一种用于牙体的声显微成像方法与流程

本发明属于医学及无损检测技术领域，涉及一种用于牙体的声显微成像方法。

背景技术：

牙体组织的变化是导致牙腔疾病的主要根源，通常当牙体组织发生了明显的病变时，可能会造成牙的功能失效。目前，临床上，主要是由主治医生采用目视或辅助micro-x射线ct等方法进行牙体损坏或牙体疾病进行检查和诊断。其主要不足是：1)目视检查方法，得不到牙体组织内部信息，特别是难以掌握到一些早期牙体组织的内部变化或病变方面的信息，从而可能会失去最佳的牙病治疗时机；2)micro-x射线ct方法，对患者辐射损害明显，也难以得到早期牙体组织的内部变化或病变方面的信息。对于离体牙，目前主要是采用切片后的光学观察的方法。其主要不足是：1)只能观察到样品表面存在光学灰度差的组织及其变化；2)不能得到牙体样品内部牙体组织和早期牙体组织的内部变化或病变方面的信息。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提出一种基于来自牙体中的声学信息的声显微成像方法。

本发明的技术解决方案是，采用由声学透镜、声学激励/接收单元、声信息处理单元、声学扫描机构、声学扫描控制单元、声学成像单元、牙体样本固定平台组成的声显微成像装置进行声显微成像，其方法是，

(1)声学扫描

①将被观察的牙体样本放置在声显微成像装置的牙体样本固定平台中的声学扫描台容器内，并使牙体样本中被观察面置于声学透镜的下方；

②根据牙体样本在扫描平面内的最大投影面积s⁰，确定声扫描域s^u的大小，

且使s^u＞s⁰，

这里，分别为声透镜在x、y方向的最大扫描范围，且

其中，—分别为声学透镜在x方向的扫描终点和起点，

—分别为声学透镜在y方向的扫描终点和起点，

③根据被观察牙体样本的实际大小，根据式(1)，在声学扫描控制单元中设置牙体样本的(x,y)方向扫描范围；

④设置(x,y)方向声学扫描分辨率δx、δy，且使δx＝δy；

⑤设置声学透镜的扫描速度υ，

扫描分辨率按式(2)确定，

式中，δt—为每点声学信息和位置信息采集和成像显示所需时间；

⑥扫描成像，按照所设置和选择的声学扫描参数，对牙体样本进行声学扫描；

(2)声学成像

利用声学透镜提取扫描过程中第i行第j列位置点的反射声学信息或透射声学信息对牙体样本进行声学成像,

1)反射法声学成像

①利用声学透镜提取扫描过程中第i行第j列位置点的反射声学信息

利用反射声学信息阵列表示扫描域s^u内的各个检测位置的反射声学信息：

式中，

—对应牙体样本中声学反射系数，与牙体组织和牙体均匀性有关，

a0—为牙体样本中入射声波信号的幅值，

α—为入射声波在牙体样本中的声衰减系数，

ν—为入射声波在牙体样本中的声速，

—为来自第i行第j列位置牙体组织中的反射声波的传播时间，

i、j—分别表示第i行第j列位置序列，i＝1,2,...,m,j＝1,2,...,n,

m、n—分别表示反射声学信息阵列的行数和列数；

②利用声学扫描控制单元提取扫描域s^u内第i行第j列位置的检测位置坐标pij(xi,yj)，利用位置阵列pm×n表示扫描域s^u内各个位置点的坐标位置：

③利用声信息处理单元对进行数字化后，按照式(6)转换为成像信号dkl(rkl,gkl,bkl)，此时：

这里，rkl,gkl,bkl—分别对应每个成像点的颜色值，

kr,kg,kb—分别为信号幅值与rkl,gkl,bkl颜色值之间的转换系数，

k、l—分别对应成像域中的位置坐标序列，且取

式(7)中，δnx、δny—分别为扫描域s^u中每个位置点在成像域s^p中的像素点数，此时若用δp表示s^u中每个位置点在成像域s^p中的像素大小，则有：

δp＝δnx×δny×δs

这里，δs—为声学成像单元中所用图像显示器的像素点的物理大小，

将扫描域s^u中每个检测点位置坐标pij(xi,yj)映射到成像域s^p中位置坐标qkl(xk,yl)，并结合式(4)和式(5)，对每个点成像信号dkl(rkl,gkl,bkl)和成像位置坐标qkl(xk,yl)进行融合后，将对应扫描区域s^u的成像结果在成像域s^p中通过矩阵qm×n表示，即有：

