一种便携式非线性光声成像系统及光声成像方法
【专利摘要】本发明涉及一种便携式非线性光声成像系统及光声成像方法，系统包括激光扫描头、超声探头、前置放大器、示波器、锁相放大器和控制模块，所述的激光扫描头的扫描区域为样品的检测部位，所述的超声探头设在样品的背面，并正对扫描区域，所述的超声探头通过前置放大器分别与示波器、锁相放大器连接，所述的控制模块分别与锁相放大器、激光扫描头连接，所述的激光扫描头、示波器、锁相放大器之间通过同步信号线连接。与现有技术相比，本发明具有分辨率高、实现成本低、操作方便、使用范围广、无损伤等优点。
【专利说明】一种便携式非线性光声成像系统及光声成像方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光声成像技术，尤其是涉及一种便携式非线性光声成像系统及光声成像方法。
【背景技术】
[0002]光声成像是近年来发展起来的一种无损检测成像方法，它结合了纯光学成像的高对比度和纯超声成像的高穿透深度，可以提供高分辨率和高对比度的材料及组织成像。随着科学技术的进步，材料及组织无损检测技术的蓬勃发展，超声无损检测已由基于波形特征提取的传统A超向B超C超及相控阵成像发展，对超声成像的质量要求越来越高。
[0003]由于在600?1300nm之间的近红外“光学窗”范围内，生物组织的透光性能好,对光的吸收小。目前光声成像技术在生物组织研究中有很大的发展。已发展的光声显微成像(Photo Acoustic Microscope, PAM)、光声计算层析成像(Photo Acoustic ComputingTomograph, PACT),都是利用光激超声与组织及结构作用的反射或散射的线性特征来反映组织的精细结构，只采用了所激发超声的基频，而其基频超声与材料组织作用产生高次的谐频被忽略。因此超声非线性响应信号所携带组织的精细结构信息被忽略。
[0004]另一方面B超C超及相控阵超声成像都是采用压电材料来实现电能和声能间的转化，由于材料及工艺的限制，探头难实现微型化，超声的频率及空间分辨率有极限。所激发和接受超声的空间分辨率没有光声的高，而且大都不能检测超声与组织作用产生高次的谐频。因此所得的超声成像也忽略了非线性响应信号所携带组织的精细结构。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种分辨率高、实现成本低、操作方便、使用范围广、无损伤的便携式非线性光声成像系统及光声成像方法，通过改变激光激发频率来产生不同基频超声，再通过锁相提取基频超声与材料组织作用产生高次的谐频，将提高成像的分辨率，反映材料的精细结构，不仅可以在生物组织无损检测发挥更好的作用，而且在传统材料超声无损检测领域有潜在的应用前景。
[0006]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0007]—种便携式非线性光声成像系统，其特征在于，包括激光扫描头、超声探头、前置放大器、不波器、锁相放大器和控制模块，所述的激光扫描头的扫描区域为样品的检测部位，所述的超声探头设在样品的背面，并正对扫描区域，所述的超声探头通过前置放大器分别与示波器、锁相放大器连接，所述的控制模块分别与锁相放大器、激光扫描头连接，所述的激光扫描头、示波器、锁相放大器之间通过同步信号线连接。
[0008]一种便携式非线性光声成像系统的光声成像方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0009]I)固定激光扫描头位置，调整其与样品之间的距离，使样品位于它的焦距上；
[0010]2)设置激光扫描头的扫描区域，并红光指示，观察在样品上显示的红光区域，通过调整扫描区域坐标参数，使扫描区域对准样品需要检测的部分，存储相应的坐标参数；[0011]3)将超声探头放置在样品背面，正对着扫描区域；
[0012]4)将超声探头的信号输出端连接至前置放大器，将放大后的信号分别输出到示波器和锁相放大器，连接电脑和锁相放大器的数据传输线，连接示波器、锁相放大器和激光器之间的同步信号线；
[0013]5)激光扫描头打点，并通过示波器观察信号，调整前置放大器至相应的放大倍数，使示波器输出信号达到最佳；
[0014]6)设置扫描区域参数、打点频率、打点时间和激光能量，所述的锁相放大器同时输出基频以及两个倍频信号下的实部值和虚部值给控制模块，所述的控制模块通过计算得到该频率下的幅值和相位，并通过示波器输出该频率的幅值图和相位图；
[0015]7)改变激光打点频率，得到不同频率下的成像结果。
[0016]所述的样品的材质为金属、非金属、复合材料或生物组织。
[0017]所述的超声探头的中心频率为2.5MHz或5MHz。
[0018]所述的前置放大器的放大倍数为40dB。
[0019]所述的激光扫描头的打点频率为1.6KHz?IMHz。
[0020]所述的激光扫描头的焦距为100mm。
[0021]所述的控制模块为PC机。
[0022]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0023]I)分辨率高，采用非线性倍频成像方法，成像分辨率更高；
