一种光声多普勒流速测量装置及方法

1.本发明属于光声检测技术领域，特别是涉及一种光声多普勒流速测量装置及方法。


背景技术：

2.在视网膜血管栓塞等视网膜疾病的发病早期，视网膜内血流速往往会产生明显的异常，因此测量视网膜内血流速成为预防相关疾病、检测病变程度、诊断效果评估中至关重要的一环。而多普勒技术是当前测量视网膜内血流速的主流技术，按照检测方式的差异，可将多普勒技术细分为超声多普勒、激光多普勒、共焦激光多普勒、多普勒光学相干层析。
3.然而，多普勒测流速只能检测流速沿探测超声或探测光方向的分量(纵向流速分量)，即v
·
cosθ，其中，v为流速绝对值，θ为多普勒角(探测超声或探测光和流速的夹角)。受到血管形状大小及生物体的状态等多种因素的影响，导致多普勒角始终无法精确测量，因此目前临床上所使用的超声多普勒、激光多普勒、共焦激光多普勒进行视网膜血流速测量只是相对测量，并非真实血流速。
4.对于多普勒光学相干层析(doppler optical coherence tomography，doppler oct)来说，其结合了多普勒技术和光学相干层析技术，具有无创、高分辨率等优点，在获得血管内血流流量的空间分布的同时，还能给出血管的结构形状，为解决多普勒角的问题成为了可能。但是，由瞳孔进入的探测光和视网膜血管方向接近垂直，即多普勒角接近90
°
，在这种情况下，纵向流速分量几乎为零，这就成为限制多普勒光学相干层析在测量视网膜内血流速时的主要问题。
5.对于光声多普勒(photoacoustic doppler，pad)来说，是近几年发展起来的一种血流速测量方法，其不同于超声多普勒是运动粒子散射超声信号产生多普勒效应，也不同于多普勒光学相干层析是运动粒子散射探测光产生多普勒效应，而是运动粒子吸收激光后快速热膨胀产生超声波，因此超声波的多普勒频移和激发光的方向无关，这是光声多普勒的优点，即光声多普勒可以摆脱多普勒角的限制，有利于横向流速测量。
6.此外，根据光源的类型划分，可以把光声多普勒划分为连续pad和脉冲pad。连续pad是利用强度调制的连续激光激发光声信号，多普勒效应会使得超声信号频率发生改变产生频移，这种多普勒频移计算简单，但却存在光声转换效率低的缺点，并且需要较大的激发光强度，因此安全性较差，并且也缺乏深度分辨能力。而脉冲pad是使用几十纳秒的脉冲激光照射样品，产生脉冲光声信号，脉冲pad具有光声转换效率高以及具有深度分辨能力的优点，但是，目前脉冲pad产生的光声信号是使用以超声换能器进行检测的，因而需要在接触表面涂抹声耦合介质，并且由于超声换能器位置的限制，最大的频移来自于超声换能器两边的信号，而大部分靠近超声换能器中部的信号对展宽无贡献或贡献较小，这些信号降低了展宽信号的对比度，从而会影响测量结果的准确性和灵敏度。再有，由于脉冲pad受到灵敏度的限制，激发点需要严格位于超声换能器焦点，用以保证沿不同方向转播的超声信号同时到达超声换能器，这就使得脉冲pad的操作极其复杂，并不适合投入临床研究。
7.另外，潘柳华等人提出了光声相关谱法“基于光声相关谱法的血液流速测量，中国激光，45(11)，2018”，该方法是一种接触式的脉冲pad，其利用超声换能器作为检测装置，并且仍然需要超声换能器浸到水面之下，也无法应用于临床研究。再有，该方法还需要知道红细胞穿过探测光焦点的距离，这在现实中是无法测量的。


技术实现要素：

8.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种光声多普勒流速测量装置及方法，利用干涉光来检测所产生的光声信号，从而摆脱了传统超声换能器装置利用率低、灵敏度差的问题。本发明应用时仅需要激发光和两束检测光，而不再需要声学换能器，这种纯光学的检测方式更易耦合，有益于进一步缩小装置的体积。此外，由于本发明摒弃了超声换能器这种检测超声波的方式，也就不再需要在接触表面涂抹声耦合介质，使应用前景更加广泛。本发明应用时采用双探测光进行多普勒流速测量，可以沿不同方向测量流速，消除了多普勒角的影响，使流速测量结果更准确。