式中(8)，m＝m×δnx，n＝n×δny

2)透射法声学成像

①利用声学透镜提取扫描过程中第i行第j列位置点的透射声波信息

利用透射声学信息阵列表示扫描域s^u内的各个检测位置的透射声学信息：

式中，

—对应牙体样本中声学透射系数，与牙体组织和牙体均匀性有关，

α—为入射声波在牙体样本中的声衰减系数，

ν—为入射声波在牙体样本中的声速，

—为来自第i行第j列位置牙体组织中的透射声波的传播时间，

i、j—分别表示第i行第j列位置序列，i＝1,2,...,m,j＝1,2,...,n,

m、n—分别表示透射声学信息阵列的行数和列数；

②利用声学扫描控制单元提取扫描域s^u内第i行第j列位置的检测位置坐标pij(xi,yj)，利用式(5)中的位置阵列pm×n表示扫描域s^u内各个位置点的坐标位置，

③利用声信息处理单元对进行数字化后，按照式(11)转换为成像信号dkl(rkl,gkl,bkl)，此时：

将扫描域s^u中每个检测点位置坐标pij(xi,yj)映射到成像域s^p中位置坐标qkl(xk,yl)，并结合式(5)和式(10)，对每个点成像信号dkl(rkl,gkl,bkl)和成像位置坐标qkl(xk,yl)进行融合后，利用式(8)将对应扫描区域s^u的成像结果在成像域s^p中通过矩阵qm×n表示。

(3)扫描成像显示

根据设定的扫描成像参数，声学透镜在声学激励/接收单元作用下，通过声学扫描机构和声学扫描控制单元使声学透镜在扫描域su内对牙体样本进行扫描，由声信息处理单元和声学扫描控制单元实时获取扫描域su中每个位置点的反射声学信息信号和位置坐标pij(xi,yj)信号，然后由声学成像单元按照式(6、7、8)中的映射关系，转换为成像信号在声学成像单元中创建的成像颜色板中进行成像显示，或由声信息处理单元和声学扫描控制单元实时获取扫描域su中每个位置点的反射声学信息信号和位置坐标pij(xi,yj)信号，然后由声学成像单元按照式(7、8、11)中的映射关系，转换为成像信号在声学成像单元中创建的成像颜色板中进行成像显示，成像颜色板的大小由成像域s^p按照式(12)确定，

s^p＝m×n(12)。

所述的扫描域s^u的确定方法是，

s^u＝(2.0～3.3)s^o

这里，s^o为被观察牙体样本在扫描平面内的最大投影面积，

—分别为被观察牙体样本最大投影面积在x方向的终点和起点，

—分别为被观察牙体样本最大投影面积在y方向的终点和起点，

使被观察的牙体样本位于最佳的声学扫描成像区。

所述声学成像中的的确定方法是，

所述的声学透镜的焦点大小，根据被观察牙体样本的特征和观察分析要求，在10微米-100微米范围内。

本发明具有的优点和有益效果，

本发明利用高分辨率脉冲声波与被观察的牙体相互作用，产生的声学信息与牙体内部不同组织部位的数理联系，通过专门的声学扫描单元驱动声学透镜，使之对被检测的牙体样本进行光栅式扫描，并实时提取每个扫描位置点的声学信息和位置信息，通过对声学透镜接收到的声学信息和对应的位置信息进行重构，实现对牙体表面及其内部组织的声显微成像显示，进而对牙体表面及牙体内部组织和牙体组织变化或牙体缺陷进行快速声显微成像，为牙体疾病和牙体早期组织变化的临床研究、诊断、牙病预防等提供一种快速环保的声显微成像分析方法。

