基於多元相控聚焦環陣列的背向模式光聲成像方法

2023-05-13 07:43:56

專利名稱：：基於多元相控聚焦環陣列的背向模式光聲成像方法
技術領域：
：本發明涉及一種測試測量與成像方法，具體涉及一種基於多元相控聚焦環陣列的背向模式光聲成像方法。
背景技術：
：目前光聲成像的測量模式有前向、側向和背向模式三種由於生物體組織的高散射性，前向模式系統的適用範圍很小。側向模式系統通常採用探測器旋轉掃描、樣品旋轉掃描、平面線性掃描等方式獲得某個平面內光聲壓的分布，再通過特定的重建算法反推出空間的光吸收分布圖像。該方式具有很高的空間解析度，但其時間解析度較低、成像算法複雜、空間方向性差，而且由於生物體的特徵限制，這種掃描方式通常無法實用。在實際應用中，為了便於操作診斷，通常系統探測器和激發光源置於生物體的同一側，這種測量模式稱為背向模式。目前該模式採用的探測器有高頻聚焦探測器、壓電碟片探測器和雙環探測器。大孔徑的高頻聚焦探測器可以獲得很好的信噪比，但其聚焦焦斑和焦長限制其成像解析度和成像視角，而且信號在組織中的迅速衰減也限制了其探測深度；壓電碟片探測器具有很高的時間解析度，三維成像的縱向解析度可達數十微米，但其方向性和信噪比差；雙環探測器具有較窄的孔徑角和一定的方向指向性，但其較小的孔徑使採集的信噪比較差，並且無法實現深度方向的動態聚焦。
發明內容本發明的目的在於提供一種為解決現有技術中的上述問題，本發明提供一種基於多元相控聚焦環陣列的背向模式光聲成像方法，該方法包括以下步驟(1)採用脈衝雷射入射到待測樣品上，激勵待測樣品產生光聲信號；(2)待測樣品或多元環陣列探測器由步進電機驅動掃描背向模式接收光聲信號，同時採集光聲信號數據；(3)應用數據處理軟體對採集的光聲信號進行計算相控實現深度Z方向的動態聚焦A型掃描，再利用步進電機點對點的X-Y方向二維掃描採集的數據，即可反投影合成三維的光吸收分布圖像。步驟(1)中所述脈衝雷射的波長範圍為400nm2500nm。步驟(2)中所述所述多元環陣列探測器為等面積、等間距和中空的，其中央耦合有光纖頭，且探測器環的數目不少於兩個。步驟(2)中所述的掃描和採集是在軟體程序控制下，由步進電機帶動聲探測器或待測樣品掃描背向模式採集光聲信號，其中環平面與掃描平面為同一個平面。步驟(2)中所述多元環陣列聲探測器接收光聲信號是採用並行或串行的方法採集光聲信號。本發明還提供一種實現上述方法的裝置，包括雷射發生組件、步進掃描組件、光聲信號採集組件、聲耦合組件、樣品固定組件、計算機；雷射發生組件、光聲信號採集組件、計算機依次電氣連接；步進掃描組件與計算機電氣連接；樣品固定組件與步進掃描組件電氣連接。所述的雷射發生組件由雷射器和光纖連接而成，其中光纖頭耦合於中空的多元環陣列探測器中央；所述光聲信號採集組件由多元環陣列探測器、數據前處理裝置和數據採集裝置依次電氣連接構成，其中多元環陣列探測器為等間距等面積，並通過支架固定在三維掃描平臺上；數據前處理裝置包括阻抗匹配、信號放大、信號濾波等功能的電路；數據採集裝置採用高速數據採集卡或示波器；所述步進掃描組件可以由繼電器、步進電機、三維掃描平臺電氣連接而成；多元環陣列探測器與步進電機電氣連接，步進電機與三維掃描平臺電氣連接，歩進電機還與繼電器電氣連接，繼電器通過數字I/O卡與計算機連接；所述樣品固定組件由三維可調的樣品臺和樣品固定裝置組成；所述聲耦合組件由樣品池和聲耦合液組成。