9.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种光声多普勒流速测量装置，包括第一光学干涉检测系统、第二光学干涉检测系统、光声激发系统、扫描系统、与门电路及计算机；所述第一光学干涉检测系统一端与计算机内的数据采集卡进行电连接，第一光学干涉检测系统另一端与与门电路进行电连接；所述第二光学干涉检测系统一端与计算机内的数据采集卡进行电连接，第二光学干涉检测系统另一端与与门电路进行电连接；所述与门电路与光声激发系统进行电连接，光声激发系统与计算机进行电连接；所述扫描系统与第一光学干涉检测系统和第二光学干涉检测系统均进行光连接，扫描系统与样品进行光连接；所述光声激发系统与扫描系统进行光连接。
10.所述第一光学干涉检测系统包括第一探测光源、第一环形器、第一2
×
2光纤耦合器、第一准直器、第一反射镜、第一平衡探测器、第一高通滤波器及第一电压比较器；所述第一探测光源、第一环形器、第一2
×
2光纤耦合器及第一准直器之间依次通过光纤进行连接，所述第一反射镜与第一准直器之间进行光连接；所述第一平衡探测器与第一环形器和第一2
×
2光纤耦合器均通过光纤进行连接；所述第一平衡探测器输出的电压信号一路接入第一高通滤波器，另一路接入第一电压比较器；所述第一高通滤波器与计算机的数据采集卡进行电连接；所述第一电压比较器与与门电路进行电连接。
11.所述第二光学干涉检测系统包括第二探测光源、第二环形器、第二2
×
2光纤耦合器、第二准直器、第二反射镜、第二平衡探测器、第二高通滤波器及第二电压比较器；所述第二探测光源、第二环形器、第二2
×
2光纤耦合器及第二准直器之间依次通过光纤进行连接，所述第二反射镜与第二准直器之间进行光连接；所述第二平衡探测器与第二环形器和第二2
×
2光纤耦合器均通过光纤进行连接；所述第二平衡探测器输出的电压信号一路接入第二高通滤波器，另一路接入第二电压比较器；所述第二高通滤波器与计算机的数据采集卡进行电连接；所述第二电压比较器与与门电路进行电连接。
12.所述光声激发系统包括脉冲激光光源、第一透镜、第二透镜及第三反射镜；所述与门电路输出的触发信号接入脉冲激光光源，脉冲激光光源与计算机进行电连接；所述脉冲激光光源输出的激发光依次通过第一透镜及第二透镜射向第三反射镜。
13.所述扫描系统包括第三准直器、第四准直器、二色镜、扫描振镜及第三透镜；所述
第三准直器与第一2
×
2光纤耦合器通过光纤进行连接，第三准直器输出的第一检测光依次通过二色镜、扫描振镜及第三透镜射向样品；所述第四准直器与第二2
×
2光纤耦合器通过光纤进行连接，第四准直器输出的第二检测光依次通过二色镜、扫描振镜及第三透镜射向样品；由所述第三反射镜反射的激发光依次通过二色镜、扫描振镜及第三透镜射向样品；所述激发光、第一检测光及第二检测光在样品内部汇聚在一点上用以产生光声信号。
14.一种光声多普勒流速测量方法，采用了所述的光声多普勒流速测量装置，包括如下步骤：
15.步骤一：启动第一探测光源和第二探测光源；其中，由第一探测光源发出的激光依次经过第一环形器和第一2
×
2光纤耦合器后分两路输出，一路作为第一参考光依次通过第一准直器及第一反射镜后并原路返回第一2
×
2光纤耦合器，另一路作为第一检测光依次经过第三准直器、二色镜、扫描振镜、第三透镜及样品后并原路返回第一2
×
2光纤耦合器；同时，由第二探测光源发出的激光依次经过第二环形器和第二2
×