本发明利用牙体组织及其变化与其声弹性特性，进行牙体组织声显微成像，可以得到牙体组织表面及其内部生物组织结构和缺陷的声图像信息，为研究牙体组织的内部变化或病变的诊断提供了一种环保无害的可视化方法，从而有利于及时掌握一些早期牙体组织的内部变化或病变方面的信息，及时制定最佳的牙病治疗时机；对于离体牙，可以观察到牙体表面及其内部生物组织的变化或病变等方面的信息，而对被观察牙体样本没有任何生物破坏。利用本发明，可以用于快速方便地实现对牙体表面、牙体内部组织及其变化以及牙体缺陷的声显微成像分析，同时也为临床牙体疾病的诊断和检查提供了一种快速环保的可视化成像方法。

附图说明

图1是本发明的牙体声显微成像方法原理示意图。

图2是本发明的牙体声显微成像实现步骤。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明

采用由声学透镜1、声学激励/接收单元2、声信息处理单元3、声学扫描机构4、声学扫描控制单元5、声学成像单元6、牙体样本固定平台7组成的声显微成像装置对牙体组织进行声显微成像，参见图1所示。

进行声显微成像方法的流程如图2所示，

(1)声学扫描

①将被观察的牙体样本8放置在声显微成像装置的牙体样本固定平台7中的声学扫描台容器内，并使牙体样本8中被观察面置于声学透镜1的下方；

②根据牙体样本8在扫描平面内的最大投影面积s⁰，确定声扫描域s^u的大小，

且使s^u＞s⁰，

这里，分别为声透镜1在x、y方向的最大扫描范围，且

其中，—分别为声学透镜1在x方向的扫描终点和起点，

—分别为声学透镜1在y方向的扫描终点和起点，

③根据被观察牙体样本8的实际大小，根据式(1)，在声学扫描控制单元5中设置牙体样本8的(x,y)方向扫描范围；

④设置(x,y)方向声学扫描分辨率δx、δy，且使δx＝δy；

⑤设置声学透镜1的扫描速度υ，

扫描分辨率按式(2)确定，

式中，δt—为每点声学信息和位置信息采集和成像显示所需时间；

⑥扫描成像，按照所设置和选择的声学扫描参数，对牙体样本8进行声学扫描；

(2)声学成像

利用声学透镜1提取扫描过程中第i行第j列位置点的反射声学信息或透射声学信息对牙体样本8进行声学成像,

1)反射法声学成像

①利用声学透镜1提取扫描过程中第i行第j列位置点的反射声学信息

利用反射声学信息阵列表示扫描域s^u内的各个检测位置的反射声学信息：

式中，

—对应牙体样本中声学反射系数，与牙体组织和牙体均匀性有关，

a0—为牙体样本中入射声波信号的幅值，

α—为入射声波在牙体样本中的声衰减系数，

ν—为入射声波在牙体样本中的声速，

—为来自第i行第j列位置牙体组织中的反射声波的传播时间，

i、j—分别表示第i行第j列位置序列，i＝1,2,...,m,j＝1,2,...,n,

m、n—分别表示反射声学信息阵列的行数和列数；

②利用声学扫描控制单元5提取扫描域s^u内第i行第j列位置的检测位置坐标pij(xi,yj)，利用位置阵列pm×n表示扫描域s^u内各个位置点的坐标位置：

③利用声信息处理单元3对进行数字化后，按照式(6)转换为成像信号dkl(rkl,gkl,bkl)，此时：

这里，rkl,gkl,bkl—分别对应每个成像点的颜色值，

kr,kg,kb—分别为信号幅值与rkl,gkl,bkl颜色值之间的转换系数，

k、l—分别对应成像域中的位置坐标序列，且取

式(7)中，δnx、δny—分别为扫描域s^u中每个位置点在成像域s^p中的像素点数，此时若用δp表示s^u中每个位置点在成像域s^p中的像素大小，则有：

δp＝δnx×δny×δs

这里，δs—为声学成像单元6中所用图像显示器的像素点的物理大小，

将扫描域s^u中每个检测点位置坐标pij(xi,yj)映射到成像域s^p中位置坐标qkl(xk,yl)，并结合式(4)和式(5)，对每个点成像信号dkl(rkl,gkl,bkl)和成像位置坐标qkl(xk,yl)进行融合后，将对应扫描区域s^u的成像结果在成像域s^p中通过矩阵qm×n表示，即有：

