基于多元相控聚焦环阵列的背向模式光声成像方法

摘要

基于多元相控聚焦环阵列的背向模式光声成像方法，其特征是方法步骤为：(1)采用脉冲激光入射到待测样品上；(2)待测样品或多元环阵列探测器由步进电机驱动扫描背向模式接收光声信号，同时采集光声信号数据；(3)应用数据处理软件对采集的光声信号进行计算相控实现深度Z方向的动态聚焦A型扫描，再通过步进电机点对点的X－Y方向二维扫描数据，即可反投影合成三维的光吸收分布图像。本发明具有以下优点：采用多元环阵列探测器，其超窄的孔径角和很好的方向指向性极大的提高了成像分辨率，在X和Y方向都可实现聚焦扫描成像；采用计算相控聚焦技术，能有效的提高信号的信噪比，可实现深度Z方向的A型动态聚焦扫描成像；采用背向模式接收光声信号，可极大提高系统的可操作性和适用范围。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测试测量与成像方法，具体涉及一种基于多元相控聚焦环阵列的背向模式光声成像方法。

背景技术

目前光声成像的测量模式有前向、侧向和背向模式三种：

由于生物体组织的高散射性，前向模式系统的适用范围很小。

侧向模式系统通常采用探测器旋转扫描、样品旋转扫描、平面线性扫描等方式获得某个平面内光声压的分布，再通过特定的重建算法反推出空间的光吸收分布图像。该方式具有很高的空间分辨率，但其时间分辨率较低、成像算法复杂、空间方向性差，而且由于生物体的特征限制，这种扫描方式通常无法实用。

在实际应用中，为了便于操作诊断，通常系统探测器和激发光源置于生物体的同一侧，这种测量模式称为背向模式。目前该模式采用的探测器有高频聚焦探测器、压电盘片探测器和双环探测器。大孔径的高频聚焦探测器可以获得很好的信噪比，但其聚焦焦斑和焦长限制其成像分辨率和成像视角，而且信号在组织中的迅速衰减也限制了其探测深度；压电盘片探测器具有很高的时间分辨率，三维成像的纵向分辨率可达数十微米，但其方向性和信噪比差；双环探测器具有较窄的孔径角和一定的方向指向性，但其较小的孔径使采集的信噪比较差，并且无法实现深度方向的动态聚焦。

发明内容

本发明的目的在于提供一种为解决现有技术中的上述问题，本发明提供一种基于多元相控聚焦环阵列的背向模式光声成像方法，该方法包括以下步骤：

(1)采用脉冲激光入射到待测样品上，激励待测样品产生光声信号；

(2)待测样品或多元环阵列探测器由步进电机驱动扫描背向模式接收光声信号，同时采集光声信号数据；

(3)应用数据处理软件对采集的光声信号进行计算相控实现深度Z方向的动态聚焦A型扫描，再利用步进电机点对点的X-Y方向二维扫描采集的数据，即可反投影合成三维的光吸收分布图像。

步骤(1)中所述脉冲激光的波长范围为400nm～2500nm。

步骤(2)中所述所述多元环阵列探测器为等面积、等间距和中空的，其中央耦合有光纤头，且探测器环的数目不少于两个。

步骤(2)中所述的扫描和采集是在软件程序控制下，由步进电机带动声探测器或待测样品扫描背向模式采集光声信号，其中环平面与扫描平面为同一个平面。

步骤(2)中所述多元环阵列声探测器接收光声信号是采用并行或串行的方法采集光声信号。

本发明还提供一种实现上述方法的装置，包括激光发生组件、步进扫描组件、光声信号采集组件、声耦合组件、样品固定组件、计算机；激光发生组件、光声信号采集组件、计算机依次电气连接；步进扫描组件与计算机电气连接；样品固定组件与步进扫描组件电气连接。

所述的激光发生组件由激光器和光纤连接而成，其中光纤头耦合于中空的多元环阵列探测器中央；

所述光声信号采集组件由多元环阵列探测器、数据前处理装置和数据采集装置依次电气连接构成，其中多元环阵列探测器为等间距等面积，并通过支架固定在三维扫描平台上；数据前处理装置包括阻抗匹配、信号放大、信号滤波等功能的电路；数据采集装置采用高速数据采集卡或示波器；

所述步进扫描组件可以由继电器、步进电机、三维扫描平台电气连接而成；多元环阵列探测器与步进电机电气连接，步进电机与三维扫描平台电气连接，步进电机还与继电器电气连接，继电器通过数字I/O卡与计算机连接；

