非线性光声谐振谱传感与成像方法及装置与流程

本发明属于非线性光声检测与成像技术领域，特别涉及一种利用光声谐振的物理现象来进行传感与成像的方法及装置。

背景技术：

光声检测与成像技术是最近快速发展起来的一种新的混合成像方法。光声成像技术的基本原理是当激光脉冲照射在被测物体以后，被测物体会吸收一部分光能量，导致瞬态的温度升高，从而发生热胀冷缩的瞬态振动。这样的振动可以激发出超声波即光声信号，由于光声信号的幅值线性正比于被测物体的光学吸收系数，因此传统的光声检测与成像技术可以用来检测和重构出生物组织对特定/多个波长激光的吸收分布，从而进行医学检测。关于光声技术的综述性总结可以在最近几年的学术论文中找到(Nature Photonics 3,503-509(2009)；Science 335,1458-1462(2012))。

如上所述，传统的光声技术是基于对被测物体线性吸收特性的表征：光声信号大小与被测物体光吸收大小或者激发的激光功率大小呈线性变化。然而，这种传统的光声检测与成像的方法通常会面临两个难点。第一，要激发足够强的光声信号，一般需要利用高功率的脉冲激光器，比如Q-switched Nd:YAG激光器。这种激光器价格昂贵，不利于光声成像设备的成本控制和商业化。为了解决这个问题，一些研究小组提出了利用低功率的激光二极管来代替高脉冲激光器，但是相应的脉冲光声信号却会非常微弱。第二，在很多重要的应用中，比如早期肿瘤检测，由于其光吸收特性跟周围正常生物组织非常类似，以至于背景信号会很大从而导致光声成像的对比度会很小。在这种情况下，只依靠光吸收特性的传统光声成像方法将无法实现高对比度的成像。虽然一些研究也有通过光声来检测被测物体粘弹性来进行成像(CN 102879335B)，但其图像对比度的增强效果依旧有限。

如上所述，现在商业化的光声成像设备(比如Endra和iTheraMedical公司)都是利用昂贵的脉冲激光器，并且仅用来检测被测物体的光学吸收特性。到目前为止，还没有利用低功率激光二极管并且通过光声谐振的方式来提高信噪比和图像对比度的研究报道和产品。

技术实现要素：

本发明提供的非线性光声谱谐振传感与成像的方法及装置，能够利用低成本的连续激光二极管来实现光声谐振谱传感与成像，并进一步通过差值成像的方式达到更好的信噪比和图像的对比度。

本发明提供的技术方案为：

第一方面，本发明提供了一种利用可调制的连续激光二极管来进行光声谐振谱传感与成像的方法。首先，本发明是基于光声谐振现象。首先，将多个脉冲且强度可调制的连续激光聚焦于一被测物体，由于被测物体对激光的吸收，将导致温度的周期性升高和热弹性效应，从而激发出非线性光声谐振信号。

所述的光声谐振信号的波动方程，其数学表达式将表述如下：

采用如下第一公式可以得到第一个非线性光声谐振信号的波动方程，所述第一公式为：

其中，a是光声信号的传播相位常数，ρ是被测物体的密度，η是所述被测物体的剪切粘性，ξ是所述被测物体的体粘性，c是声速。Γ＝βc²/c_p是Grüneisen常数，其中β是被测物体的热膨胀系数，c_p被测物体单位质量的热容量。H(t)＝μ_aΦ(t)是可调制激光的强度函数,其中μ_a被测物体的光吸收系数,Φ(t)是光强度。

进一步的，可以看出第一公式是一个被可调制激光驱动的二阶差分方程，类似于一个二阶震荡系统，比如阻尼弹簧质量系统，或者电阻-电感-电容震荡电路。

进一步的，通过一些数学推导，可以得到上述二阶震荡系统的谐振频率ω_r和品质因子Q，其数学表达式将表述如下：

采用如下第二公式可以得到非线性光声谐振信号的谐振频率和品质因子，所述第二公式为：

如上述第二公式所示，不论是谐振频率还是品质因子，它们都跟被测物体除了光吸收系数意外的很多物理参数有关，比如声速，粘弹性等。

进一步的，当激光二极管的调制频率与被测物体的共振频率匹配的时候，光声谐振信号的信噪比会相应的增大Q倍。另外，不同的被测物体由于具有不同的物理参数，其光声谐振谱也会不同，从而可以实现光身谱的传感检测。