式中(8)，m＝m×δnx，n＝n×δny

2)透射法声学成像

①利用声学透镜1提取扫描过程中第i行第j列位置点的透射声波信息

利用透射声学信息阵列表示扫描域s^u内的各个检测位置的透射声学信息：

式中，

—对应牙体样本中声学透射系数，与牙体组织和牙体均匀性有关，

α—为入射声波在牙体样本中的声衰减系数，

ν—为入射声波在牙体样本中的声速，

—为来自第i行第j列位置牙体组织中的透射声波的传播时间，

i、j—分别表示第i行第j列位置序列，i＝1,2,...,m,j＝1,2,...,n,

m、n—分别表示透射声学信息阵列的行数和列数；

②利用声学扫描控制单元5提取扫描域s^u内第i行第j列位置的检测位置坐标pij(xi,yj)，利用式(5)中的位置阵列pm×n表示扫描域s^u内各个位置点的坐标位置，

③利用声信息处理单元3对进行数字化后，按照式(11)转换为成像信号dkl(rkl,gkl,bkl)，此时：

将扫描域s^u中每个检测点位置坐标pij(xi,yj)映射到成像域s^p中位置坐标qkl(xk,yl)，并结合式(5)和式(10)，对每个点成像信号dkl(rkl,gkl,bkl)和成像位置坐标qkl(xk,yl)进行融合后，利用式(8)将对应扫描区域s^u的成像结果在成像域s^p中通过矩阵qm×n表示。

(3)扫描成像显示

根据设定的扫描成像参数，声学透镜1在声学激励/接收单元2作用下，通过声学扫描机构4和声学扫描控制单元5使声学透镜1在扫描域su内对牙体样本进行扫描，由声信息处理单元3和声学扫描控制单元5实时获取扫描域su中每个位置点的反射声学信息信号和位置坐标pij(xi,yj)信号，然后由声学成像单元6按照式(6、7、8)中的映射关系，转换为成像信号在声学成像单元6中创建的成像颜色板中进行成像显示，或由声信息处理单元3和声学扫描控制单元5实时获取扫描域su中每个位置点的反射声学信息信号和位置坐标pij(xi,yj)信号，然后由声学成像单元6按照式(7、8、11)中的映射关系，转换为成像信号在声学成像单元6创建的成像颜色板中进行成像显示，成像颜色板的大小由成像域s^p按照式(12)确定，

s^p＝m×n(12)。

扫描域s^u的确定方法是，

s^u＝(2.0～3.3)s^o

这里，s^o为被观察牙体样本8在扫描平面内的最大投影面积，

—分别为被观察牙体样本8最大投影面积在x方向的终点和起点，

—分别为被观察牙体样本8最大投影面积在y方向的终点和起点，

使被观察的牙体样本8位于最佳的声学扫描成像区。

声学成像中的的确定方法是，

声学透镜1的焦点大小，根据被观察牙体样本的特征和观察分析要求，在10微米-100微米范围内。

实施例

选择中航复合材料有限责任公司生产的声显微扫描系统，选用10微米、50微米和100微米焦点声束的声学透镜，分别对来自临床的人体实际牙样本，牙样本在扫描平面内的最大投影面积s⁰约为10mm×12mm，将牙体样放置在本牙体样本固定平台中心位置，并使牙体样位于声学透镜的下方，取分别取和采用反射法和透射法分别对牙样本进行了声显微成像试验分析和应用，应用结果表明，采用所构建的牙体组织声显微成像方法，可以快速清晰的得到牙体内部釉质、牙本质、牙髓、牙骨质等组织及其变化的特征分布，取得了较好的实际声显微成像效果。