本發明的優點是本發明提出的利用多元相控聚焦環陣列的背向模式光聲成像方法，由於採用多元環陣列探測器，其超窄的孔徑角和很好的方向指向性極大的提高了成像解析度，在X和Y方向都可實現聚焦掃描成像;採用計算相控聚焦技術，能有效的提高信號的信噪比，可實現深度Z方向的A型動態聚焦掃描成像；採用背向模式接收光聲信號，可極大提高系統的可操作性和適用範圍。圖1是實施例1所述裝置的結構示意圖。圖2是利用計算相控聚焦實現深度Z方向的A型掃描原理圖。圖3是利用實施例1的裝置對埋有三根碳棒的瓊脂所成的圖像。實施例l本發明的裝置圖1為本實施例的裝置結構圖，圖中所示各元件的名稱為雷射發生器1-1，光纖1-2，三維掃描平臺2-1，步進驅動器2-2，數字I/O控制卡2-3，多元環陣列探測器3-1，信號預處理器3-2，數字示波器3-3，GPIB總線通信卡3-4，計算機4，樣品臺5，樣品池6-1，聲耦合液6-2。本發明裝置由雷射發生組件、步進掃描組件、光聲信號採集組件、聲耦合組件、樣品固定組件、計算機等組成。其中雷射發生組件由雷射器1-1和光纖1-2連接構成；步進掃描組件由計算機4通過數字I/O控制卡2-3和步進驅動器2-2控制三維掃描平臺2-1移動多元環陣列探測器3-1和樣品臺5;光聲信號採集組件由多元環陣列探測器3-1接收光聲信號，經信號預處理器3-2放大、多路選擇、濾波等預處理後，由數字示波器3-3採集經GPIB總線通信卡3-4傳輸到計算機4，計算機4通過數字I/O控制卡2-3發出選通碼選擇多路信號中的兩路進入數字示波器3-3採集，雷射器1-1的同步輸出信號觸發數字示波器3-3採集信號，其中聲信號通過聲耦合液6-2耦合到多元環陣列探測器3-1。其中雷射器1-1為Nd:YAG固體雷射器(BrilliantB，Bigsky)，工作波長為1064nm，脈寬為8ns，單脈衝能量達到40mJ，雷射能量通過光纖l-2均勻的輻射到樣品上，其中光纖直徑D約為0.6mm，數值孔徑NA為0.22;被成像的樣品放置在塑料樣品臺5上，樣品池6-1是用合成樹脂製成的長方體容器，樣品池中充滿了聲耦合液6-2水利於聲速匹配。多元環陣列探測器3-1選擇中心頻率為5MHz的八元環陣列探測器5A8E20，表1是中心頻率為5腿z的八元環陣列聲探測器5A8E20尺寸參數。表ltableseeoriginaldocumentpage5各環設計為等面積等間距，其中環間間距為半波長。每次通過多路選擇器選擇2個環接收光聲信號，接收的信號通過前置放大、濾波等預處理後，供數字示波器3-3採集入計算機4;在時鐘信號的下一個脈衝，計算機4發出選通碼進入下一次雙環信號的接收，每4個脈衝為一個時鐘周期採集完一個位置的信號。每次選擇8個環做計算相控聚焦處理，實際上等效為一個有很強空間方向性指向的探測器，在它的相干聚焦Z軸方向上，各個探測器接收到信號由於相位被補償相同，合成的信號最大；在探測器的非聚焦方向上，各個探測器的信號相位補償不同，信號彼此抵消。其中相位差為聚焦點到各個環間的傳播時間差，原理如圖2所示。成像時將每個位置探測器採集的信號轉換成一維圖像，將X-Y平面的多個位置掃描一維圖像按順序組合併反投影成三維圖像，方便快速的實現物體的光吸收分布三維成像。