纖耦合器耦合至2 m單模光纖，進(jìn)入光聲信號(hào)采集電路。

圖1 光聲成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成

在光聲信號(hào)采集電路中，單模光纖另一端連接至光聲信號(hào)放大和采集電路，其中光聲信號(hào)捕捉光路安置在籠型支架上，由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)支撐并控制做蛇形掃描。經(jīng)過(guò)2 m單模光纖后的激光束被擴(kuò)束透鏡組擴(kuò)束由平面鏡垂直反射至物鏡聚束，穿過(guò)直角棱鏡、硅油和菱形棱鏡后，經(jīng)聲透鏡進(jìn)一步聚焦聚束，再照射在生物組織產(chǎn)生光聲信號(hào)，由超聲換能器采集經(jīng)級(jí)聯(lián)放大器放大濾波，最終由數(shù)據(jù)采集卡采集并保存于上位機(jī)中［11］。

系統(tǒng)使用LabVIEW編寫(xiě)用戶控制界面，完成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通信控制、數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)設(shè)置、掃描參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示等功能，其中步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用串口通信，主從電動(dòng)機(jī)交替運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)蛇形掃描；數(shù)據(jù)采集卡需要設(shè)置采樣率、數(shù)據(jù)段大小、通道選擇、信號(hào)觸發(fā)等參數(shù)；掃描參數(shù)包括電機(jī)精準(zhǔn)定位、采樣區(qū)長(zhǎng)寬、電機(jī)步進(jìn)距離和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示包括光聲信號(hào)一維、二維波形顯示和系統(tǒng)信息、狀態(tài)參數(shù)顯示。存儲(chǔ)的光聲信號(hào)數(shù)據(jù)采用Matlab處理，通過(guò)最大密度投影算法和最小二乘擬合算法實(shí)現(xiàn)光聲結(jié)構(gòu)像和功能像的重建。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

根據(jù)光聲成像原理及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)成，其涵蓋了多個(gè)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)需要學(xué)習(xí)的理論知識(shí)。利用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)如圖2 所示，主要包括：光纖光路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)）、信號(hào)采集與處理實(shí)驗(yàn)（數(shù)字信號(hào)處理）、虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和雙波長(zhǎng)血氧算法實(shí)驗(yàn)等?；诠饴暢上竦膶?shí)驗(yàn)平臺(tái)是一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以使用該平臺(tái)完成生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)多種類型的實(shí)驗(yàn)課和課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。比如，光纖光路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、信號(hào)采集與處理實(shí)驗(yàn)可以服務(wù)于大學(xué)物理、生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)、數(shù)字信號(hào)處理、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理等課程的相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。虛擬儀器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)可以服務(wù)于生物醫(yī)學(xué)儀器、模擬電路、數(shù)字電路等課程。整個(gè)系統(tǒng)可以作為觀摩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)服務(wù)于新生研討課程、學(xué)科（專業(yè)）拓展課和科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究課等創(chuàng)新課程。同時(shí)，平臺(tái)也可以進(jìn)行諸如課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、科創(chuàng)項(xiàng)目等綜合型實(shí)驗(yàn)。

圖2 基于光聲成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)設(shè)計(jì)