2光纤耦合器后分两路输出，一路作为第二参考光依次通过第二准直器及第二反射镜后并原路返回第二2
×
2光纤耦合器，另一路作为第二检测光依次经过第四准直器、二色镜、扫描振镜、第三透镜及样品后并原路返回第二2
×
2光纤耦合器；
16.步骤二：当第一参考光和第一检测光原路返回第一2
×
2光纤耦合器，会被第一2
×
2光纤耦合器再次分成两部分，一部分光通过第一环形器进入第一平衡探测器，另一部分光直接进入第一平衡探测器，参考光和检测光在第一平衡探测器干涉，并转换为电信号，然后由第一平衡探测器的rf端输出差分信号，用于提高对比度；同理，当第二参考光和第二检测光原路返回第二2
×
2光纤耦合器，会被第二2
×
2光纤耦合器再次分成两部分，一部分光通过第二环形器进入第二平衡探测器，另一部分直接进入第二平衡探测器，参考光和检测光在第二平衡探测器干涉，并转换为电信号，然后由第二平衡探测器的rf端输出差分信号，用于提高对比度；
17.步骤三：确定第一光学干涉检测系统和第二光学干涉检测系统的最大灵敏度状态；其中，在第一光学干涉检测系统内，实时检测第一平衡探测器的rf端输出的差分信号，当差分信号为零时，探测灵敏度最大，才可以完成光声信号的激发和采集，即零点触发；同理，在第二光学干涉检测系统内，实时检测第二平衡探测器的rf端输出的差分信号，只有差分信号为零时，探测灵敏度最大，才可以完成光声信号的激发和采集，即零点触发；
18.步骤四：将第一光学干涉检测系统和第二光学干涉检测系统的最大灵敏度状态进行同步，首先通过第一电压比较器实时监测第一平衡探测器输出的第一电压信号并记为v1，同时通过第二电压比较器实时监测第二平衡探测器输出的第二电压信号并记为v2，同时设定第一电压比较器和第二电压比较器的阈值h为接近零，当满足∣v1∣＜h且∣v2∣＜h时，第一电压比较器和第二电压比较器输出高电平，之后由与门电路输出触发信号给脉冲激光光源；
19.步骤五：当脉冲激光光源接收到来自与门电路的触发信号后，则脉冲激光光源启动，由脉冲激光光源输出激发光，激发光依次经过第一透镜、第二透镜、第三反射镜、二色镜、扫描振镜及第三透镜射向样品，并与第一检测光及第二检测光在样品内部汇聚在一点上，样品吸收激光能量后会产生光声压，光声压又会促使样品内部激发点的光学折射率发生变大，进而使第一检测光及第二检测光的反射光强增大，并产生光声信号；
20.步骤六：脉冲激光光源输出激发光的同时，输出触发信号给计算机，计算机的数据采集卡对光声信号进行采集，根据采集到的光声信号，由计算机自动计算样品内的粒子运动速度。
21.在步骤六中，样品内的粒子运动速度计算过程如下：
22.将样品内的粒子运动速度记为v，将激发光、第一检测光及第二检测光在样品内部汇聚的点记为p点，将第一检测光与激发光之间的夹角记为将第二检测光与激发光之间的夹角记为p点产生的脉冲光声信号由第一检测光及第二检测光进行探测；
23.相对于p点的运动粒子，假定第一检测光为逆流且第二检测光为顺流，则第一检测光产生的多普勒频移为负且第二检测光产生的多普勒频移为正；
24.再假定不考虑多普勒效应时的本底脉冲光声频率为f0，则第一检测光探测到的运动粒子的多普勒频移和第二检测光探测到的运动粒子的多普勒频移的计算公式如下：
[0025][0026][0027]
式中，f
d1
为第一检测光探测到的运动粒子的多普勒频移，f
d2
为第二检测光探测到的运动粒子的多普勒频移，f0为本底脉冲光声频率，为第一检测光与激发光之间的夹角，为第二检测光与激发光之间的夹角，v为粒子运动速度，c为超声传播速度；其中，和均取锐角，f
d1
和f
d2
均取正值；脉冲光声信号为宽带信号，用脉冲超声的平均频率计算多普勒频移，脉冲超声的平均频率定义如下：
[0028][0029]
