CN102621067A

CN102621067A - 基于二维激光振镜扫描的实时光声成像系统

Info

Publication number: CN102621067A
Application number: CN2012100438411A
Authority: CN
Inventors: 曾吕明; 纪轩荣; 杨迪武
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-02-26
Filing date: 2012-02-26
Publication date: 2012-08-01

Abstract

本发明提供一种基于二维激光振镜扫描的实时光声成像系统，该系统由光源、计算机、采集电路、预处理电路、驱动电路、超声传感器、准直透镜组、X轴反射振镜、Y轴反射振镜、聚焦透镜组、X轴电机、Y轴电机构成，它将快速、高效的二维激光振镜扫描技术应用到光声成像领域，实现了快速多维的光声成像，可广泛应用于复杂结构的材料检测、工业探伤、医学影像等领域。

Description

基于二维激光振镜扫描的实时光声成像系统

技术领域

本发明涉及一种快速光声成像技术，特别是涉及一种基于二维激光振镜扫描的实时光声成像系统。

背景技术

激光振镜也称高速扫描振镜（Galvo scanning system），是一种由驱动板与高速摆动电机组成的一个高精度、高速度伺服控制系统，目前广泛用于激光标刻、激光切割、激光打孔等领域。二维激光振镜其工作原理是将激光束入射到X和Y轴反射镜上，用计算机控制反射镜的反射角度分别沿X、Y 轴扫描，从而实现激光束的二维偏转，使具有一定功率密度的激光聚焦点在目标材料上按所需的要求运动扫描。该技术具有响应速度快、扫描速度高、扫描范围大、光路密封性能好、对环境适应性强等优势已成为主流产品，具有广阔的应用前景。

光声成像技术是以脉冲或调制激光作为成像激发源，基于被测样品内部光学热吸收差异导致激发出不同强度的光致超声特性，以超声作为信息载体的非电离化的新兴成像方法。它有效的结合了纯光学成像的高对比度和纯声学成像的高穿透深度的优点，可实现厘米量级探测深度和微米量级成像精度的影像，具有完全非侵入性、无损性、非电离化辐射等突出特性。目前光声成像普遍采用单元超声传感器扫描接收光声信号的探测模式，如2003年Wang等和2006年Zhang等分别报道了采用单元超声传感器做圆周或线性扫描接收光声信号来实现多维光声成像方法（X. D. Wang, Y. J. Pang, G. Ku, X. Y. Xie, G. Stoica, and L. V. Wang, “Non-invasive laser-induced photoacoustic tomography for structural and functional imaging of the brain in vivo,” Nat. Biotech., 21(7), 803-806, 2003. H. F. Zhang, K. Maslov, G. Stoica, and L. V. Wang, “Functional photoacoustic microscopy for high-resolution and noninvasive in vivo imaging,” Nat. Biotech. 24(7), 848-851, 2006.）；由于单元超声传感器需要机械扫描以获得不同方向的光声信号，在长耗时和多方位的超声传感器机械扫描过程，机械振动和仪器长时间工作的随机参数漂移等不稳定因素对结果带来的随机误差较大，从而严重影响成像质量和研究结果的时间分辨率、可靠性和稳定性，在实际应用中显然存在相当大的局限性，无法满足实际的快速高精度需求。

发明内容

针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种基于二维激光振镜扫描的实时光声成像系统，它将快速、高效的二维激光振镜扫描技术应用到光声成像领域，可实现快速多维的光声成像。

