一种非接触式全光学光声成像装置及其方法与流程

本发明属于光声成像技术领域，特别涉及一种非接触式全光学光声成像装置及其方法。

背景技术：

当短脉冲激光照射到组织中时，组织因吸收激光能量而出现热膨胀，产生超声信号，这种现象称为光声效应。光声成像技术是目前一种新进发展的生物医学影像技术，利用光声效应原理使其结合了纯光学成像的高对比度特性和纯超声成像的高穿透深度特性，同时具有无损伤、无电离效应等优势，正逐步成为生物组织无损检测领域的一个研究热点。近年来得到国内外学者越来越多的关注和研究，出现了各种光声成像方法。对于光声信号的探测方法目前主要分为两大类：压电法和光学法，压电法指用压电换能器直接进行探测，光学法指用检测光进行间接探测。

通过耦合介质将压电陶瓷传感器与样品进行耦合，压电陶瓷即可检测样品产生的光声信号，这就是压电法检测。其中较具代表性的是水听器。压电法光声检测系统的优点是技术成熟、结构简单，而且灵敏度高，但是，由于光声信号具有很宽的频带，而传统超声换能器受到材料限制，一般频带都较窄，宽频的光声信号与频带较窄的探测器形成了不可调和的矛盾。光学法检测是基于光声-压力-表面位移或折射率改变的原理，用一束探测光对光声信号引起的位移量进行探测，最大的特点就是非接触性，即不需要耦合介质。其典型代表就是利用干涉原理，将光声信号调制在干涉信号上。但是，当被检测物的表面起伏较大时，样品臂与参考臂的光程差会超过检测光的相干长度，此时就没有干涉信号，即检测不到光声信号。与此同时，传统的高斯光经过物镜聚焦后，其焦点长度一般是几个微米，所以其不能在较大的深度方向上保持好的横向分辨率。因此，当待检测样品的表面平整度不好时就会在二维扫描过程中出现局部离焦现象，导致分辨率变差，从而给成像质量带来负面影响。

技术实现要素：

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种非接触式全光学光声成像装置。

本发明的另一目的在于运用上述的非接触式全光学光声成像装置的成像方法。

为实现以上目的，本发明采取如下技术方案：

本发明的一种非接触式全光学光声成像装置，包括光声信号激发组件、光声信号检测组件、干涉相位调制组件、光声信号采集/处理组件和扫描平台，所述的光声信号激发组件、光声信号检测组件、干涉相位调制组件和光声信号采集/处理组件依次连接，光声信号采集/处理组件分别和光声信号激发组件、光声信号检测组件连接，干涉相位调制组件分别和光声信号激发组件和光声信号检测组件连接，扫描平台分别和光声信号激发组件和光声信号检测组件连接；

所述的光声信号激发组件包括光声信号激发光源、光纤耦合器a、单模光纤和光纤准直器a；所述光声信号激发光源、光纤耦合器a、单模光纤和光纤准直器a依次连接，所述的光声信号激发光源分别与光声信号采集/处理组件和扫描平台连接；所述的光声信号激发组件用于激发样品产生光声信号；

所述的光声信号检测组件包括光声信号检测光源、光纤环形器、光纤耦合器b、参考臂和样品臂，所述光声信号检测光源、光纤环形器、光纤耦合器b顺序连接，所述参考臂和样品臂均与光纤耦合器b连接，所述的光纤耦合器b将入射光等分为两份分别输出到样品臂和参考臂；所述的样品臂由光纤准直器b、二向色镜、扩束镜和锥透镜依次连接构成；所述的参考臂包括顺序连接的光纤准直器c、透镜和反射镜，所述透镜还连接有一维移动平台；所述光纤环形器分别与光声信号检测光源、光纤耦合器b和光电探测器a连接；光纤耦合器b分别与光纤环形器、光电探测器a、光纤准直器b和光纤准直器c相连接；

所述的干涉相位调制组件包括分束镜、光电探测器b、压电陶瓷驱动器、压电控制器和fpga控制板，所述的分束镜、光电探测器b、fpga控制板、压电控制器、以及压电陶瓷驱动器依次连接，所述压电陶瓷驱动器还与反射镜连接；所述分束镜连接至光纤准直器b和二向色镜之间。

作为优选的技术方案，所述的光纤准直器c和透镜严格光学同轴；所述的光纤准直器a、光纤准直器b、二向色镜、扩束镜和锥透镜严格光学同轴。

作为优选的技术方案，所述的锥透镜是将同轴的光声信号激发光和光声信号检测光一起变为零阶贝塞尔光束，将焦长大小从微米级扩大到毫米级，使系统在更大的深度范围内保持良好的横向分辨率。

