专利名称：一种基于面阵超声探测器的快速三维光声成像系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种无损的快速成像技术，特别涉及一种基于面阵超声探测器的快速三维光声成像系统及方法。
背景技术：
光声成像作为一种新颖的无损物质结构检测技术，近十几年来得到了很大的发 展，光声成像基于光致声效应的原理，当用脉冲激光或周期性强度调制光来照射某种物质 时，该物质内具有光能吸收特性的部分产生周期性的瞬间温度变化，从而使得此处的光吸 收介质与周围物质因热胀产生周期性的应力或压力的变化，最后由这种作用力变化而生成 超声信号，就是光声信号。光声效应实际上是一种光能-声能的转化过程。光声信号不同 于一般的超声信号，这种由光调控而产生的声信号携带有物质组分的光吸收特性，而光吸 收特性又与物体的颜色、力学特性、结构形态等相关。光声成像正是一种基于以上原理，用 脉冲激光作为激发源，以被接收超声为信息载体，通过相应图像重建算法重组出组织内部 吸收特性结构的影像技术。光声成像克服了某些传统成像方法的缺点，比如与光学相干层 析成像(OCT)相比，由于组织光学强散射性造成OCT的测量深度限制在毫米量级的浅层，而 光声成像技术可达厘米量级；与纯超声成像相比，在声阻抗差异不大的区域，超声图像的对 比度很低，而光声技术利用不同组织的吸收差异能提供高对比度的重建图像。同时，光声成 像技术结合了以上两种成像技术的优点，即0CT具有的无损伤、高选择性激发特性和超声 成像具有的低衰减、高穿透性。用超声探测器检测低衰减，低散射的超声波，再结合不同物 质光学吸收参数的差异，就能使光声技术在厘米量级的成像深度上提供高分辨，高对比度 的结构影像。目前光声成像已经用于显微成像，功能成像及分子成像等领域，同时运用于各 领域的成像仪器与装置也同步获得了较快发展。现在光声成像装置主要分为以单元换能器和线阵多元换能器为超声探测器件的 两大类。对于以水听器作为传感器的光声装置主要由脉冲激光器，水听器，信号放大器，信 号采集与处理设备，图像重建软件构成；而以线形阵列探测器为传感器的光声装置主要由 脉冲激光器，线阵换能器，多通道并行或者扫描采集系统，图像重建软件构成。以上两种装 置都可以用于二维和三维的光声成像，但是要获得一帧完整的图像往往要花很长时间进行 信号检测，这是由于在信号采集的过程中需要移动探测器以收集不同位置处的超声信号， 再经过合适的算法来重建图像。移动探测器一般是采取断层360°旋转扫描或者平面点扫 的方式，但是无论哪种方式都存在数据采集时间长，实验装置与成像算法复杂等缺点。并且 长时间的机械扫描和数据采集过程中，机械振动、电子设备稳定性、工作点漂移等不可避免 的因素都会给成像结果带来随机误差，从而影响重建图像的质量和成像结果的可靠性与真 实性。最近出现的二维探测器具有不同深度横向层析成像的能力，但是却要借助于硬件信 号延时电路来实现对不同采集深度信号的选择成像，实际上也很难做到快速与实时成像。对于以上所提及传统光声成像的不足，本发明所提出的一种基于平面探测器和三 维相控成像方法能实现快速的三维图像重建，硬件的平面探测器结合软件的三维相控算法就能直接完成三维图像显示。这种快速的光声成像方法和装置对于实现光声技术的仪器化，临床化，有着巨大的推动作用。
发明内容
为了弥补现有光声成像技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种基于 面阵超声探测器的快速三维光声成像方法；利用该方法，任何位于平面探测器信号采集空 间范围内的光声源都能快速实时地被重构出来。本发明的另一目的在于提供一种实现上述基于面阵超声探测器的快速三维光声 成像方法的系统。为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案一种基于面阵超声探测器的快速 三维光声成像方法，包括以下操作步骤(1)将面阵超声探测器固定在被测物体的表面，面阵超声探测器与被测物体间充 满超声耦合液；(2)由激光器所发出的激光脉冲通过空间光学系统或光纤光学系统进行波束整形 后，使其于探测器的前向均勻照射被测物体，激发被测物体产生光声信号；(3)面阵超声探测器的各个子阵元同时收集光声信号，转化为电信号后，通过多通 道并行采集电路传输储存到计算机中；(4)对采集的光声信号进行处理，利用三维相控重建算法快速重构出被测物体的 结构图像或被测物体内不同光吸收成分的分布情况。