进一步的，可以将光声谐振谱发展成为一种高对比度的非线性光声谐振成像的方法，具体步骤如下：

1.首先利用单脉冲调制的激光源，进行一次传统的线性光声成像，从图像上大概找出被测物体和背景的区域。

2.在被测物体和背景区域分别扫频调制激光的调制频率，得到这两个区域的光声谐振谱信息。

3.选择被测物体的谐振频率为激光的调制频率，扫描得到第一幅光声谐振图像。然后选择背景的谐振频率为激光的调制频率，扫描得到第二幅光声谐振图像。

4.最后，将第一幅光声谐振图像减去第二幅光身谐振图像，然后将图像小于零的像素点设置为零，就得到了差值光声谐振图像。

如上所述，差值光声谐振图像将凸显出被测物体的信号，同时将抑制背景信号。

另一方面，本发明还提供了一种实现非线性光声谐振传感与成像的装置，包括：

一个可调制的激光二极管及其驱动电路，其用于激发频率可调制的多脉冲激光信号；

FPGA(可编程逻辑门阵列)，其用于产生不同频率的调制信号，从而得到非线性光声谐振谱的信息；

光纤耦合器，将激光二极管输出的光束聚合进入一根多模光纤中；

光纤，其用于方便的传输激光束，光纤长度可根据需要进行调整；

锥形透镜，用于将光纤末端输出的光束聚焦并调整为环状光斑；

环形聚合反射镜，其用于将发散开的环状光束松散的聚焦到被测物体，类似于黑场辐射；

超声传感器，其放置于所述环形聚合反射镜的中间，与激光聚焦点同轴同心。所述超声传感器用于检测所述被测物体由激光脉冲诱导产生的非线性光声谐振信号。超声传感器可以为单点水浸式传感器，也可以为多点阵列式传感器；

去离子水，其设置在所述环形聚合反射镜和所述被测物体之间，用于耦合激光照射和超声，所述去离子水设置在一个由透明聚乙烯薄膜制成的腔体中；

三维机械扫描平台及其驱动电路，其用于扫描被测物体，实现二维和三维的成像显示；以上所述光纤、锥形透镜、环形聚合反射镜、超声传感器都与所述三维机械扫描平台相连，并与其一起运动；

低噪声放大器，其连接所述超声传感器，所述超声传感器收集到的光声谐振信号经过所述低噪声放大器进行信号放大；

数据采集卡，其连接所述低噪声放大器，所述低噪声放大器放大的模拟信号转换为数字信号；

电脑，其连接所述数据采集卡，用于接收所述数据采集卡传输的数字信号并进行数据分析。

本发明提供的利用可调制激光二极管来实现的非线性光声谐振传感与成像的装置：由于利用了光声信号的谐振现象，可以极大的提高光声信号的信噪比。另外，通过扫描激光器的调制频率，可以实现对除了光吸收之外的物理参数的检测表征。进一步的，通过差值成像的方法，可以压制背景噪声的信号，显著的提高非线性光声谐振成像的对比度。这项技术可以降低光声成像系统的总体成本，并且可以利用光声谐振谱的差值成像方法，提高成像的对比度。这种利用可调制激光二极管来实现的非线性光声谐振传感与成像的方法可以用在大部分的光声成像应用中，以及早期肿瘤检测(比如黑色素瘤，乳腺癌等)，皮下血管成像与血糖血脂检测等。

附图说明

图1是非线性光声谐振谱传感与成像的系统示意图；

图2是基于非线性光声谐振谱传感来实现高对比度差值成像的示意图；

图3是基于宽带扫频方式来实现光声谐振谱成像的示意图

图4是仿体实验的结果；

图5是在体外生物组织进行实验的结果；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明技术方案的优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