作为优选的技术方案，所述的分束镜位于光学准直器b和二向色镜之间，与光电探测器b、fpga控制板、压电控制器、驱动压电陶瓷驱动器和样品臂一起构成干涉信号过零点的闭环控制，即利用光电探测器b将由样品反射回的检测光的幅值传送给fpga控制板，fpga控制板先根据当前时刻样品臂光强值和干涉信号光强值计算出下一时刻干涉信号幅值变为零时参考臂光程值相应的变化量，再通过控制压电控制器来驱动压电陶瓷驱动器来改变参考臂的光程，依次循环形成闭环控制，使干涉信号维持在零点，从而使光声信号激发光源以内触发的方式工作，提高成像速度。

作为优选的技术方案，所述的光声信号采集/处理组件由射频同轴电缆、采集卡和计算机组成，所述的采集卡直接插在计算机的pci插槽里，所述的采集卡通过射频同轴电缆分别与光声信号激发光源、光电平衡探测器a和扫描平台连接；fpga控制板与计算机通过usb端口连接。

本发明还提供了一种非接触式全光学光声成像装置的检测方法，包括以下步骤：

(1)将待检测样品置于扫描平台上方，锥透镜的正下方；

(2)光声信号激发光和光声信号检测光通过二向色镜后变为同轴光束，并依次经过扩束镜和锥透镜变为贝塞尔光束，聚焦于样品表面；

(3)光声信号激发光照射到样品上，样品吸收光能后产生光声信号，光声信号引起样品表面发生微小振动；光声信号检测光通过探测样品表面振动，使样品臂反射回去的检测光幅值不断变化，从而将高频的光声信号调制在低频的干涉信号上；

(4)分束镜实时的将由样品反射回的检测光的幅值反馈给fpga控制板，fpga控制板根据这一参数实时通过改变反射镜的位移量来调整参考臂的光程，从而改变干涉信号的幅值，依次循环形成闭环控制，使干涉信号维持在零点，从而使光声信号激发光源工作在内触发状态，提高成像速度；

(5)光电探测器将检测到的干涉信号进行高通滤波，得到样品的光声信号；改变扫描平台的二维电机的x、y轴各自偏角使光声信号激发光和光声信号检测光发生偏转，扫描平台的二维电机每偏转一次，采集卡就进行一次数据采集；

(6)采集完全部光声信号后，通过最大值投影的方法重建出组织样品的光声二维图像及三维图像。

作为优选的技术方案，所述的光声信号激发光源的脉冲激光波长为400～2500nm，脉宽为1～50ns，重复频率为10hz～50khz；

所述的光声信号检测光源的波长为300～1600nm，3db带宽为0.01-1nm。

作为优选的技术方案，所述的光声激发光源的脉冲激光波长为532nm，脉宽为10ns，重复频率为10khz；所述的光声激发光源的脉冲激光波长为532nm，脉宽为10ns，重复频率为10khz.。

作为优选的技术方案，所述的二维图像建立方法采用以下方式进行：即将每一个扫描点得到的z方向数据，先取绝对值，再取最大值，将其作为该z方向的数值代表，然后将所有采集到的点数按照扫描顺序排列在一起就得到二维平面图。

作为优选的技术方案，所述的三维图像建立方法采用以下方式进行：即将每一个扫描点得到的z方向数据截取相同的采集点数，然后将其作为z方向的数据，然后将所有截取的数据取绝对值后导入自行编写的matlab程序里，可以得到待检测样品的三维光声信号分布图。

本发明相对于现有技术具有如下的优点和效果：

(1)本发明先利用锥透镜将脉冲高斯光束变为脉冲贝塞尔光束，并使其中心光束聚集于待检测样品，从而产生光声信号；再利用窄线宽的超发光二极管作为光声信号检测光源，也使其通过锥透镜后变为零阶贝塞尔光束，并将其中心光束聚焦在生物组织表面，然而，如果待检测样品表面的平整度不好，即当样品表面高度起伏太大，超过检测光源的相干长度，检测光就不会发生干涉，导致检测不了光声信号，因此，采用窄线宽检测光源使其相干长度扩大到毫米级，就可以解决此问题，即在对生物样品成像时基本不会出现因为样品表面不够平整而检测不到光声信号的现象。

(2)本发明的非接触式的光声信号检测方法摆脱了传统的耦合光声信号检测的限制，可对任何部位进行光声检测，对于实现光声技术的临床化有很大的推动作用。

(3)本发明利用锥透镜将高斯光变为零阶贝塞尔光，使其光强分布符合零阶贝尔塞尔函数，利用其中心光束进行光声成像，将焦长大小实现从微米级扩大到毫米级，从而解决了使用传统物镜扫描样品时易离焦的问题，提高了轴向深层位置处的分辨率。

