CN101539515A - 一种光声内窥成像方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种操作简单，检测精度高的光声内窥成像检测方法及其装置。所述光声内窥成像方法主要指利用脉冲激光或幅度调制的连续光源激发产生光致热弹超声信号，通过测量该信号可以重建出检测样品的光吸收分布图像。所述光声内窥成像装置，包括光声激发光源发生组件、光声信号采集组件和计算机；光声激发光源发生组件、光声信号采集组件和计算机依次电气连接。本发明克服了传统技术不便于检测管状腔道和无法到达的物体内部等缺点，结合了声学和光学成像的优点，可提供新的反映组织光吸收分布的内窥组织图像，具有定位准确，分辨率高的优点。本发明的装置造价较为低廉，易于推广。
Description
技术领域
本发明涉及一种无损测试测量技术，特别涉及一种应用光声技术内窥成像的方法及其装置。
背景技术
内窥技术作为无损检测(NDT)的重要技术，一直在工业探伤、质量控制、产品评估等领域发挥着重要作用。内窥技术广泛应用于工业、化工、交通以及航空航天、生物医学等许多需要通过查看内部状况来进行质量控制、维修和产品评估的领域。
内窥技术具有独特的优势，它可有效的延长人类视距，且能任意改变视线方向，准确地观察物体内表面的真实状况，这是其他检测技术无法取代的。例如，在航空航天领域，内窥技术主要用于机体构架的检查，涡轮叶片、燃烧室的定期检查，还可用于航空航天发动机整机和部件的研究开发；可将窥镜伸到飞机、飞船发动机内部，直接观察运行后内部的真实状况或设备零部件内部表面状况；对比较隐蔽或狡窄部位的表面状况进行有效的检测，而无需将设备或部件分解做破坏性检查。其方法既简便又可靠，可有效避免事故的发生。
目前的常用的光学内窥镜主要是是光、机、电一体的NDT仪器，它分为三类系列产品：第一类，硬性内窥镜系列；第二类，纤维内窥镜系列；第三类，电子视频内窥镜系列。硬性内窥镜系列其工作原理是利用转像透镜光学技术来传送影像，并由光导纤维提供传光照明。纤维内窥镜系列其工作原理是由高品质韵传像纤维来传送图像，通过目镜直接观察。电子视频内窥镜系列是运用超小型电荷耦合器件(CCD)技术制造电子视频内窥镜产品。上述三类内窥技术其基本原理都是利用光学散射或者反射信号获取检测图像，由于受介质散射影响大，存在穿透深度浅(～mm级)的缺点。超声内窥成像对组织的穿透深度可达30mm以上，但分辨率只有毫米量级。
针对传统的纯光学和声学内窥技术存在的缺陷，光声内窥成像方法与技术显示出巨大优越性。光声成像作为近年来发展起来的一种新型成像方法，结合了纯光学成像高对比度和纯超声成像高穿透深度的优点，并从原理上避开了光散射对图像分辨率的影响，与传统光学内窥成像相比，可以实现更深层范围内(～cm级)的内窥成像；与传统声学内窥成像相比，可获得更高分辨率的组织成像(～μm级)。因此，开展光声内窥成像方法研究，研制内窥成像系统，对于推动我国自主研制新型内窥装置，提高内窥探伤、故障检测和医疗检测水平，有着积极的推进意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有内窥检测技术的缺点与不足，提供一种操作简单，检测精度高的光声内窥成像检测方法；所述光声内窥成像技术主要指利用脉冲激光或幅度调制的连续光源激发产生光致热弹超声信号，通过测量该信号可以重建出检测样品的光吸收分布图像。所述内窥成像主要适用于管状腔道等物体内部部位的成像。
本发明的另一目的在于提供一种实现上述方法的光声内窥成像装置。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种光声内窥成像方法，包括下述步骤：
(1)光声内窥探头置于一根导管内，插入待测管腔内；
(2)内窥探头中光声激发光源产生脉冲激光或幅度调制的连续光源，通过入射光纤耦合，经锥面反射镜侧向入射到管腔壁或者直接由光纤侧向散射至管腔壁，激发待测部位产生光声信号；
(3)内窥探头中光声探测器接收光声信号，经前置信号放大器放大后采集，采集的数据传输并储存到计算机中；
(4)对采集的数据进行处理，得到管腔内待测部位的光声图像。
步骤(1)中，所述光声内窥探头集入射光纤、光声探测器、锥面反射镜、支架和导管于一体，导管内有声耦合剂。
步骤(2)中，所述光声激发光源是激光器或是普通光源；所述脉冲激光或幅度调制的连续光源由入射光纤输出，波长范围为400～2500nm。
步骤(3)中，所述光声探测器为多元线性阵列探测器或者环状阵列探测器，光声探测器主频为20KHz～100MHz。
