一种基于柔性基底的微腔光声成像系统

1.本发明涉及光声成像的技术领域，更具体地，涉及一种基于柔性基底的微腔光声成像系统。


背景技术：

2.光声成像是一种基于“光学激发，声学检测”的无损无标记式的新型医学成像方法，融合了光学成像的高分辨率以及声学成像的高穿透深度的特点，为组织内部的生理、病理过程的监测，相关疾病诊断提供了强力有效的技术手段。
3.现阶段常见的超声传感器是基于压电式的传感器，传感器类似于蜂窝状排布，的体积较大，直径一般为数毫米，导致探测阵列的传感单元数量受限，且探测方向角较小，灵敏度和带宽也都会受体积的限制。
4.2018年10月2日，中国发明专利(公布号：cn108606777a)中公开了一种基于可调聚焦型光纤传感器的光声计算层析成像系统，系统包括短脉冲激光器、反射镜、扩束器、水箱、被测物体、光纤夹持器、可调聚焦型光纤传感器、旋转步进电机、光电探测器、数据采集卡以及计算机，短脉冲激光器发射出短脉冲激光，照射到被测物体，被测物体由于光声效应产生超声波，光纤传感器接收超声波并将其转换为光信号，经光电探测器和数据采集卡处理后传输到计算机并重建得到二维层析图像，再配合线性平移台控制被测物体轴向移动，得到三维层析图像，该专利中提到的系统结构简单紧凑，易于调节且曲率可变，提高了探测灵敏度，但该专利所提的方案需要驻点扫描，接收速度较慢，虽易于调节且曲率可变，但从光纤传感器本身而言，光纤传感器是固定在光纤夹持器上的，受机械性限制较大，灵活度稍差。


技术实现要素：

5.为解决现有光声成像系统所基于的超声传感器体积大，灵活度差且探测灵敏度差的问题，本发明提出了一种基于柔性基底的微腔光声成像系统，基于柔性基底制作的微腔，灵活性高，曲率可调且带宽较大，探测灵敏度强。
6.为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
7.一种基于柔性基底的微腔光声成像系统，包括：光源发生装置、反射镜、扩束镜、箱体、待测目标、柔性微腔传感部件、可调升降器、信号采集解调系统、控制成像处理设备；所述控制成像处理设备分别连接光源发生装置、可调升降器及信号采集解调系统，所述待测目标、柔性微腔传感部件及可调升降器均设置于箱体内，待测目标设置于可调升降器上；所述控制成像处理设备控制光源发生装置输出光源，光源通过反射镜反射至扩束镜，然后经扩束镜扩束，入射至待测目标上，待测目标吸收光能热膨胀产生瞬时的超声脉冲信号，超声脉冲信号被柔性微腔传感部件探测接收，转换为光信号，光信号通过信号采集解调系统转换为电信号，信号采集解调系统将电信号传输至控制成像处理设备完成信号的采集与二维层析图像重建，控制成像处理设备控制可调升降器升降移动，调节成像层析位置，将不同升降位置下的二维层析图像叠加，实现三维成像。
8.在本技术方案中，为克服当前超声传感器存在的体积过大和性能不足的缺陷，基于全光学柔性微腔传感部件设计光声成像系统，光源发生装置输出光源后，通过反射镜反射并由扩束镜扩束后，入射到置于箱体中的待测目标上，待测目标由于光声效应，吸收光能热膨胀产生瞬时的超声脉冲；超声脉冲信号被柔性微腔传感部件探测接收，柔性微腔传感部件将其转化为光信号，并通过信号采集解调系统将光信号转化为电信号，并将电信号数据传输到控制成像处理设备完成信号的采集，最终图像重建算法，完成二维层析图像的重建，再配合可调升降器待测目标的升降移动，得到三维层析图像，柔性微腔传感部件内使用的传感单元可以做到仅仅数十到数百微米因此可以容纳更多的传感单元，探测超声脉冲信号的灵敏度得到提升，重建图像的对比度更高，能充分发挥其体积小的优势。