3 實(shí)驗(yàn)案例分析

3.1 光纖光路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生掌握扎實(shí)的光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，實(shí)驗(yàn)中鍛煉學(xué)生使用透鏡、濾光片、光纖耦合器、光纖、棱鏡等光學(xué)元器件，實(shí)現(xiàn)脈沖激光的波長(zhǎng)變化、耦合、聚焦等功能。本部分實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)在于：①在調(diào)制偏振分束器和半波片時(shí)，學(xué)生需要了解受激拉曼散射效應(yīng)的原理，清楚拉曼光路和延時(shí)光路能量分配比，既需要避免拉曼光路產(chǎn)生不了或產(chǎn)生能量不足的558 nm激光，也需要避免延時(shí)光路過(guò)多產(chǎn)生受激拉曼散射效應(yīng)，削弱了延時(shí)光路輸出的532 nm激光。②在系統(tǒng)拉曼光路和延時(shí)光路的光纖耦合處，學(xué)生需要清楚激光束在光纖中的全反射傳播原理，找準(zhǔn)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(qiáng)而燒損光纖。③在二向色鏡調(diào)制處，學(xué)生需要調(diào)節(jié)二向色鏡和延時(shí)光路輸出端的平面鏡的俯仰角度，使雙波長(zhǎng)激光完全合并，否則無(wú)法有效耦合至2 m 單模光纖。④在光聲信號(hào)捕捉光路中，學(xué)生需要了解光聲信號(hào)傳播路徑，明白聲透鏡與直角棱鏡、硅油、菱形棱鏡之間的關(guān)系，減少光聲信號(hào)的傳播損失。

在本實(shí)驗(yàn)中光學(xué)元器件之間的組合有諸多參數(shù)匹配要求，需要設(shè)計(jì)合理的光學(xué)傳輸路徑，學(xué)生通過(guò)本部分實(shí)驗(yàn)不僅學(xué)習(xí)掌握眾多光學(xué)基本知識(shí)，還能熟練使用光功率計(jì)、光譜儀、示波器等光學(xué)檢測(cè)設(shè)備，為今后設(shè)計(jì)搭建更復(fù)雜的光路奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2 信號(hào)采集與處理實(shí)驗(yàn)

信號(hào)采集與處理實(shí)驗(yàn)學(xué)生需要了解A/D轉(zhuǎn)換、奈奎斯特采樣定理、放大濾波等信號(hào)處理相關(guān)知識(shí)。本部分實(shí)驗(yàn)基于數(shù)據(jù)采集卡、光電傳感器、超聲換能器和級(jí)聯(lián)放大器。數(shù)據(jù)采集卡采用GAGE 公司生產(chǎn)的CES1422 高速數(shù)據(jù)采集卡，光電傳感器采用Newport公司生產(chǎn)的818-BB-21 高速硅光學(xué)探測(cè)器，超聲換能器采用Olympus公司生產(chǎn)的V214-BB-RM高頻接觸式傳感器，級(jí)聯(lián)放大器由MINI-Circuits 公司生產(chǎn)的兩個(gè)ZFL-500LN ＋射頻放大器串聯(lián)。超聲換能器采集光聲信號(hào)后由級(jí)聯(lián)放大器濾波放大，在光電傳感器傳來(lái)的觸發(fā)信號(hào)調(diào)制下，數(shù)據(jù)采集卡將光聲信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)至上位機(jī)，參與本部分實(shí)驗(yàn)的學(xué)生需要通過(guò)LabVIEW實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)串口通信、數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)設(shè)置、圖像采集參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

本部分實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)在于：①LabVIEW軟件中一個(gè)while循環(huán)就是一個(gè)線程，系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)過(guò)程中，步進(jìn)電機(jī)同時(shí)在做蛇形掃描，為了防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，需要合理解決電機(jī)運(yùn)行和采集卡采集存儲(chǔ)的多線程時(shí)間分配問(wèn)題；②級(jí)聯(lián)放大器放大濾波后的光聲信號(hào)依舊被噪聲信號(hào)包圍，在LabVIEW中還需要通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理的方式濾波，否則在后期圖像重建過(guò)程中無(wú)法清楚辨別聲波信號(hào)，降低圖像銳度和圖像分辨率；③受激光源內(nèi)部晶體和波長(zhǎng)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(xiàn)不穩(wěn)定抖動(dòng)現(xiàn)象，在LabVIEW編程中，需要將觸發(fā)信號(hào)導(dǎo)入做歸一化處理，消除激光抖動(dòng)而引起光聲信號(hào)不穩(wěn)定的影響。