式中，p(ω)为光声信号的功率谱密度函数；因此，可以分别计算出和其中，为由第一检测光探测到的脉冲光声信号的平均频率，为由第二检测光探测到的脉冲光声信号的平均频率；则粒子运动速度v可以写成下式：
[0030][0031]
又由于多普勒频移相对较小，则本底脉冲光声频率f0可近似为因此可以得到下式：
[0032][0033]
式中，及均为已知量，只需将这些已知量带入上式，就可以得出样品内的粒子运动速度v。
[0034]
本发明的有益效果：
[0035]
本发明的光声多普勒流速测量装置及方法，利用干涉光来检测所产生的光声信号，从而摆脱了传统超声换能器装置利用率低、灵敏度差的问题。本发明应用时仅需要激发光和两束检测光，而不再需要声学换能器，这种纯光学的检测方式更易耦合，有益于进一步
缩小装置的体积。此外，由于本发明摒弃了超声换能器这种检测超声波的方式，也就不再需要在接触表面涂抹声耦合介质，使应用前景更加广泛。本发明应用时采用双探测光进行多普勒流速测量，可以沿不同方向测量流速，消除了多普勒角的影响，使流速测量结果更准确。
附图说明
[0036]
图1为本发明的一种光声多普勒流速测量装置的结构原理图；
[0037]
图中，i—第一光学干涉检测系统，ii—第二光学干涉检测系统，iii—光声激发系统，iv—扫描系统，1—与门电路，2—计算机，3—样品，4—第一探测光源，5—第一环形器，6—第一2
×
2光纤耦合器，7—第一准直器，8—第一反射镜，9—第一平衡探测器，10—第一高通滤波器，11—第一电压比较器，12—第二探测光源，13—第二环形器，14—第二2
×
2光纤耦合器，15—第二准直器，16—第二反射镜，17—第二平衡探测器，18—第二高通滤波器，19—第二电压比较器，20—脉冲激光光源，21—第一透镜，22—第二透镜，23—第三反射镜，24—激发光，25—第三准直器，26—第四准直器，27—二色镜，28—扫描振镜，29—第三透镜，30—第一检测光，31—第二检测光。
具体实施方式
[0038]
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0039]
如图1所示，一种光声多普勒流速测量装置，包括第一光学干涉检测系统i、第二光学干涉检测系统ii、光声激发系统iii、扫描系统iv、与门电路1及计算机2；所述第一光学干涉检测系统i一端与计算机2内的数据采集卡进行电连接，第一光学干涉检测系统i另一端与与门电路1进行电连接；所述第二光学干涉检测系统ii一端与计算机2内的数据采集卡进行电连接，第二光学干涉检测系统ii另一端与与门电路1进行电连接；所述与门电路1与光声激发系统iii进行电连接，光声激发系统iii与计算机2进行电连接；所述扫描系统iv与第一光学干涉检测系统i和第二光学干涉检测系统ii均进行光连接，扫描系统iv与样品3进行光连接；所述光声激发系统iii与扫描系统iv进行光连接。
[0040]
所述第一光学干涉检测系统i包括第一探测光源4、第一环形器5、第一2
×
2光纤耦合器6、第一准直器7、第一反射镜8、第一平衡探测器9、第一高通滤波器10及第一电压比较器11；所述第一探测光源4、第一环形器5、第一2
×
2光纤耦合器6及第一准直器7之间依次通过光纤进行连接，所述第一反射镜8与第一准直器7之间进行光连接；所述第一平衡探测器9与第一环形器5和第一2
×
2光纤耦合器6均通过光纤进行连接；所述第一平衡探测器9输出的电压信号一路接入第一高通滤波器10，另一路接入第一电压比较器11；所述第一高通滤波器10与计算机2的数据采集卡进行电连接；所述第一电压比较器11与与门电路1进行电连接。
[0041]
所述第二光学干涉检测系统ii包括第二探测光源12、第二环形器13、第二2
×