9.优选地，所述控制成像处理设备包括控制设备及成像处理设备，控制设备上设有第一控制端、第二控制端、第三控制端及信号传输端，控制设备通过信号传输端与成像处理设备连接，并接收成像处理设备下发的控制指令，具体为：
10.控制设备通过第一控制端连接光源发生装置，控制光源发生装置输出光源的波长及脉冲频率；
11.控制设备通过第二控制端连接可调升降器，控制可调升降器的升降距离；
12.控制设备通过第三控制端连接信号采集解调系统，控制信号采集解调系统采集与及解调光信号的速率。
13.优选地，所述柔性微腔传感部件包括若干个微环谐振腔单元、矩形波导、包层，若干个微环谐振腔单元中的每一个均与矩形波导耦合，耦合间距为g，微环谐振腔单元与矩形波导被包层包裹，微环谐振腔单元与矩形波导由硫系材料制作而成，包层由柔性材料制作而成。
14.在此，柔性微腔传感部件的包层由柔性材料制作而成，使得制作出的柔性微腔传感部件可以进行弯曲，以便和激发出的超声信号波前更好的匹配，提高采集信号的信噪比。
15.优选地，待测目标产生超声脉冲信号，超声脉冲信号被柔性微腔传感部件探测接收，柔性微腔传感部件的每个微环谐振腔单元采集到一个时间序列的超声波信号，经信号采集解调系统采集后得到若干组采样数据，若干组采样数据传输至控制成像处理设备进行处理后得到一个xy平面的层析图像。
16.优选地，所述柔性微腔传感部件呈环形，若干个微环谐振腔单元以箱体的底面中心为圆心，依次环形排列，形成环形柔性微腔传感器阵列，每个微环谐振腔单元的微环面与环形柔性微腔传感器阵列的轴线平行设置，待测目标设置于环形柔性微腔传感器阵列的圆心位置，从而保证得到更高的灵敏度。
17.优选地，所述柔性微腔传感部件呈球形或方形，柔性微腔传感部件不局限于一种固定的形状，灵活性强。
18.优选地，短脉冲激光经反射镜反射后，通过扩束镜扩束，垂直均匀地入射至待测目标上，便于待测目标激发出的超声脉冲信号被柔性微腔传感部件接收探测。
19.优选地，所述柔性微腔传感部件通过光纤与信号采集解调系统连接，以便实现信号的传输。
20.优选地，所述信号采集解调系统基于数字光频梳对其采集的光信号进行解调，提高了解调速度，且能降低解调成本。
21.优选地，所述光源发生装置为短脉冲激光器，输出的光源为短脉冲激光。
22.优选地，短脉冲激光经反射镜反射后，通过扩束镜扩束，垂直均匀地入射至待测目标上。
23.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
24.本发明提出一种基于柔性基底的微腔光声成像系统，利用光源发生装置输出光源，通过反射镜反射并由扩束镜扩束后，入射到置于箱体中的待测目标上，待测目标由于光声效应，吸收光能热膨胀产生瞬时的超声脉冲；超声脉冲被传感部件探测接收，其中传感部件选择柔性微腔传感部件，接收超声脉冲信号后将其转化为光信号，并通过信号采集解调系统将光信号转化为电信号，并将电信号数据传输到控制成像处理设备完成信号的采集，最终控制成像处理设备根据图像重建算法，完成二维层析图像的重建，再配合可调升降器使待测目标升降移动，得到三维层析图像，在本发明中，柔性微腔传感部件作为传感探测单元，不需要借助外部机械设备，灵活性高，柔性微腔传感部件内使用的传感单元可以做到仅仅数十到数百微米，因此柔性微腔传感部件本身可以容纳的传感单元更多，对超声脉冲信号探测更灵敏，而且重建图像对比度更高，充分发挥了其体积小的优势。
附图说明
25.图1表示本发明实施例1中提出的基于柔性基底的微腔光声成像系统的结构示意图；
26.图2表示本发明实施例1中提出的呈环形排列的柔性微腔传感部件的展开结构示意图；
27.图3表示本发明实施例1中提出的局部单个微环谐振腔单元与波导、包层的位置关系示意图。