所述样品固定组件由三维可调的样品台和样品固定装置组成；

所述声耦合组件由样品池和声耦合液组成。

本发明的优点是：本发明提出的利用多元相控聚焦环阵列的背向模式光声成像方法，由于采用多元环阵列探测器，其超窄的孔径角和很好的方向指向性极大的提高了成像分辨率，在X和Y方向都可实现聚焦扫描成像；采用计算相控聚焦技术，能有效的提高信号的信噪比，可实现深度Z方向的A型动态聚焦扫描成像；采用背向模式接收光声信号，可极大提高系统的可操作性和适用范围。

附图说明

图1是实施例1所述装置的结构示意图。

图2是利用计算相控聚焦实现深度Z方向的A型扫描原理图。

图3是利用实施例1的装置对埋有三根碳棒的琼脂所成的图像。

具体实施方式

实施例1本发明的装置

图1为本实施例的装置结构图，图中所示各元件的名称为：激光发生器1-1，光纤1-2，三维扫描平台2-1，步进驱动器2-2，数字I/O控制卡2-3，多元环阵列探测器3-1，信号预处理器3-2，数字示波器3-3，GPIB总线通信卡3-4，计算机4，样品台5，样品池6-1，声耦合液6-2。本发明装置由激光发生组件、步进扫描组件、光声信号采集组件、声耦合组件、样品固定组件、计算机等组成。其中激光发生组件由激光器1-1和光纤1-2连接构成；步进扫描组件由计算机4通过数字I/O控制卡2-3和步进驱动器2-2控制三维扫描平台2-1移动多元环阵列探测器3-1和样品台5；光声信号采集组件由多元环阵列探测器3-1接收光声信号，经信号预处理器3-2放大、多路选择、滤波等预处理后，由数字示波器3-3采集经GPIB总线通信卡3-4传输到计算机4，计算机4通过数字I/O控制卡2-3发出选通码选择多路信号中的两路进入数字示波器3-3采集，激光器1-1的同步输出信号触发数字示波器3-3采集信号，其中声信号通过声耦合液6-2耦合到多元环阵列探测器3-1。其中：激光器1-1为Nd:YAG固体激光器(BrilliantB，Bigsky)，工作波长为1064nm，脉宽为8ns，单脉冲能量达到40mJ，激光能量通过光纤1-2均匀的辐射到样品上，其中光纤直径D约为0.6mm，数值孔径NA为0.22；被成像的样品放置在塑料样品台5上，样品池6-1是用合成树脂制成的长方体容器，样品池中充满了声耦合液6-2水利于声速匹配。

多元环阵列探测器3-1选择中心频率为5MHz的八元环阵列探测器5A8E20，表1是中心频率为5MHz的八元环阵列声探测器5A8E20尺寸参数。

表1

环的序号    1    2    3    4    5    6    7    8内径(mm)    3  4.24  5.22  6.07  6.83  7.52  8.17  8.78外径(mm)  4.09  5.07  5.92  6.68  7.38  8.02  8.63  9.21

各环设计为等面积等间距，其中环间间距为半波长。每次通过多路选择器选择2个环接收光声信号，接收的信号通过前置放大、滤波等预处理后，供数字示波器3-3采集入计算机4；在时钟信号的下一个脉冲，计算机4发出选通码进入下一次双环信号的接收，每4个脉冲为一个时钟周期采集完一个位置的信号。每次选择8个环做计算相控聚焦处理，实际上等效为一个有很强空间方向性指向的探测器，在它的相干聚焦Z轴方向上，各个探测器接收到信号由于相位被补偿相同，合成的信号最大；在探测器的非聚焦方向上，各个探测器的信号相位补偿不同，信号彼此抵消。其中相位差为聚焦点到各个环间的传播时间差，原理如图2所示。成像时将每个位置探测器采集的信号转换成一维图像，将X-Y平面的多个位置扫描一维图像按顺序组合并反投影成三维图像，方便快速的实现物体的光吸收分布三维成像。

实施例2本发明的优选方法

(1)将待测物体固定在样品台上，采用波长为400nm～2500nm脉冲激光入射到待测样品上，激励待测样品产生光声信号；

(2)在LabVIEW采集程序控制下，由三维扫描平台带动多元环阵列探测器和待测样品步进采集光声信号，同时采集光声信号数据；

(3)通过计算机利用MATLAB软件对采集的信号预处理和计算相控聚焦的图像重建，然后通过反投影算法得到待测物体的图像。

实施例3

利用实施例1的装置和实施例2的方法对埋有碳棒的琼脂成像。

三根碳棒线性垂直埋于在琼脂中，埋藏深度分别为4.5mm、6mm和7.2mm，相互间距分别为1.8mm和2.5mm，其中碳棒的直径为0.5mm。由三维扫描平台带动多元环阵列声探测器步进扫描采集光声信号，扫描步长为0.1mm。其中样品旋转的角度为180°，步进电机的旋转步长为18°。所得图像如图3所示。由图3可见，利用本发明可以对待测样品清楚准确成像。