前置微小信號(hào)放大器在光聲技術(shù)的血管識(shí)別研究中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)名稱：前置微小信號(hào)放大器在光聲技術(shù)的血管識(shí)別研究中的應(yīng)用

研究方向：生物識(shí)別技術(shù)

測(cè)試目的：

利用MATLAB對(duì)光聲血管進(jìn)行識(shí)別：1、對(duì)光聲血管圖庫(kù)的圖像進(jìn)行預(yù)處理包括歸一化、二值化、平滑、細(xì)化和毛刺修剪得到細(xì)化圖像；2、利用七個(gè)不變矩提取細(xì)化血管圖像的特征值建立數(shù)據(jù)集；3、利用SVM對(duì)血管圖片進(jìn)行識(shí)別，證實(shí)基于光聲的血管圖像識(shí)別的可行性。

測(cè)試設(shè)備：ATA-5620微弱信號(hào)放大器、固體激光器、超聲換能器、機(jī)械位移平臺(tái)、示波器、濾波器、微弱信號(hào)放大器和計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

通過(guò)測(cè)試設(shè)備搭建固體激光器的OR-PAM系統(tǒng)，采用光學(xué)參量振蕩器(OPO)(OPOletteTM532,OpotekLLC)作為光源：波長(zhǎng)、脈沖頻率和脈沖持續(xù)時(shí)間分別為532nm、20Hz和7ns，激光的輸出功率是由計(jì)算機(jī)控制的。OPO激光器輸出光束經(jīng)空間衰減和整形后，由定制的光纖耦合器耦合在光纖上。光纖的輸出組件連接到光學(xué)透鏡筒。光學(xué)透鏡筒內(nèi)包括一個(gè)焦距為30mm的光纖準(zhǔn)直器和一個(gè)焦距為5mm的聚焦透鏡。光斑直徑約為20um，適用于較大直徑的主血管成像，而較小直徑的旁側(cè)血管在后續(xù)圖像預(yù)處理中被過(guò)濾除。隨后，光學(xué)透鏡通過(guò)固定裝置安裝在三維機(jī)械位移平臺(tái)上進(jìn)行掃描。信號(hào)由中心頻率為2.5MHz的非聚焦超聲接收器獲取。使用微弱信號(hào)放大器ATA-5620對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行增益，信號(hào)可被放大~60dB。使用多功能數(shù)據(jù)采集卡對(duì)模擬型號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并采集，而后由個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字化處理。樣品平臺(tái)由位移平臺(tái)和超聲換能器組成。

圖：（a）光聲血管采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意；(b)光聲成像系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)的時(shí)候先準(zhǔn)備40個(gè)假血管作為樣品，對(duì)血管樣品進(jìn)行光聲檢測(cè)，從光聲信號(hào)的幅值、速度和信號(hào)的最大值到達(dá)時(shí)間的差值進(jìn)行防偽，區(qū)分出偽造的血管。而后對(duì)符合光聲特征的樣品（即判定為真血管的樣品）進(jìn)行光聲成像，并建立圖庫(kù)。接著對(duì)經(jīng)過(guò)圖像預(yù)處理的光聲血管進(jìn)行細(xì)化、特征匹配。最后將特征向量集作為數(shù)據(jù)集輸入SVM進(jìn)行分類識(shí)別。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖：真假血管圖像的光聲信號(hào)

1、振幅

將光聲信號(hào)作為檢測(cè)參數(shù)的峰峰值進(jìn)行比較，圖上顯示出在相同能量下的假血管和真實(shí)脈管系統(tǒng)的光聲信號(hào)，其中假血管幅度遠(yuǎn)小于真實(shí)血管。

2、深度

檢測(cè)目標(biāo)的深度：深度=最大到達(dá)時(shí)間×超聲速度之間的差。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，激光源、樣品和超聲換能器的相對(duì)位置不變。

圖：使用折射率板后脈管系統(tǒng)的光聲信號(hào)

通過(guò)折射率板改變了激光束的最終能量之后，真實(shí)血管信號(hào)發(fā)生改變。真實(shí)和虛假血管信號(hào)的峰峰值分別為182.9mV和188mV。假血管圖像和真實(shí)血管圖像的峰峰值之間的誤差僅為（188-182.9）/182.9≈2.79％，從物理角度上看可以忽略不計(jì)。假血管信號(hào)的最大到達(dá)時(shí)間為7.042μs。

3、光聲血管識(shí)別

圖：真實(shí)的血管圖像

圖（a–f）分別顯示了真實(shí)的血管圖像，歸一化（按大小和灰度）、二值化、平滑、細(xì)化和毛刺修剪的血管圖像。提取每個(gè)血管圖像的特征形成數(shù)據(jù)集。

該數(shù)據(jù)集包含10只大鼠的160張血管圖像，其中80張圖片用作訓(xùn)練集，其余圖片用作測(cè)試集，血管識(shí)別的結(jié)果示于表3。其使用SVM的方法，識(shí)別率達(dá)到97.5％。因此，本系統(tǒng)的實(shí)際識(shí)別率為97.5％。與直接使用SVM獲得的結(jié)果相比，它可以將真假血管的識(shí)別率提高2.63％（（97、5%-95%）/95%），血管識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別率大大提高。

安泰ATA-5620功率放大器的指標(biāo)參數(shù)：

圖：前置信號(hào)放大器ATA-5620參數(shù)

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審核編輯：湯梓紅