學(xué)生通過(guò)本單元實(shí)驗(yàn)不僅能夠深入理解數(shù)字信號(hào)處理相關(guān)知識(shí)，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(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)軟件界面是基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)的，學(xué)生需要了解虛擬儀器的軟件編程思想，熟悉LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，通過(guò)LabVIEW 實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)串口通信、數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)設(shè)置、圖像采集參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信號(hào)處理、波形顯示等功能。每個(gè)功能模塊互不干擾，通過(guò)屬性節(jié)點(diǎn)、局部變量和函數(shù)調(diào)用實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的連接，在系統(tǒng)功能整合的同時(shí)，也不能忽視界面的設(shè)計(jì)，做到參數(shù)設(shè)置控件簡(jiǎn)單明了、波形顯示清晰，方便后期實(shí)驗(yàn)人員操作。學(xué)生通過(guò)本單元實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，既鞏固了LabVIEW軟件編程能力，又對(duì)軟件界面布局的思路有一定提高。

3.4 圖像重建算法實(shí)驗(yàn)

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(lái)跟蹤圖像平面上每個(gè)像素發(fā)出的投影射線，然后遍歷投影射線上的每個(gè)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(cè)組織表面時(shí)，由于不同深度的組織對(duì)聚焦光束吸收效果不同，從而產(chǎn)生的超聲信號(hào)也不同，在z軸方向上就會(huì)產(chǎn)生一條超聲波（A-line）。當(dāng)聚焦脈沖跟隨電動(dòng)機(jī)做蛇形掃描時(shí)，x 軸方向上的所有A-line 會(huì)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(yīng)用MIP算法，三維光聲圖像就會(huì)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(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需要了解電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式，掌握基本的生物醫(yī)學(xué)圖像的二維與三維重建算法，為今后學(xué)習(xí)CT、核磁共振等生物醫(yī)學(xué)成像重建算法奠定基礎(chǔ)。

3.5 雙波長(zhǎng)血氧算法實(shí)驗(yàn)

目前，光聲血氧成像主要通過(guò)最小二乘擬合算法實(shí)現(xiàn)的，其本質(zhì)上是一種線性回歸的參數(shù)擬合，系統(tǒng)通過(guò)光路調(diào)制產(chǎn)生532 和558 nm 兩種波長(zhǎng)激光分別對(duì)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(shù)μa（λi）可表示為：

式中：εHbR（λi）和εHbO2（λi）是HbR和HbO2在波長(zhǎng)λi下的摩爾消光系數(shù)［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(hào)幅值P（λi）與局部血液吸收系數(shù)μa成正比，因此可以用P（λi）代替μa來(lái)計(jì)算HbR 和HbO2的相對(duì)濃度，則根據(jù)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(shù)，它與超聲波參數(shù)、光通過(guò)皮膚時(shí)局部光通量的波長(zhǎng)相關(guān)變化有關(guān)。但是在激光能量、激光波長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)周圍溫度氣壓等測(cè)量條件不變的情況下，血氧飽和度為絕對(duì)值，則有：

在該單元實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需要掌握最小二乘擬合算法的推導(dǎo)過(guò)程，通過(guò)Matlab 軟件編程實(shí)現(xiàn)最小二乘擬合算法和MIP算法的結(jié)合，對(duì)學(xué)生的算法處理能力有一定的提高。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了一套光聲成像科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)源于本學(xué)科的科研項(xiàng)目，科學(xué)意義和技術(shù)水平高，工程需求明確，實(shí)現(xiàn)了科研反哺教學(xué)的目的。該平臺(tái)硬件包括光學(xué)元器件、光電轉(zhuǎn)換模塊、超聲探頭、高速多通道數(shù)據(jù)采集卡和二維電機(jī)，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(tái)可以實(shí)現(xiàn)理、工、生、醫(yī)等跨學(xué)科相關(guān)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新綜合實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以有效的推廣到相關(guān)院校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，特別是論文所闡述的從科研平臺(tái)到教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)思路，具有重要的參考價(jià)值。