基于光纤光栅的光声成像系统的研究与应用

摘要

光声成像技术作为一种新型无损成像技术，已经受到了社会各界的广泛关注，因为它重建出的图像对比度和分辨率都很高，而在整个工作流程中，超声信号准确无误的接收是非常重要的一个环节。当下，在医学成像领域中，对于超声信号的接收多数采用的是商用超声换能器，但它有着体积大、抗电磁干扰能力弱、不能在高温下作业等缺点，在这种背景下，光纤布拉格光栅可以作为一种新型超声探头来替代现有的超声换能器。
　　基于上述情况，本文对光纤布拉格光栅的传感及解调特性进行了深入的研究，研究其反射式、透射式工作原理，并设计了一套系统用来检测光纤布拉格光栅的带宽，结果显示100KHz到10MHz之间的超声信号都可以被接收到。此外，搭建了一套以光纤布拉格光栅为探头的光声成像系统，并用铅笔芯、头发丝等作为待测物体验证了系统的可行性及稳定性，并对由三个铅笔芯组成的近似等边三角形仿体进行了成像实验，结果显示图像中心位置比较清楚，但边缘位置颇为模糊，分析其原因为两个，其一，图像的边缘位置是由高频超声信号构成的，而光纤布拉格光栅对于高频信号的接收能叫较弱，这就造成了图像边缘模糊的结果；其二，实验所用的延迟叠加算法重建图像时，将仿体边缘反射回来的超声信号和物体发出的超声信号混合到了一起，这也造成了图像边缘的模糊不清。
　　在实验过程中，外界因素如噪声和温度都对光纤布拉格光栅接收超声信号造成了一定的干扰，对此，文中采取了对光纤布拉格光栅进行封装，经过研究分析后，封装材料确定为环氧树脂胶，原因是其杨氏模量和泊松比较低，封装方式为聚合物与金属外壳隔离，因为隔离封装获得的增益倍数更大。分析了封装前后光纤布拉格光栅的光谱，结果显示封装后的光纤布拉格光栅谐振频率向低频移动。
　　分别用封装前和封装后的光纤布拉格光栅对同一个仿体进行成像，对比其成像结果，发现封装后的光纤布拉格光栅重建出的图像效果好于封装前，原因为封装后光纤布拉格光栅上的聚合物对噪声、温度等外界物理量起到了一定的隔离作用。
　　光纤布拉格光栅有着体积小、抗电磁干扰能力强、可在高温下工作等诸多优点，在医用内窥镜方面有着自己独特的优势，还可以与核磁共振成像技术相结合，值得更深入的研究。