步骤(3)中，所述数据采集采用基于LABVIEW控制平台的自制多通道并行实时采集系统，其作用是将模拟信号转换为数字信号。
步骤(4)中对采集的数据进行处理，是指通过MATLAB程序利用滤波反投影算法进行图像重建，从而得到待测部位的光声图像。
一种利用光声内窥成像技术无损在位检测管腔内缺陷的装置包括光声激发光源发生组件、光声信号采集组件、计算机组件；光声激发光源发生组件、光声信号采集组件、计算机依次电气连接。
所述光声激发光源发生组件包括激光器、入射光纤和锥面反射镜；激光器产生激发光通过入射光纤输出，经锥面反射镜反射均匀侧向入射到管腔壁。
所述光声信号采集组件由光声探测器、前置信号放大器、多通道并行实时采集系统和高速数据采集卡依次电气连接而成；光声探测器通过支架与三维扫描平台相连。光声探测器通过支架固定在导管内。
所述光声探测器置于声耦合剂中，声耦合剂为水。所述光声探测器为多元线性阵列探测器或者环状阵列探测器。
所述计算机内有自编的LABVIEW数据采集控制平台和图像重建的MATLAB程序。
所述光声内窥成像装置不仅适用于管状腔道等物体内部部位的无损检测，而且还可应用于肛肠、阴道、耳鼻、口腔、食道、胃、小肠、心脏及血管等腔道的检查。
本发明的作用原理是：光声激发光源产生脉冲激光(波长、脉宽和重复频率可根据需要选择)或者幅度调制的连续激光，经入射光纤耦合侧向均匀入射到管腔内壁或者直接由光纤侧向散射至管腔壁，管腔内部缺陷(如厚度不均，裂缝等)与周围正常组织对光吸收差异导致光致热弹超声信号，经声耦合剂被光声探测器接受；接收的信号经前置信号放大器预处理后，再由高速数据采集卡采集并传输到计算机做后处理；通过滤波反投影成像算法重建出管腔内缺陷的光声图像。本发明适用于常规检测方法无法到达的管状腔道等物体内部部位的成像，如发动机内部等部位提供无损在位检测等等，从而可以对材料的内部结构、组分和质量进行评价。
本发明的方法和装置与现有技术相比具有如下的优点及效果：
(1)本发明利用反映光吸收分布原理的内窥成像系统对管状腔道内部缺陷进行成像。由于光声信号不仅仅反映材料的光学吸收差异，还反映组织的声学特性的变化，因此可得到高分辨率、高对比度的材料缺陷信息。
(2)本发明的关键部件为光声内窥探头，集入射光纤、声探测器、锥面反射镜、支架和导管于一体，适于内窥成像，使用方便。
(3)本发明可适用于常规检测方法无法到达的管状腔道等物体内部缺陷的无损检测，无需破坏管状腔道结构。
(4)本发明装置的各组件的造价较低，所以整体装置的造价亦相对较低，没有特殊限制，应用广泛。
附图说明
图1是实施例1所述光声内窥成像装置的结构示意图。
图2是实施例1所述光声内窥成像装置用于模拟管腔横截面的断层图像；其中：
a为模拟管腔结构图；
b为管腔壁黑胶带的光声截面图。
图3是实施例1所述光声内窥成像装置用于模拟管腔纵向层析图像；其中：
a为模拟管腔结构图；
b为管腔壁琼脂条的光声图像；
c为管腔壁的沿轴线方向的层析图像。
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本发明的装置
图1为本发明一个装置的结构示意图，本发明装置包括光声激发光源发生组件、光声信号采集组件、计算机组件；光声激发光源发生组件、光声信号采集组件、计算机依次电气连接。其中光声激发光源发生组件中激光器1-1通过入射光纤1-2输出入射到锥面反射镜2-4反射的激光束均匀入射到与光声探测器3-2平行的管腔壁，激发组织产生光声信号。光声探测器3-2接收的信号通过声耦合剂2-3耦合，经过前置信号放大器3-1，再经电缆传送至多通道并行实时采集系统3-3，接着，信号被高速数据采集卡3-4采集储存到计算机5中。信号采集由控制器4-1同步触发激光器1-1，控制器4-1控制信号由原始时钟4-2经分频器4-3分频得到，同时控制多通道并行实时采集系统3-3；光声内窥探头组件最外层是有机玻璃导管2-1，光声探测器3-2由探测器支架2-2固定在导管内，管内充满声耦合剂2-3。其中，激光器1-1选用Nd:YAG泵浦的OPO激光器(Vibrant 532I，Opotek，Carlsbad，Calif.)，输出激光波长为690～960nm，脉宽为10ns，重复频率是10HZ，通过入射光纤1-2导入管腔内；入射光纤1-2、锥面反射镜2-4和光声探测器3-2及支架2-2集成在管腔内形成一个细巧的光声内窥探头。光声探测器3-2为多元环形阵列探测器，由64个振元组成。多通道并行实时采集系统3-3由64通道并行采集信号；采集控制程序用LABVIEW软件实现，数字图形信号处理用MATLAB软件实现。成像时利用小角度滤波反投影得到光声二维图像，可方便快速的对待管状腔道实现横向和纵向的扫描光声层析成像。