步骤(1)所述面阵超声探测器通过固定支架与三维扫描平台相连，通过计算机的 LABVIEff软件控制程序带动步进电机调整探测器的空间位置(利用此平台可以调整探测器 与样品的距离，同时可以使探测器方便的自由移动，从而使任意区域内的吸收体都可以被 重建出来。)；所述面阵超声探测器是多阵元平面分布的阵列超声探测器，其阵元的排列为 圆形、长方形或正方形的平面方式(探测面形状可根据被测物体的特性来进行定制)。步骤(2)所述激光器是脉冲激光器，所述激光脉冲波长范围为400 2500nm(可 根据被测物体的属性选择任意波长的激光进行激发光声信号)；步骤(1)所述超声耦合液 为水。步骤(3)所述收集是采用多阵元同时并行接收光声信号，光声信号转化为电信号 后的数据处理是利用多通道并行电路实现同时的传输和储存。步骤(4)所述对采集的数据进行处理，是通过MATLAB程序利用三维相控重建算法 得出待测部位的三维重建图像或者横/纵向层析图像；所述三维相控重建算法是通过计算 距离面阵超声探测器不同距离的信号值与每一个阵元的采集权重(相位延时)，再依据每 一个信号值的采集权重把对应的光吸收部分利用不同权重的投影值相干叠加重建图像。步骤(2)所述激光脉冲通过波束整形，与面阵超声探测器的探测面阵镶嵌构成一 体化的探头，达到与探测面阵相匹配的均勻照射模式后，均勻照射被测物体。一种实现上述的基于面阵超声探测器的快速三维光声成像方法的系统，该系统由 光声源产生器件、光声信号采集设备和图像处理及重建组件依次电气连接而成。所述光声源产生器件包括激光器、光学系统和一体化探头；所述光声信号采集设 备由面阵超声探测器、三维扫描平台、多通道并行实时采集电路和计算机依次电气连接而成。所述激光器为可调谐脉冲激光器或调制连续激光器；所述光学系统为空间光束调 整系统或限制性光纤光学系统；所述面阵超声探测器通过固定支架与三维扫描平台相连， 采用LABVIEW数据采集控制程序实现光声信号的采集，并且操纵步进电机带动三维平台运 动。所述图像处理及重建组件为计算机内编有的三维相控重建算法的MATLAB程序。步骤(3)中，面阵探测器由64个压电的方形阵元构成，以8X8的形式均勻分布在 Icm2的矩形区域内，阵元的尺寸和阵元之间的间距都是0. 984mm，每个探测阵元的信号接收 角度为14° ；探测器的主频是7. 5MHz，带宽是60% ；并行采集设备是用LABVIEW软件控制 的64通道实时采集电路，探测器上的每一个阵元通过电缆线与采集电路的通道一一对应， 每路信号通过采集电路完成模拟信号到数字信号的转化，以及信号的前置放大处理。本发明的作用原理是光声激发源产生脉冲激光(波长，重复频率可依据实际情 况选择)，通过空间光学系统或限制性光纤光学系统进行波束整形，使其均勻照射到被测物 体上，其内部吸收物质由于光声效应而产生光声信号，并经超声耦合剂传播到位于样品上 方的平面探测器；接收的信号直接经多通道并行采集系统预处理后传输到计算机中；最后 利用三维相控图像算法重建出检测部位的光声图像。本发明适用于大区域复杂部位的快速 检测，可以实现非扫描的三维光声图像，克服长时间的信号采集给检测带来的不稳定因素。本发明的成像系统和成像方法与现有技术相比具有如下的优势(1)本发明最重要的创新点是建立了以面阵探测器为基础的非扫描光声成像系 统。平面方式分布的传感器阵元与多通道并行采集电路的电气连接使一个脉冲激光就能实 现空间多点光声信号的接收，实现了快速的信号采集。(2)本发明在系统装置的基础上，提出了利用三维相控算法的快速光声成像方法。 利用此算法能快速的重建出结构复杂的物质组织内部光吸收空间分布情况，同时也使得此 套装置在每次的信号采集和图像重建中拥有快速断层扫描功能。与传统的成像技术相比， 具有高分辨率，高对比度，高探测深度的优势；与传统的光声技术相比，也克服了成像速度 慢，处理数据冗余，算法复杂的缺点。(3)本发明适用于常规的物体成分或结构的快速无损检测，无需破坏检测对象。(4)本发明装置造价低廉，操作简便，利于广泛使用。
图1是基于面阵超声探测器的快速三维光声成像系统的原理框图，其中1-1是激 光器，2-1是介质膜高反镜，2-2是激光分束镜(当光沿45°入射时，透射光和反射光的强度 相同)，2-3是实验样品，2-4是扩束镜，2-5为超声耦合液，3-1是平面探测器，4-1是并行采 集电路，5-1是PC机(个人计算机)，6-1是步进电机，6-2是二维扫描平台。图2是所述平面探测器的结构示意图。图3是三维相控重建算法的原理示意图。图4是实施例2中利用实施例1的装置与方法所进行横向截面光声成像实验图， 其中(a)为对应于图中下方实物照片的二维横向重建图像；(b)为相吸收体的三维重建图像。