28.其中，1.光源发生装置；2.发射镜；3.扩束镜；4.箱体；5.待测目标；6.柔性微腔传感部件；61.微环谐振腔单元；62.矩形波导；63.包层；7.可调升降台；8.信号采集解调系统；9.控制成像处理设备；91.控制设备91；92.成像处理设备；911.第一控制端；912.第二控制端；913.第三控制端；914.信号传输端。
具体实施方式
29.附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
30.为了更好地说明本实施例，附图某些部位会有省略、放大或缩小，并不代表实际尺寸；
31.对于本领域技术人员来说，附图中某些公知内容说明可能省略是可以理解的。
32.附图中描述位置关系的仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
33.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
34.实施例1
35.如图1所示的基于柔性基底的微腔光声成像系统的结构示意图，参见图1，所述系统包括：
36.光源发生装置1、反射镜2、扩束镜3、箱体4、待测目标5、柔性微腔传感部件6、可调升降器7、信号采集解调系统8、控制成像处理设备9；所述控制成像处理设备9分别连接光源
发生装置1、可调升降器7及信号采集解调系统8，所述待测目标5、柔性微腔传感部件6及可调升降器7均设置于箱体4内，待测目标5设置于可调升降器7上；所述控制成像处理设备9控制光源发生装置1输出光源，光源通过反射镜2反射至扩束镜3，然后经扩束镜3扩束，入射至待测目标5上，待测目标5吸收光能热膨胀产生瞬时的超声脉冲信号，超声脉冲信号被柔性微腔传感部件6探测接收，转换为光信号，光信号通过信号采集解调系统8转换为电信号，信号采集解调系统8将电信号传输至控制成像处理设备9完成信号的采集与二维层析图像重建，控制成像处理设备9控制可调升降器7升降移动，调节成像层析位置，将不同升降位置下的二维层析图像叠加，实现三维成像。
37.在本实施例中，参见图1，所述的箱体4为水箱，待测目标5由于光声效应激发出瞬时的超声波信号，并以水作为传播介质进行传输，待测目标5包括但不限于生物体大脑、关节、深层组织，可调升降器7为一个升降台，待测目标5设置在升降台上。
38.参见图1，控制成像处理设备9包括：
39.控制设备91及成像处理设备92，在本实施例中，控制设备91为单片机，成像处理设备92为计算机，控制设备91上设有第一控制端911、第二控制端912、第三控制端913及信号传输端914，控制设备91通过信号传输端914与成像处理设备92连接，并接收成像处理设备92下发的控制指令，具体为：
40.控制设备91通过第一控制端911连接光源发生装置1，控制光源发生装置1输出光源的波长及脉冲频率；
41.控制设备91通过第二控制端912连接可调升降器7，控制可调升降器7的升降距离；
42.控制设备91通过第三控制端913连接信号采集解调系统8，控制信号采集解调系统8采集与及解调光信号的速率。
43.在本实施例中，光源发生装置1为短脉冲激光器，输出的光源为短脉冲激光，波长为532nm，短脉冲激光经反射镜2反射后，通过扩束镜3扩束，垂直均匀地入射至待测目标5上，便于待测目标5激发出的超声脉冲信号被柔性微腔传感部件6接收探测。
44.参见图2，柔性微腔传感部件6包括若干个微环谐振腔单元61、矩形波导62、包层63，若干个微环谐振腔单元61中的每一个均与矩形波导62耦合，耦合间距为g，通俗讲，在若干个微环谐振腔单元一个个排起来，通过一个矩形波导62串起来，实现复用。