實施例2本發明的優選方法(1)將待測物體固定在樣品臺上，採用波長為400nm2500nm脈衝雷射入射到待測樣品上，激勵待測樣品產生光聲信號；(2)在LabVIEW採集程序控制下，由三維掃描平臺帶動多元環陣列探測器和待測樣品步進採集光聲信號，同時採集光聲信號數據；(3)通過計算機利用MATLAB軟體對採集的信號預處理和計算相控聚焦的圖像重建，然後通過反投影算法得到待測物體的圖像。實施例3利用實施例1的裝置和實施例2的方法對埋有碳棒的瓊脂成像。三根碳棒線性垂直埋於在瓊脂中，埋藏深度分別為4.5mm、6mm和7.2mm，相互間距分別為1.8mm和2.5mm，其中碳棒的直徑為0.5mm。由三維掃描平臺帶動多元環陣列聲探測器步進掃描採集光聲信號，掃描步長為0.lmm。其中樣品旋轉的角度為180°，步進電機的旋轉步長為18°。所得圖像如圖3所示。由圖3可見，利用本發明可以對待測樣品清楚準確成像。權利要求1.一種基於多元相控聚焦環陣列的背向模式光聲成像方法，其特徵是方法步驟為(1)採用脈衝雷射入射到待測樣品上，激勵待測樣品產生光聲信號；(2)待測樣品或多元環陣列探測器由步進電機驅動掃描背向模式接收光聲信號，同時採集光聲信號數據；(3)應用數據處理軟體對採集的光聲信號進行計算相控實現深度Z方向的動態聚焦A型掃描，再利用步進電機點對點的X-Y方向二維掃描採集的數據，即可反投影合成三維的光吸收分布圖像。2、根據權利要求1所述的基於多元相控聚焦環陣列的背向模式光聲成像方法，其特徵是步驟(1)中所述脈衝雷射的波長範圍為400nm2500nm。3、根據權利要求1所述的基於多元相控聚焦環陣列的背向模式光聲成像方法，其特徵是步驟(2)中所述多元環陣列探測器為等面積、等間距和中空的，其中央耦合有光纖頭，且探測器環的數目不少於兩個。4、根據權利要求1所述的基於多元相控聚焦環陣列的背向模式光聲成像方法，其特徵是步驟(2)中所述的掃描和採集是在軟體程序控制下，由步進電機帶動多元環陣列探測器或待測樣品掃描背向模式採集光聲信號，其中環平面與掃描平面為同一個平面。5、根據權利要求1所述的基於多元相控聚焦環陣列的背向模式光聲成像方法，其特徵是步驟(2)中所述多元環陣列探測器接收光聲信號是採用並行或串行的方法採集光聲信號。全文摘要基於多元相控聚焦環陣列的背向模式光聲成像方法，其特徵是方法步驟為(1)採用脈衝雷射入射到待測樣品上；(2)待測樣品或多元環陣列探測器由步進電機驅動掃描背向模式接收光聲信號，同時採集光聲信號數據；(3)應用數據處理軟體對採集的光聲信號進行計算相控實現深度Z方向的動態聚焦A型掃描，再通過步進電機點對點的X-Y方向二維掃描數據，即可反投影合成三維的光吸收分布圖像。本發明具有以下優點採用多元環陣列探測器，其超窄的孔徑角和很好的方向指向性極大的提高了成像解析度，在X和Y方向都可實現聚焦掃描成像；採用計算相控聚焦技術，能有效的提高信號的信噪比，可實現深度Z方向的A型動態聚焦掃描成像；採用背向模式接收光聲信號，可極大提高系統的可操作性和適用範圍。文檔編號G01N29/34GK101251514SQ20081003097公開日2008年8月27日申請日期2008年4月2日優先權日2008年4月2日發明者重任,劉國棟,曾呂明,振黃申請人:江西科技師範學院