如图1所示，本发明实施提供了一种基于可调制激光二极管的非线性光声谐振成像系统的装置，包括：

一个大功率驱动电路2，和与之相连的激光二极管3，用于产生激发光声谐振信号的多脉冲光源。

其中，激光二极管的波长可以在可见光和近红外范围内进行选择，根据不同的被测物体选择不同的测试波长。比如，测量血液血氧含量的话，可以选择波长在550-650nm之间，这样血液有较强的光吸收。对于脂类检测，可以选择1210nm附近的波长，可以最大化脂类相对于血液的吸收强度。激光强度可以选择在保证安全的情况下，尽量大的功率来增强信噪比。

进一步的，上述激光器所需的输入扫频调制信号由FPGA(可编程逻辑门阵列)1产生，其用于产生多脉冲(3～10个脉冲)且频率可调的输入信号。

进一步的，上述激光二极管发出的激光4被一个光纤耦合器5耦合进入一根光纤6。

其中，上述光纤可为多模光纤或者单模光纤，在此不做具体的限定。

进一步的，从上述的光纤出来的光束通过锥形透镜7聚焦并调整为环状光斑。并通过环形聚合反射镜聚8焦于被测物体15。

需要说明的是，环状光斑的大小和深度取决于预先设定的成像深度。

进一步的，超声传感器9置于上述环形聚合反射镜中间，与光束聚焦同轴同心。

需要说明的是，超声传感器可以选择单个聚焦超声单元，或者由多个非聚焦超声单元组成的阵列。可以根据实际情况来决定。根据不同的应用，超声频率可以选择1～20MHz。

进一步的，上述聚合光纤、锥形透镜、环形聚合反射镜、超声传感器都连接于三维机械扫描平台10，并由电机驱动器11进行驱动。

需要说明的是，上述三维机械扫描平台的扫描速度，步长和扫描范围可根据具体的应用环境调整。

进一步的，装满去离子水12的小型容器13置于超声探头和被测物体之间。超声探头浸没于去离子水中，以便接收来自被测物体的光声谐振信号。聚焦光束也穿过去离子水聚焦于被测物体。

进一步的，上述小型容器的底部由一层透明的塑料薄膜14构成，其用于耦合来自被测物体的光声信号。

进一步的，上述超声传感器采集到的光声谐振信号连接于低噪声放大器16进行信号放大；数据采集卡17，其连接所述低噪声放大器16，将所述低噪声放大器放大的信号转换为数字信号；电脑18，其连接所述数据采集卡，用于接收所述数据采集卡传输的数字信号并进行数据存储和分析。

需要说明的是，上述电脑为整个系统的控制中心，同时控制激光器触发，三维扫描平台移动，以及数据采集和存储。

整个装置的具体工作过程为：

由FPGA(可编程逻辑门阵列FPGA)1产生的多脉冲频率可调制的控制信号输入到驱动电路2中。上述驱动电路进而驱动一个激光二极管3来发射出激光束4，然后通过光纤耦合器5将激光耦合进光纤6中。从上述光纤发出的光束通过锥形透镜7聚合并调整为环状光斑，并进一步由环形聚合反射镜8将其聚焦于被测物体15。另外，超声传感器9置于环形聚合反射镜的中间，并与光束同轴同心。上述6-9均固定于三维机械扫描平台10，随其一起扫描运动，并由电机驱动器11为其驱动。另一方面，装满去离子水12的小型容器13置于超声探头和被测物体之间用来耦合光声谐振信号。由超声传感器接收到的光声谐振信号通过低噪声信号放大器16进行放大，并通过数据采集卡17进行数据转换。转换后的信号被电脑18采集与处理。