[0024]2)实现成本低，与传统CT成像相比造价更低；
[0025]3)操作方便，该装置可便携，能实现现场快速检测；
[0026]4)使用范围广，可对被检测体进行大范围的快速扫描成像；
[0027]5)该装置对被检测体没有损伤。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为本发明光声成像系统结构框图。
[0029]图2为本发明装置所获得的IOOKHz下的成像图；
[0030]图3为本发明装置所获得的200KHz下的成像图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0032]实施例
[0033]如图1所示，一种便携式非线性光声成像系统，包括激光扫描头1、超声探头6、前置放大器5、不波器4、锁相放大器3和控制模块2,所述的激光扫描头I的扫描区域为样品的检测部位，所述的超声探头6设在样品的背面，并正对扫描区域，所述的超声探头6通过前置放大器5分别与示波器4、锁相放大器3连接，所述的控制模块2分别与锁相放大器3、激光扫描头I连接，所述的激光扫描头1、示波器4、锁相放大器3之间通过同步信号线连接。所述的控制模块2为PC机。
[0034]其中激光扫描头I包括两维数字振镜，聚焦透镜及光路动态调整和控制，并由PC基于MATLAB图形界面组成开放的系统控制、超声信号放大采集及处理成像系统。[0035]本实施例为利用非线性光声成像装置对试样内部缺陷进行扫描成像。具体测量过程为:
[0036]1、利用钻床在长200mm,宽50mm,厚4mm的招板侧边形成一个直径约2毫米深10
毫米的孔；
[0037]2、将铝板至于载物台上，调整它与激光扫描头的距离，使其位于激光扫描头的焦距上；
[0038]3、打开激光扫描头，调整扫描区域覆盖部分人工孔的位置，记下相应的扫描区域参数；
[0039]4、连接示波器，前置放大器，锁相放大器，接收探头，光纤激光器之间的信号传输线和信号同步线；
[0040]5、使用激光扫描头打点，调节前置放大器至合适的放大倍数；
[0041]6、打开非线性光声成像系统,输入扫描区域(步骤3中记录)、打点频率、打点时间、激光能量参数，运行打点，直接输出相应的成像图；
[0042]7、改变激光打点频率，得到不同频率下的成像结果。如图2和图3所示100kHz (a)与200kHz (b)激光打点频率下所激发的超声波频率不同，其与孔的作用范围不同，因此所成的像不同，反应不同深度的孔缺陷大小信息。
【权利要求】
1.一种便携式非线性光声成像系统，其特征在于，包括激光扫描头、超声探头、前置放大器、示波器、锁相放大器和控制模块，所述的激光扫描头的扫描区域为样品的检测部位，所述的超声探头设在样品的背面，并正对扫描区域，所述的超声探头通过前置放大器分别与示波器、锁相放大器连接，所述的控制模块分别与锁相放大器、激光扫描头连接，所述的激光扫描头、示波器、锁相放大器之间通过同步信号线连接。
2.—种权利要求1所述的便携式非线性光声成像系统的光声成像方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)固定激光扫描头位置，调整其与样品之间的距离，使样品位于它的焦距上； 2)设置激光扫描头的扫描区域，并红光指示，观察在样品上显示的红光区域，通过调整扫描区域坐标参数，使扫描区域对准样品需要检测的部分，存储相应的坐标参数； 3)将超声探头放置在样品背面，正对着扫描区域； 4)将超声探头的信号输出端连接至前置放大器，将放大后的信号分别输出到示波器和锁相放大器，连接电脑和锁相放大器的数据传输线，连接示波器、锁相放大器和激光器之间的同步信号线； 5)激光扫描头打点，并通过示波器观察信号，调整前置放大器至相应的放大倍数，使示波器输出信号达到最佳； 6)设置扫描区域参数、打点频率、打点时间和激光能量，所述的锁相放大器同时输出基频以及两个倍频信号下的实部值和虚部值给控制模块，所述的控制模块通过计算得到该频率下的幅值和相位，并通过示波器输出该频率的幅值图和相位图； 7)改变激光打点频率，得到不同频率下的成像结果。
3.根据权利要求2所述的一种光声成像方法，其特征在于，所述的样品的材质为金属、非金属、复合材料或生物组织。
4.根据权利要求2所述的一种光声成像方法，其特征在于，所述的超声探头的中心频率为 2.5MHz 或 5MHz。
5.根据权利要求2所述的一种光声成像方法,其特征在于,所述的前置放大器的放大倍数为40dB。
6.根据权利要求2所述的一种光声成像方法,其特征在于,所述的激光扫描头的打点频率为1.6KHz?IMHz。
7.根据权利要求2所述的一种光声成像方法,其特征在于,所述的激光扫描头的焦距为 100mm。
8.根据权利要求2所述的一种光声成像方法,其特征在于,所述的控制模块为PC机。
【文档编号】G01N21/17GK103822877SQ201410070339
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月27日 优先权日:2014年2月27日
【发明者】潘永东, 李立兵, 王威, 陈亘, 凌松 申请人:同济大学