图5是实施例2利用实施例1的装置与方法所进行纵向截面光声成像实验图，其 中(a)为对应于图中下方实物照片的二维纵向重建图像；(b)为吸收体的三维重建图像。
具体实施例方式下面结合具体的实例与附图对本发明作进一步详细的叙述，但本发明的实施方法 灵活，不仅仅限于此例所述的具体操作方式。实施例1本发明的装置与图像算法图1为本发明整套成像装置的原理结构示意图，此装置由四大部分组成，分别是 光声信号发生器件、光声信号采集与传输装备、控制探头平移设备、计算机组件；四个部分 依次电气连接。其中光声信号发生器件的激光器1-1为Nd: YAG泵浦的OPO激光器(Vibrant 532 I，Opotek, Carlsbad, Calif.)，输出激光波长为690 960nm，脉宽为10ns，重复频率 是10Hz。OPO发出脉冲激光束，两次经过反射镜2-1以45°的入射角被分束镜2_2分成一 束反射光，一束透射光；两束能量相等的光束分别经过对称且垂直放置的反射镜2-1后就 都以45°的入射角照射样品2-3产生光声信号，在两束光入射前分别加一个扩束镜2-4是 为了增大光声的激发区域而且激光所经历的路线均处在一个平面内。位于样品上方的面阵 探测器3-1由64个压电的方形阵元构成，以8X8的形式均勻分布在Icm2的矩形区域内， 阵元的尺寸和阵元之间的间距都是0.984mm，每个探测阵元的信号接收角度为14°。探测 器的主频是7. 5MHz，带宽是60%。图2是面阵探测器的结构示意图，外黑线框为探测器的整体外尺寸形状，内黑线 框表示64个压电阵元分布的区域；矩形的阵元是按8X8的方式规则排列的，红点所标记的 阵元是用来接地的并不接收信号。面阵探测器收集通过水2-5耦合的信号，经由64通道并 行采集系统4-1的预处理直接通过USB数据线传输到计算机5-1中，最后利用MATLAB结合 三维相控算法来重建三维图像。并行采集设备是用LABVIEW软件控制的64通道实时采集 电路，探测器上的每一个阵元通过电缆线与采集电路的通道一一对应，每路信号通过采集 电路完成模拟信号到数字信号的转化，以及信号的前置放大处理。如果想成像不同位置的 光吸收结构只需改变光路，然后通过自编的LABVIEW控制软件控制步进电机6-1带动二维 扫描平台6-2使得探测器移动到光声源上方。装置变动简单，操作方便。图3是本发明图像重建算法的原理示意图。首先64个压电阵元同时接收处于它 们接收范围内的空间光声信号，因此每一个阵元均可以采集不同半径扫描弧面上的信号， 通过记录每个阵元接收光声脉冲的时间值以及测量光声信号在介质中的传播速度就能分 辨出不同检测深度上的信号分布情况，然后将这些信号值按照对应的投影半径投影到原来 所处的空间位置，那么最终那些具有吸收结构的部分就通过光声信号值的相干叠加而在图 像中凸显出来。实施例2应用实施例1的装置与方法实现模拟样品的横向截面光声成像。首先用13%的明胶，12. 5%的牛奶，74. 5%的水混合在一起做成一个方形的模型， 然后选取两根长度约为6mm，尺寸IOOum的头发丝埋入到5mm深的模型内，两根头发丝相对 于平面探测器3-1水平平行放置，相距大概4mm，同时把探测器3_1位置固定好位于样品 2-3上方并且调整探测器3-1到头发丝平面的距离为4mm。实验中OPO激光器1_1的工作 频率为15Hz，脉宽10ns，波长为532nm。脉冲激光束通过装置上的光路后均勻的覆盖到两根头发丝上，激发产生的光声信号被平面探测器3-1接收，经过并行采集系统4-1的前置滤波 及预防大后，经由USB数据线传输到计算机5-1，最终用三维相控算法在MATLAB软件上实现 图像重组。图4(a)与(b)分别给出了对应于右下样品照片的横向重建层析切片以及三维 重建图像。两幅图像无论在位置与大小上均能与样品照片很好的吻合。可以看出本发明方 法与装置能够得到较好分辨率和对比度的光声横向层析图像。实施例3应用实施例1的装置与方法实现模拟样品的纵向截面光声成像。
与实施例2类似，同样将两根与实施例2大小，尺寸相同的头发丝放置在同样组成 成分的模型内，两根头发丝互相平行放置在垂直于探测器3-1的某一平面内，相距同样是 4mm。探测器3-1到两根头发的距离分别是28mm与32mm。实验的激光器1_1工作在15Hz 频率，脉宽为10ns，波长532nm。经分束后的两束激光均勻照射在不同深度上的样品2_3，产 生的光声信号通过探测器3-1接收，并行采集系统4-1预处理后，被传输到计算机5-1完成 图像重建。图5(a)与(b)分别给出了对应于右下样品照片的纵向重建层析切片以及三维 重建图像。从实验的结果可以得出以下结论本发明与装置能够重建出不同深度上样品的 光声层析图像，能够得到不同断层处的信息，拥有快速纵向层析成像能力。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。