(4)本发明利用光电探测器b将由样品反射回的检测光的幅值传送给fpga控制板，fpga控制板先根据这一时刻样品臂光强值和干涉信号光强值计算出当下一时刻干涉信号幅值变为零时参考臂光程值相应的变化量，再通过控制压电控制器来驱动压电陶瓷驱动器来改变参考臂的光程，依次循环形成闭环控制，使干涉信号基本维持在零点附件，从而使光声信号激发光源可以以内触发的状态工作，提高成像速度。

附图说明

图1是实施例1的一种非接触式全光学光声成像装置的结构示意图。其中：1-1为光声信号激发光源，1-2为光纤耦合器a，1-3为单模光纤，1-4为光纤准直器a，2-1为光声信号检测光源，2-2为光纤环形器，2-3为光纤耦合器b，2-4为光纤准直器b，2-5为二向色镜，2-6为扩束镜，2-7为锥透镜，2-8为光纤准直器c，2-9为透镜，2-10为反射镜，2-11为光电探测器a，2-12为一维位移平台，3-1为分束镜，3-2为光电探测器b，3-3为压电陶瓷驱动器，3-4为压电控制器，3-5为fpga控制板，4-1为采集卡；4-2为计算机；5为扫描平台。

图2是实施例2中的贝塞尔光束x-y截面的光强分布图像。

图3是实施例2中的贝塞尔光束的叶脉光声图像。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，一种非接触式全光学光声成像装置，包括光声信号激发组件、光声信号检测组件、干涉相位调制组件、光声信号采集/处理组件和扫描平台，所述的光声信号激发组件、光声信号检测组件、干涉相位调制组件和光声信号采集/处理组件依次连接，光声信号采集/处理组件分别和光声信号激发组件、光声信号检测组件连接，干涉相位调制组件和光声信号检测组件连接，扫描平台分别和光声信号激发组件和光声信号检测组件连接；

所述的光声信号激发组件包括光声信号激发光源1-1、光纤耦合器a1-2、单模光纤1-3、光纤准直器a1-4，光声信号激发光源1-1、光纤耦合器a1-2、单模光纤1-3、光纤准直器a1-4依次连接，光纤准直器a1-4和二向色镜2-5连接；

所述的光声信号检测组件包括光声信号检测光源2-1、光纤环形器2-2、光纤耦合器b2-3、光纤准直器b2-4、二向色镜2-5、扩束镜2-6、锥透镜2-7、光纤准直器c2-8、透镜2-9、反射镜2-10、光电探测器a2-11和一维位移平台2-12；所述的光声信号检测光源2-1、光纤环形器2-2、光纤耦合器b2-3、光纤准直器b2-4、二向色镜2-5、扩束镜2-6和锥透镜2-7依次连接；一维位移平台2-12、光纤准直器c2-8、透镜2-9和反射镜2-10依次连接；光纤环形器2-2分别与光纤耦合器b2-3和光电探测器a2-11连接；光纤耦合器b2-3分别与光纤环形器2-2、光电探测器a2-11、光纤准直器b2-4和光纤准直器c2-8连接；二向色镜2-5和分束镜3-1连接；光电探测器a2-11和fpga控制板3-5连接；反射镜2-10与压电陶瓷驱动器3-3连接；

所述的反射镜优选为镀银反射镜；所述的反射镜粘合在压电陶瓷驱动器上。

所述的光纤耦合器a和所述的光纤耦合器b优选为2×2的光纤耦合器；

所述的光声信号检测光源优选为窄带光源；

所述的光电探测器a优选为带差分输出的光电平衡探测器；

所述的光纤准直器a1-4、光纤准直器b2-4、二向色镜2-5、扩束镜2-6和锥透镜2-8严格光学同轴，所述的光纤准直器c2-8和透镜2-9严格的光学同轴；

所述的二向色镜是为了使光声信号激发光和光声信号检测光经过它时依次发生反射和透射，从而实现这两束光经过二向色镜后变为同轴光束，然后一起经过扩束镜和锥透镜，最后聚焦在待检测样品的上表面；

所述的干涉相位调制组件包括分束镜3-1、光电探测器b3-2、压电陶瓷驱动器3-3、压电控制器3-4和fpga控制板3-5；所述的压电陶瓷驱动器3-3、压电控制器3-4和fpga控制板3-5依次连接；分束镜3-1、光电探测器b3-2和fpga控制板连接；

所述的分束镜位于光学准直器c和二向色镜之间，把由样品臂反射回来的检测光的一部分反射到光电探测器b里，光电探测器b将光信号转化为电信号传给fpga控制板，fpga控制板采集到该电信号后进行处理，即根据此刻样品臂光强值和干涉信号光强值先计算出此刻参考臂的光强值和相位值，再计算出干涉信号幅值由当前值变为零时参考臂相位对应的变化量，最后将相位变化量转化为光程变化量，通过控制压电控制器来驱动压电陶瓷驱动器来改变参考臂的光程，从而实现对干涉信号过零点的闭环控制；