2光纤耦合器14、第二准直器15、第二反射镜16、第二平衡探测器17、第二高通滤波器18及第二电压比较器19；所述第二探测光源12、第二环形器13、第二2
×
2光纤耦合器14及第二准直器15之间依次通过光纤进行连接，所述第二反射镜16与第二准直器15之间进行光连接；所述第二平衡探测器17与第二环形器13和第二2
×
2光纤耦合器14均通过光纤进行连接；所述第
二平衡探测器17输出的电压信号一路接入第二高通滤波器18，另一路接入第二电压比较器19；所述第二高通滤波器18与计算机2的数据采集卡进行电连接；所述第二电压比较器19与与门电路1进行电连接。
[0042]
所述光声激发系统iii包括脉冲激光光源20、第一透镜21、第二透镜22及第三反射镜23；所述与门电路1输出的触发信号接入脉冲激光光源20，脉冲激光光源20与计算机2进行电连接；所述脉冲激光光源20输出的激发光24依次通过第一透镜21及第二透镜22射向第三反射镜23。
[0043]
所述扫描系统iv包括第三准直器25、第四准直器26、二色镜27、扫描振镜28及第三透镜29；所述第三准直器25与第一2
×
2光纤耦合器6通过光纤进行连接，第三准直器25输出的第一检测光30依次通过二色镜27、扫描振镜28及第三透镜29射向样品3；所述第四准直器26与第二2
×
2光纤耦合器14通过光纤进行连接，第四准直器26输出的第二检测光31依次通过二色镜27、扫描振镜28及第三透镜29射向样品3；由所述第三反射镜23反射的激发光24依次通过二色镜27、扫描振镜28及第三透镜29射向样品3；所述激发光24、第一检测光30及第二检测光31在样品3内部汇聚在一点上用以产生光声信号。
[0044]
一种光声多普勒流速测量方法，采用了所述的光声多普勒流速测量装置，包括如下步骤：
[0045]
步骤一：启动第一探测光源4和第二探测光源12；其中，由第一探测光源4发出的激光依次经过第一环形器5和第一2
×
2光纤耦合器6后分两路输出，一路作为第一参考光依次通过第一准直器7及第一反射镜8后并原路返回第一2
×
2光纤耦合器6，另一路作为第一检测光30依次经过第三准直器25、二色镜27、扫描振镜28、第三透镜29及样品3后并原路返回第一2
×
2光纤耦合器6；同时，由第二探测光源12发出的激光依次经过第二环形器13和第二2
×
2光纤耦合器14后分两路输出，一路作为第二参考光依次通过第二准直器15及第二反射镜16后并原路返回第二2
×
2光纤耦合器14，另一路作为第二检测光31依次经过第四准直器26、二色镜27、扫描振镜28、第三透镜29及样品3后并原路返回第二2
×
2光纤耦合器14；
[0046]
步骤二：当第一参考光和第一检测光30原路返回第一2
×
2光纤耦合器6后，会被第一2
×
2光纤耦合器再次分成两部分，一部分光通过第一环形器5进入第一平衡探测器9，另一部分光直接进入第一平衡探测器9，参考光和检测光在第一平衡探测器9干涉，并转换为电信号，然后由第一平衡探测器9的rf端输出差分信号，用于提高对比度；同理，当第二参考光和第二检测光31原路返回第二2
×
2光纤耦合器14，会被第二2
×
2光纤耦合器14再次分成两部分，一部分光通过第二环形器13进入第二平衡探测器17，另一部分直接进入第二平衡探测器17，参考光和检测光在第二平衡探测器17干涉，并转换为电信号，然后由第二平衡探测器17的rf端输出差分信号，用于提高对比度；
[0047]
步骤三：确定第一光学干涉检测系统i和第二光学干涉检测系统ii的最大灵敏度状态；其中，在第一光学干涉检测系统i内，实时检测第一平衡探测器9的rf端输出的差分信号，当差分信号为零时，探测灵敏度最大，才可以完成光声信号的激发和采集，即零点触发；同理，在第二光学干涉检测系统ii内，实时检测第二平衡探测器17的rf端输出的差分信号，只有差分信号为零时，探测灵敏度最大，才可以完成光声信号的激发和采集，即零点触发；