45.在具体实施时，微环谐振腔单元61的个数可以在柔性微腔传感部件6加工过程中，根据需要进行调整，以适应不同的成像分辨率，设柔性微腔传感部件6中共有n个微环谐振腔单元61作为超声传感基元，所有的微环谐振腔单元61均由一个矩形波导62连接实现光谱数据的传输，待测目标5产生超声脉冲信号，超声脉冲信号被柔性微腔传感部件6探测接收，柔性微腔传感部件6的每个微环谐振腔单元61采集到一个时间序列的超声波信号，经信号采集解调系统8采集后得到若干组采样数据，若干组采样数据传输至控制成像处理设备9进行处理后得到一个xy平面的层析图像。
46.在具体实施时，微环谐振腔的半径r，耦合间距g可以根据需要进行调整，设计不同的主频和方向角，从而改变传感阵列的灵敏度以及最大可探测角度，以适应不同的成像分辨率和成像深度。
47.当受到外界压力的扰动时，会引起微环的折射率变化，具体表现形式为微环的谐振峰波长发生漂移，通过测量谐振峰斜率最大处的功率变化或谐振峰的漂移量，可以还原
超声信号的时域响应。
48.参见图3，微环谐振腔单元61与矩形波导62被包层63包裹，微环谐振腔单元61与矩形波导62由硫系材料制作而成，包层63由柔性材料制作而成，柔性微腔传感部件6的包层63由柔性材料制作而成，使得制作出的柔性微腔传感部件6可以进行弯曲，保护微环谐振腔单元61和矩形波导62的结构，并且保证环形柔性微腔传感阵列6能够灵活弯曲，以便和激发出的超声信号波前更好的匹配，提高采集信号的信噪比，实现接收信号的增强。
49.在本实施例中，参见图1及图2，柔性微腔传感部件6呈环形，若干个微环谐振腔单元61以箱体4的底面中心为圆心，在水箱内壁上依次环形排列，形成环形柔性微腔传感器阵列，每个微环谐振腔单元61的微环面与环形柔性微腔传感器阵列的轴线平行设置，待测目标5设置于环形柔性微腔传感器阵列的圆心位置，从而保证得到更高的灵敏度。
50.参见图1，所述柔性微腔传感部件6通过光纤与信号采集解调系统8连接，以便实现信号的传输。
51.在本实施例中，所述信号采集解调系统8基于数字光频梳对其采集的光信号进行解调，提高了解调速度，且能降低解调成本。
52.综上所述，本发明利用光源发生装置输出光源，通过反射镜反射并由扩束镜扩束后，入射到置于箱体中的待测目标上，待测目标由于光声效应，吸收光能热膨胀产生瞬时的超声脉冲；超声脉冲被传感部件接收，其中传感部件选择柔性微腔传感部件，接收超声脉冲信号后将其转化为光信号，并通过信号采集解调系统将光信号转化为电信号，并将电信号数据传输到控制成像处理设备完成信号的采集，最终控制成像处理设备根据图像重建算法(所述的图像重建算法是计算机中所具备的现有比较成熟的算法，计算机可以直接调用)，完成二维层析图像的重建，再配合可调升降器使待测目标升降移动，得到三维层析图像，在本发明中，柔性微腔传感部件作为传感探测单元，不需要借助外部机械设备，柔性微腔传感部件内使用的传感单元可以做到仅仅数十到数百微米，因此柔性微腔传感部件本身可以容纳的传感单元更多，对超声脉冲信号探测更灵敏，而且重建图像对比度更高，充分发挥了其体积小的优势。
53.实施例2
54.与实施例1的区别在于，柔性微腔传感部件6还可以呈球形或方形，即柔性微腔传感部件6不局限于一种固定的形状，不会过于依赖于机械性，灵活性强，而且可以容纳上万个探测点，探测方向角更广。
55.附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
56.显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。