为实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：

一种基于二维激光振镜扫描的实时光声成像系统，其特征在于：它包括光源、计算机、采集电路、预处理电路、驱动电路、超声传感器、准直透镜组、X轴反射振镜、Y轴反射振镜、聚焦透镜组、X轴电机、Y轴电机；光源与计算机导线连接；超声传感器、预处理电路、采集电路、计算机依次导线连接；X轴电机、Y轴电机、驱动电路、计算机依次导线连接；X轴反射振镜与X轴电机机械连接；Y轴反射振镜与Y轴电机机械连接；超声传感器紧贴于被测样品表面；光源发射出脉冲式或经调制后的连续式激光，经准直透镜组准直后，依次经过X轴反射振镜、Y轴反射振镜和聚焦透镜组后聚焦照射在被测样品上，被激发出光声信号；超声传感器接收到光声信号，经预处理电路后由采集电路输送到计算机做后续处理；计算机通过驱动电路驱动X轴电机和Y轴电机分别带动X轴反射振镜和Y轴反射振镜偏转使光束在X-Y平面做二维激光扫描，再通过多维图像重建实现快速多维的光声成像。

所述超声传感器为单元探头或多元的线阵、弧阵、环阵或面阵探头。

所述光源可以是固体激光器、半导体激光器、气体激光器或染料激光器，其辐射波长为紫外至红外范围里一个或多个波长。

所述准直透镜组和聚焦透镜组可分别由一块或多块透镜组合而成。

本发明的有益效果是：

（1）本发明采用二维激光振镜偏转来实现快速扫描，避免了被测样品或超声传感器做机械扫描接收光声信号，具有低扫描惯量、系统动态响应特性好、振镜可高速偏转运动等优点，且一般采用精密伺服电机来控制振镜偏转，可达到很高的扫描精度，有效的提高了系统检测时间、精度、稳定性和实用性。

（2）由于被激发的光声信号的能量主要集中在被测样品界面的法线方向上有限立体角内传播，所以当单元探头由于接收孔径较小探测到的光声信号较弱时，可采用多个单元探头或具有较大接收孔径和方向角的多元探头，有效提高光声信号的传感效率。

（3）通过将超声传感器放置在被测样品的不同位置，可分别实现前向、背向和侧向探测模式的光声信号传感，有效的提高了系统的可操作性和适用范围，可广泛应用于方型、管状型、薄膜型等复杂结构的材料检测、工业探伤、医学影像等领域。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作具体说明：

实施例1 本实施例的结构如图1所示，各元件的名称为：1.光源、2.计算机、3.采集电路、4.预处理电路、5.驱动电路、6.超声传感器、7.准直透镜组、8.X轴反射振镜、9.Y轴反射振镜、10.聚焦透镜组、11.X轴电机、12.Y轴电机。

其中光源1选用脉冲的半导体激光二极管（PGAS1S24, Hoffo），工作波长为905nm，峰值功率为49W，脉宽为150ns，单脉冲能量约为7.3uJ；超声传感器6为多元线阵探头，其中心频率为2.5MHz，相对带宽为75%，面积为100mm×10mm×0.8mm，含有128个阵元，阵元之间的刻缝宽为0.03mm。

本实施例包括光源、计算机、采集电路、预处理电路、驱动电路、超声传感器、准直透镜组、X轴反射振镜、Y轴反射振镜、聚焦透镜组、X轴电机、Y轴电机；光源与计算机导线连接；超声传感器、预处理电路、采集电路、计算机依次导线连接；X轴电机、Y轴电机、驱动电路、计算机依次导线连接；X轴反射振镜与X轴电机机械连接；Y轴反射振镜与Y轴电机机械连接；超声传感器紧贴于被测样品表面；光源发射出脉冲式或经调制后的连续式激光，经准直透镜组准直后，依次经过X轴反射振镜、Y轴反射振镜和聚焦透镜组后聚焦照射在被测样品上，被激发出光声信号；超声传感器接收到光声信号，经预处理电路后由采集电路输送到计算机做后续处理；计算机通过驱动电路驱动X轴电机和Y轴电机带动X轴反射振镜和Y轴反射振镜偏转使光束在X-Y平面做二维激光扫描，再通过多维图像重建实现快速多维的光声成像。