权利要求
一种基于面阵超声探测器的快速三维光声成像方法，其特征在于包括以下操作步骤(1)将面阵超声探测器固定在被测物体的表面，面阵超声探测器与被测物体间充满超声耦合液；(2)由激光器所发出的激光脉冲通过空间光学系统或光纤光学系统进行波束整形后，使其于探测器的前向均匀照射被测物体，激发被测物体产生光声信号；(3)面阵超声探测器的各个子阵元同时收集光声信号，转化为电信号后，通过多通道并行采集电路传输储存到计算机中；(4)对采集的光声信号进行处理，利用三维相控重建算法快速重构出被测物体的结构图像或被测物体内不同光吸收成分的分布情况。
2.根据权利要求1所述的基于面阵超声探测器的快速三维光声成像方法，其特征 在于步骤(1)所述面阵超声探测器通过固定支架与三维扫描平台相连，通过计算机的 LABVIEff软件控制程序带动步进电机调整探测器的空间位置；所述面阵超声探测器是多阵 元平面分布的阵列超声探测器，其阵元的排列为圆形、长方形或正方形的平面方式。
3.根据权利要求1所述的基于面阵超声探测器的快速三维光声成像方法，其特征在 于步骤(2)所述激光器是脉冲激光器，所述激光脉冲波长范围为400 2500nm ；步骤(1) 所述超声耦合液为水。
4.根据权利要求1所述的基于面阵超声探测器的快速三维光声成像方法，其特征在 于步骤(3)所述收集是采用多阵元同时并行接收光声信号，光声信号转化为电信号后的 数据处理是利用多通道并行电路实现同时的传输和储存。
5.根据权利要求1所述的基于面阵超声探测器的快速三维光声成像方法，其特征在 于步骤(4)所述对采集的光声信号进行处理，是通过MATLAB程序利用三维相控重建算法 得出待测部位的三维重建图像或者横/纵向层析图像；所述三维相控重建算法是通过计算 距离面阵超声探测器不同距离的信号值与每一个阵元的采集权重，再依据每一个信号值的 采集权重把对应的光吸收部分利用不同权重的投影值相干叠加重建图像。
6.根据权利要求1所述的基于面阵超声探测器的快速三维光声成像方法，其特征在 于步骤(2)所述激光脉冲通过波束整形，与面阵超声探测器的探测面阵镶嵌构成一体化 探头，达到与探测面阵相匹配的均勻照射模式后，均勻照射被测物体。
7.一种实现权利要求1所述的基于面阵超声探测器的快速三维光声成像方法的系统， 其特征在于该系统由光声源产生器件、光声信号采集设备和图像处理及重建组件依次电 气连接而成。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于所述光声源产生器件包括激光器、光学系 统和一体化探头；所述光声信号采集设备由面阵超声探测器、三维扫描平台、多通道并行实 时采集电路和计算机依次电气连接而成。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于所述激光器为可调谐脉冲激光器或调制 连续激光器；所述光学系统为空间光束调整系统或限制性光纤光学系统；所述面阵超声探 测器通过固定支架与三维扫描平台相连，采用LABVIEW数据采集控制程序实现光声信号的 采集，并且操纵步进电机带动三维平台运动。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于所述图像处理及重建组件为计算机内编有的三维相控重建算法的MATLAB程序.
全文摘要
本发明公开了一种操作简单，造价低廉，检测方便的基于面阵超声探测器的快速三维光声成像系统及其成像方法。所述基于面阵超声探测器的快速三维光声成像方法主要指利用激光脉冲激发产生光致热弹效应的超声信号，通过对利用面阵探测器，同时多阵元并行采集光声信号，并对信号进行三维相控图像算法的处理重建出检测样品的光吸收分布图像。所述三维光声成像装置，包括光声激发源器件、光声信号接收采集设备、计算机组件。本发明克服了传统技术成像速度慢，系统工作时间长所带来的不稳定性和装置复杂等的缺点，同时结合了纯声学和纯光学成像的优点，可以提供反映组织光吸收分布的图像。本发明的装置结构简单，易于推广。
文档编号G01N29/04GK101813672SQ20101013911
公开日2010年8月25日 申请日期2010年3月30日 优先权日2010年3月30日
发明者周求真, 杨思华, 邢达 申请人:华南师范大学