所述的分束镜分光比优选为50:50；

所述的光电探测器b与光电探测器a优选为同一型号；

所述的光声信号采集/处理组件由射频同轴电缆、采集卡4-1和计算机4-2组成，采集卡4-1直接插在计算机4-2的pci插槽里，采集卡4-1通过射频同轴电缆和光声信号激发光源1-1、光电探测器a2-11和扫描平台5连接；fpga控制板3-5与计算机4-2通过usb端口连接；

所述的光声信号激发组件、光声信号检测组件、干涉相位调制组件、光声信号采集/处理组件和扫描平台依次电气连接，并且按照合理的力学结构组成整个新型非接触式全光学光声成像装置；

所述的计算机安装有采集和处理信号的系统；

所述的fpga控制板是采用verilog语言自行编写的信号处理系统；

所述的光声信号采集控制及光声信号处理系统优选采用labview和matlab自行编写的采集控制及信号处理系统；

光声信号激发光源1-1产生的脉冲高斯激光，通过锥透镜2-7变换为零阶贝塞尔光，然后使其中心光束的焦点位于样品上，样品吸收脉冲光能量后会产生光声信号，光声信号会引起生物组织表面的振动；而光声信号检测光同样通过锥透镜2-7变换为零阶贝塞尔光，并使其中心光束的焦点位于样品上所涂油层的表面上，由于样品表面的振动会驱动油层表面相应振动，使样品臂反射回去的检测光幅值不断变化，从而将高频的光声信号调制在低频的干涉信号上；通过光电探测器a2-11将检测到的干涉信号转换为电信号后进行高通滤波，就可以得到样品的光声信号；然后改变扫描平台x、y轴电机各自偏角，实现对样品进行二维扫描成像，扫描平台的二维电机每偏转一次，采集卡4-1就采集一次数据；采集完全部信号后，通过最大值投影的方法在计算机4-2上重建出组织样品的光声二维图像及三维图像；为了使光声信号激发光源1-1可以工作在内触发的状态下，提高成像速度，分束镜3-1实时的将部分由样品反射回的检测光反射到利用光电探测器b3-2上，光电探测器b3-2将检测到的光信号转换为电信号传送给fpga控制板3-5，fpga控制板3-5先根据这一时刻样品臂的光强值和干涉信号的光强值计算出此刻参考臂的光强值和相位值，然后计算出下一时刻干涉信号幅值变为零时参考臂的相位值，即相对与此刻光程值的变化量，再通过控制压电控制器3-4来驱动压电陶瓷驱动器3-3来改变参考臂的光程，依次循环形成闭环控制，使干涉信号基本维持在零点附件。

实施例2

运用实施例1的种非接触式全光学光声成像装置与方法，包括以下步骤：

(1)将叶脉埋入浓度是1％的琼脂中，在琼脂表面涂抹1层薄薄的矿物油，并将此模拟样品固定于样品台上，调节好高度；

(2)光声信号激发光源和光声信号检测光源通过二向色镜变为同轴光束，一同进过扩束镜和锥透镜后聚焦于琼脂块上表面，调节参考臂的位移平台，使得参考臂和样品臂光程差为零，即光声信号检测光发生干涉；

(3)使光声信号激发光照射到琼脂块表面，琼脂块里面的叶脉吸收光能后产生光声信号，光声信号引起叶脉及琼脂块的振动；琼脂块表面的振动使得油层表面也发生振动，使得样品臂反射回光纤耦合器的光强值不停的改变，从而将叶脉的光声信号调制在干涉信号上，通过光电探测器将光信号变为电信号，对此信号进行高通滤波后就可以得到叶脉的光声信号；

(4)分束镜实时的将由样品反射回的检测光的幅值反馈给fpga控制板，fpga控制板根据这一参数实时调整参考臂的光程，依次循环形成闭环控制，使干涉信号基本维持在零点附件，从而使光声信号激发光源工作在内触发状态；

(5)改变扫描平台的二维电机x、y轴的各自偏角使光声信号激发光和宽光声信号检测光发生偏转，实现对叶脉样品进行二维成像，扫描平台的二维电机每偏转一次，采集卡就进行一次数据采集；

(6)采集完全部信号后，通过最大值投影重建出组织样品的光声二维图像及三维图像；

所述的光声激发光源的脉冲激光波长为532nm，脉宽为10ns，重复频率为10khz；

所述的光声信号检测光源的波长为1310nm，3db带宽为0.1nm；

所述二维图像的建立方法是对所有的光声信号取相同时间长度并作纵切面投影，将投影后得到的光声图像，见图2和图3。图2为用高斯光和4倍物镜成的叶脉光声图像，图3为用贝塞尔光束成的叶脉光声图像。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。