本实施例具体操作步骤为：

1）半导体激光二极管发射的脉冲激光由准直透镜组准直后，经X轴反射振镜、Y轴反射振镜、聚焦透镜组后照射在被测样品上，被激发出光声信号；

2）紧贴在被测样品表面的多元线阵超声传感器接收到光声信号，经预处理电路后由采集电路输送到计算机做后续处理；

3）计算机通过驱动电路驱动X轴电机和Y轴电机分别带动X轴反射振镜和Y轴反射振镜偏转使光束在样品表面做X-Y平面的二维激光扫描，同时重复步骤2接收每次扫描的光声信号；

4）通过重建程序处理采集到的光声信号可实现多维光声成像。由于每次二维扫描中多元阵列超声传感器的振元一共可接收到128个光声信号，故可优选满足一定条件的光声信号来重建多维光声图像（如可选择幅值最大、渡越时间最短或振铃效应最小等条件的光声信号），以实现最佳的成像质量。

实施例2 一种基于二维激光振镜扫描的实时光声成像系统，与实施例1结构相似，不同之处在于：光源1采用倍频的Q开关Nd:YAG固体激光器，波长为532nm，脉宽10ns，重复频率为30Hz，单脉冲能量约为5mJ。

实施例3 一种基于二维激光振镜扫描的实时光声成像系统，与实施例1结构相似，不同之处在于：超声传感器6采用广州多浦乐电子科技有限公司生产的单元斜探头（2.5P8×12K1），其中心频率为2.5MHz，尺寸为8mm×12mm，外接口采用Q9（BNC）接口。

实施例4 一种基于二维激光振镜扫描的实时光声成像系统，与实施例1结构相似，不同之处在于：超声传感器6采用广州多浦乐电子科技有限公司生产的两个单元斜探头（5P6×6K2），其中心频率为5MHz，尺寸为6mm×6mm，外接口采用Q9（BNC）接口。

Claims

1.一种基于二维激光振镜扫描的实时光声成像系统，其特征在于：它包括光源（1）、计算机（2）、采集电路（3）、预处理电路（4）、驱动电路（5）、超声传感器（6）、准直透镜组（7）、X轴反射振镜（8）、Y轴反射振镜（9）、聚焦透镜组(10)、X轴电机（11）、Y轴电机（12）；光源（1）与计算机（2）导线连接；超声传感器（6）、预处理电路（4）、采集电路（3）、计算机（2）依次导线连接；X轴电机（11）、Y轴电机（12）、驱动电路（5）、计算机（2）依次导线连接；X轴反射振镜（8）与X轴电机（11）机械连接；Y轴反射振镜（9）与Y轴电机（12）机械连接；超声传感器（6）紧贴于被测样品表面；光源（1）发射出脉冲式或经调制后的连续式激光，经准直透镜组（7）准直后，依次经过X轴反射振镜（8）、Y轴反射振镜（9）和聚焦透镜组(10)后聚焦照射在被测样品上，被激发出光声信号；超声传感器（6）接收到光声信号，经预处理电路（4）后由采集电路（3）输送到计算机（2）做后续处理；计算机（2）通过驱动电路（5）驱动X轴电机（11）和Y轴电机（12）分别带动X轴反射振镜（8）和Y轴反射振镜（9）偏转使光束在X-Y平面做二维激光扫描，再通过多维图像重建实现快速多维的光声成像。

2.根据权利要求1所述的基于二维激光振镜扫描的实时光声成像系统，其特征在于：所述超声阵列传感器（6）为单元探头或多元的线阵、弧阵、环阵或面阵探头。

3.根据权利要求1所述的基于二维激光振镜扫描的实时光声成像系统，其特征在于：所述光源（1）可以是固体激光器、半导体激光器、气体激光器或染料激光器，其辐射波长为紫外至红外范围里一个或多个波长。

4.根据权利要求1所述的基于二维激光振镜扫描的实时光声成像系统，其特征在于：所述准直透镜组（7）和聚焦透镜组(10)可分别由一块或多块透镜组合而成。