[0048]
由于激发光24、第一检测光30及第二检测光31在样品3内部汇聚而产生的光声信号的脉宽只有几十个纳秒，因此外界的干扰是一个相对缓慢变化的过程，而实时检测第一
光学干涉检测系统i和第二光学干涉检测系统ii的干涉状态，就可以准确确定差分信号为零时的探测窗口期，当探测窗口期出现时，就可以在探测窗口期内完成激光发射、光声信号激发、光声信号探测的整个过程；
[0049]
步骤四：将第一光学干涉检测系统i和第二光学干涉检测系统ii的最大灵敏度状态进行同步，首先通过第一电压比较器11实时监测第一平衡探测器9输出的第一电压信号并记为v1，同时通过第二电压比较器19实时监测第二平衡探测器17输出的第二电压信号并记为v2，同时设定第一电压比较器11和第二电压比较器19的阈值h为接近零，当满足∣v1∣＜h且∣v2∣＜h时，第一电压比较器11和第二电压比较器19输出高电平，之后由与门电路1输出触发信号给脉冲激光光源20；
[0050]
步骤五：当脉冲激光光源20接收到来自与门电路1的触发信号后，则脉冲激光光源20启动，由脉冲激光光源20输出激发光24，激发光24依次经过第一透镜21、第二透镜22、第三反射镜23、二色镜27、扫描振镜28及第三透镜29射向样品3，并与第一检测光30及第二检测光31在样品3内部汇聚在一点上，样品3吸收激光能量后会产生光声压，光声压又会促使样品3内部激发点的光学折射率发生变大，进而使第一检测光30及第二检测光31的反射光强增大，并产生光声信号；
[0051]
步骤六：脉冲激光光源20输出激发光的同时，输出触发信号给计算机2，计算机2的数据采集卡对光声信号进行采集，根据采集到的光声信号，由计算机2自动计算样品3内的粒子运动速度。
[0052]
在步骤六中，样品3内的粒子运动速度计算过程如下：
[0053]
将样品3内的粒子运动速度记为v，将激发光24、第一检测光30及第二检测光31在样品3内部汇聚的点记为p点，将第一检测光30与激发光24之间的夹角记为将第二检测光31与激发光24之间的夹角记为p点产生的脉冲光声信号由第一检测光30及第二检测光31进行探测；
[0054]
相对于p点的运动粒子，假定第一检测光30为逆流且第二检测光31为顺流，则第一检测光30产生的多普勒频移为负且第二检测光31产生的多普勒频移为正；
[0055]
再假定不考虑多普勒效应时的本底脉冲光声频率为f0，则第一检测光30探测到的运动粒子的多普勒频移和第二检测光31探测到的运动粒子的多普勒频移的计算公式如下：
[0056][0057][0058]
式中，f
d1
为第一检测光30探测到的运动粒子的多普勒频移，f
d2
为第二检测光31探测到的运动粒子的多普勒频移，f0为本底脉冲光声频率，为第一检测光30与激发光24之间的夹角，为第二检测光31与激发光24之间的夹角，v为粒子运动速度，c为超声传播速度；其中，和均取锐角，f
d1
和f
d2
均取正值；脉冲光声信号为宽带信号，用脉冲超声的平均频率计算多普勒频移，脉冲超声的平均频率定义如下：
[0059][0060]
式中，p(ω)为光声信号的功率谱密度函数；因此，可以分别计算出和其中，
为由第一检测光30探测到的脉冲光声信号的平均频率，为由第二检测光31探测到的脉冲光声信号的平均频率；则粒子运动速度v可以写成下式：
[0061][0062]
又由于多普勒频移相对较小，则本底脉冲光声频率f0可近似为因此可以得到下式：
[0063][0064]
式中，及均为已知量，只需将这些已知量带入上式，就可以得出样品3内的粒子运动速度v。
[0065]
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。