实施例2应用实施例1的装置实现模拟管腔横截面的光声内窥成像
用上述光声内窥成像装置实现模拟管腔横截面的光声成像。预先将3条宽度分别为8mm、12mm和17mm的具有吸收性质的黑胶带图2(a)黏贴在同一个塑料管腔外部的，沿着同一圆周黏贴，每两条之间留有空隙。实验中激光器1-1的重复频率为15Hz，脉宽10ns，激光器通过入射光纤1-2发射532nm波长的激光，通过锥面反射镜2-4均匀的照射在黏贴在管腔壁的样品上。激光激发的光声信号由环状超声探测器3-2接收，再多通道并行实时采集系统3-3滤波和放大之后，被高速数据采集卡3-4采集并且储存到计算机5。对采集的数据利用自编的MATLAB软件实现图像重建，可以快速的得到如图2(b)所示的图像。图2(b)给出了样品图2(a)的横向层析图像，并且能够很好与样品照片吻合。可以看出本发明的方法和装置能够得到高分辨率和高对比度的光声横向层析图像。
实施例3应用实施例1的装置实现模拟管腔的纵向层析光声成像
将1条琼脂样品用无色胶带黏贴到塑料管腔壁外部，琼脂的厚度为5mm。实验中激光器1-1的重复频率为15Hz，脉宽10ns，激光器通过入射光纤1-2发射532nm波长的激光，通过锥面反射镜2-4均匀的照射在样品上。激光激发的光声信号由环状超声探测器3-2接收，再通过多通道并行实时采集系统3-3滤波和放大之后，被高速数据采集卡3-4采集并且储存到计算机5。对采集的数据利用自编的MATLAB软件实现图像重建(如图3b所示)，并且重建出样品的光声层析图像，从而得到了琼脂样品不同断层处的信息(如图3c所示)。从实验结果可以看出本发明的方法和装置能够重建出样品不同厚度处光声图像(图3a为样品图片)，实现纵向层析成像。
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。
Claims (10)
1、一种光声内窥成像方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)光声内窥探头置于一根导管内，插入待测管腔内；
(2)内窥探头中光声激发光源产生脉冲激光或幅度调制的连续光源，通过入射光纤耦合，经锥面反射镜侧向入射到管腔壁或者直接由光纤侧向散射至管腔壁，激发待测部位产生光声信号；
(3)内窥探头中光声探测器接收光声信号，经前置信号放大器放大后采集，采集的数据传输并储存到计算机中；
(4)对采集的数据进行处理，得到管腔内待测部位的光声图像。
2、根据权利要求1所述的光声内窥成像方法，其特征在于：步骤(1)中，所述光声内窥探头集入射光纤、光声探测器、锥面反射镜、支架和导管于一体，导管内有声耦合剂。
3、根据权利要求1所述的光声内窥成像方法，其特征在于：步骤(2)中，所述光声激发光源是激光器或是普通光源；所述脉冲激光或幅度调制的连续光源由入射光纤输出，波长范围为400～2500nm。
4、根据权利要求1所述的光声内窥成像方法，其特征在于：步骤(3)中，所述数据采集采用基于LABVIEW控制平台的自制多通道并行实时采集系统。
5、根据权利要求1所述的光声内窥成像方法，其特征在于：步骤(4)中对采集的数据进行处理，是通过MATLAB程序利用滤波反投影算法进行图像重建，得到待测部位的光声图像。
6、一种实现权利要求1～5任一项所述光声内窥成像方法的装置，其特征在于，包括光声激发光源发生组件、光声信号采集组件、计算机组件；光声激发光源发生组件、光声信号采集组件、计算机依次电气连接。
7、根据权利要求6所述的光声内窥成像装置，其特征在于：所述光声激发光源发生组件包括激光器、入射光纤和锥面反射镜；激光器产生激发光通过入射光纤输出，经锥面反射镜反射均匀侧向入射到管腔壁；
所述光声信号采集组件由光声探测器、前置信号放大器、多通道并行实时采集系统和高速数据采集卡依次电气连接而成；光声探测器通过支架与三维扫描平台相连；光声探测器通过支架固定在导管内；
所述计算机内有自编的LABVIEW数据采集控制平台和图像重建的MATLAB程序。
8、根据权利要求7所述的光声内窥成像装置，其特征在于：所述光声探测器为多元线性阵列探测器或者环状阵列探测器，光声探测器主频为20KHz～100MHz。
9、根据权利要求7或8所述的光声内窥成像装置，其特征在于：所述光声探测器置于声耦合剂中。
10、根据权利要求9所述的光声内窥成像装置，其特征在于：所述声耦合剂为水。
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