进一步的，差值非线性光声谐振成像如图2所示，具体过程为：

1.首先利用单脉冲调制的激光源，进行一次传统的线性光声成像，从图像上大概找出被测物体和背景的区域(图2a)。

2.在被测物体和背景区域分别扫频调制激光的调制频率，得到这两个区域的光声谐振谱信息(图2b)。

3.选择被测物体的谐振频率为激光的调制频率，扫描得到第一幅光声谐振图像。然后选择背景的谐振频率为激光的调制频率，扫描得到第二幅光声谐振图像(图2c)。

4.最后，将第一幅光声谐振图像减去第二幅光身谐振图像，然后将图像小于零的像素点设置为零，就得到了差值光声谐振图像(图2c)。

进一步的，基于宽带扫频方式来实现光声谐振谱成像如图3所示，具体过程为：

1.选择宽带扫描信号的开始频率，结束频率，以及时间宽度(图3a)。

2.在每一个扫描点处，可以得到扫频的宽带光声信号如图3b。其包络在各个频率处的幅值反映了被测物体的光声谐振特性。

3.利用匹配滤波器运算，可以得到被测物体的深度信息，便于后期进行三维图像重构(图3c)。

4.利用包络检波器，可以得到原始宽带扫频光声谐振信号的包络信息。如上所述，反映了被测物体的谐振信息，是跟光吸收强度无关的物理参数。

5.类似于图2中的差值光声谐振成像方法，宽带扫频光声谐振信号也可以通过选择不同频率和带宽的匹配滤波器，来实现选择性的对被测物体和背景的信号放大，从而通过差值运算来压制背景噪声。

下面，本发明第一个实施例以黑线仿体成像来对本发明实施例所提供的方法和装置进行说明。本实施例的结果如图4所示。实验检测到的时域单脉冲光声信号和光声谐振信号如图4a所示。可以看出，光声谐振信号具有更大的信号幅度和更窄的带宽。进一步的，对激光调制频率进行扫频(840kHz～1340kHz)，从图4b中的结果可以观察到，被测物体和背景具有不同的光声谐振谱特性，并可以分别拿到各自的谐振峰值频率(920kHz,1140kHz)。进一步的，利用谐振频率920kHz进行三维光声谐振成像，会最大化背景的光声信号，成像结果如图4c所示。利用谐振频率1140kHz进行三维光声谐振成像，会最大化被测目标的信号，成像结果如图4d所示。进一步的，对上述两幅成像结果进行差值运算，可以得到差值成像结果，如图4e所示。可以看出，差值成像的图像对比度要远大于传统的直接光声成像结果。

本发明的第二个实施例是以体外生物组织为成像目标来对本发明实施例所提供的方法和装置进行说明。如图5a所示是被测猪肉肌肉和肝脏组织的照片。图5b是对其进行的光声谐振谱测试。可以看出，肌肉和肝脏具有不同的谐振峰。类似于上一个实施例，分别进行了传统的单激光脉冲成像(图5c)，利用肌肉谐振峰频率的光声谐振成像(图5d)，利用肝脏谐振峰频率的光声谐振成像(图5e)，以及光声谐振差值成像(图5f)。可以看出，图5c反映了原本的光吸收对比度，图5d增强了肌肉光声谐振图像的对比度，图5e增强了肝脏光声谐振图像的对比度。最后，图5f通过差值成像的方式突出了肝脏的信号，压制了背景肌肉信号，从而极大的提高了图像对比度。

本发明实施例所提出的利用可调制激光二极管的非线性光声谐振谱传感与成像方法及装置可适用于现有光声成像系统的绝大多数应用，实现利用低成本连续激光器来进行光声谐振谱成像。进一步的，本发明还提出了利用光声谐振谱来进行差值光声谐振成像的方法，进而可以达到高对比度的成像效果，尤其适用于在传统光声成像中光吸收特性差异不明显的情况。最后，本发明还提出了利用宽带扫频的方式进行光声谐振成像，并利用仿体和体外组织进行了验证性实验。然而，本发明的具体实施方式和应用范围并不局限于以上实例。任何利用到本发明的基本原理所作的改变，修饰，替代，组合，简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。