CN102621068A

CN102621068A - 便携式实时光声成像系统

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Publication number: CN102621068A
Application number: CN2012100438445A
Authority: CN
Inventors: 曾吕明; 杨迪武; 纪轩荣
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-02-26
Filing date: 2012-02-26
Publication date: 2012-08-01

Abstract

本发明提供一种集成二维激光振镜与激光二极管的便携式实时光声成像系统，该系统由中央处理器、驱动电路、数据采集电路、信号放大电路、信号预处理电路、超声传感器、电路外接口、激光二极管、准直透镜组、X轴反射振镜、Y轴反射振镜、聚焦透镜组、保护镜、X轴电机、Y轴电机、外壳构成。本发明将快速、高效的二维激光振镜扫描技术应用到多维光声成像领域，并与小体积的激光二极管一体化便携式设计，实现了大面积光声成像的便携式系统，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。

Description

便携式实时光声成像系统

技术领域

本发明涉及一种光声成像技术，特别是涉及一种便携式实时光声成像系统。

背景技术

激光扫描振镜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，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2009年Gamelin等报道了一种固体激光器激励和多元环形阵列传感器接收的实时二维光声成像方法（J. Gamelin, A. Maurudis, A. Aguirre, F. Huang, P. Y. Guo, L.V. Wang, and Q. Zhu, “A real-time photoacoustic tomography system for small animals,” Opt. Express 17, 10489-10498, 2009.）；虽然该方法不需要超声传感器做机械扫描，但需要大体积的固体激光器提供大光斑的脉冲激光以实现二维光声成像，系统难以小型化和便携式结构设计。Allen等分别于2006年和2007年报道了一种采用小型化的半导体激光器作为激发源的二维光声成像方法（T. J. Allen, and P. C. Beard, “Pulsed near-infrared laser diode excitation system for biomedical photoacoustic imaging,” Opt. Lett. 31(23), 3462-3464, 2006; T. J. Allen, and P. C. Beard, “Dual wavelength laser diode excitation source for 2D photoacoustic imaging,” Proc. SPIE 6437, 1U1-1U9, 2007.）；由于该方法需要单元超声传感器做机械圆周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，在实际应用中存在相当大的局限性。

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便携式实时光声成像系统，它将快速、高效的二维激光振镜扫描技术应用到激光二极管光声成像领域，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：

一种便携式实时光声成像系统，其特征在于：它包括中央处理器、驱动电路、数据采集电路、信号放大电路、信号预处理电路、超声传感器、电路外接口、激光二极管、准直透镜组、X轴反射振镜、Y轴反射振镜、聚焦透镜组、保护镜、X轴电机、Y轴电机、外壳；中央处理器与驱动电路导线连接；所超声传感器、信号预处理电路、信号放大电路、数据采集电路、中央处理器依次导线连接；驱动电路通过电路外接口分别与X轴电机、Y轴电机、激光二极管导线连接；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；电路外接口和保护镜被嵌于外壳上；激光二极管、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轴电机被安置于外壳内；超声传感器紧贴于被测样品表面；激光二极管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、聚焦透镜组和保护镜后聚焦照射在被测样品上激发出光声信号；X轴电机和Y轴电机可被驱动并分别带动X轴反射振镜和Y轴反射振镜偏转使光束在X-Y平面做激光扫描形成二维光声场，超声传感器接收到光声信号，依次经过信号预处理电路、信号放大电路、数据采集电路后被输入到中央处理器，再通过多维图像重建即可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。

所述激光二极管的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。

所述保护镜由透光材料制作。

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）本发明将二维激光振镜和激光二极管集成于便携式结构，具有体积小、结构紧凑的特点，有效提高了该系统的便携性。

（3）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，所以当一个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。

（4）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.中央处理器、2.驱动电路、3.数据采集电路、4.信号放大电路、5.信号预处理电路、6.超声传感器、7.电路外接口、8.激光二极管、9.准直透镜组、10.X轴反射振镜、11.Y轴反射振镜、12.聚焦透镜组、13.保护镜、14.X轴电机、15.Y轴电机、16.外壳。

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；多元线阵的超声阵列传感器6的中心频率为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。

本实施例包括中央处理器、驱动电路、数据采集电路、信号放大电路、信号预处理电路、超声传感器、电路外接口、激光二极管、准直透镜组、X轴反射振镜、Y轴反射振镜、聚焦透镜组、保护镜、X轴电机、Y轴电机、外壳；中央处理器与驱动电路导线连接；所超声传感器、信号预处理电路、信号放大电路、数据采集电路、中央处理器依次导线连接；驱动电路通过电路外接口分别与X轴电机、Y轴电机、激光二极管导线连接；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；电路外接口和保护镜被嵌于外壳上；激光二极管、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轴电机被安置于外壳内；超声传感器紧贴于被测样品表面；激光二极管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、聚焦透镜组和保护镜后聚焦照射在被测样品上激发出光声信号；X轴电机和Y轴电机可被驱动并分别带动X轴反射振镜和Y轴反射振镜偏转使光束在X-Y平面做激光扫描形成二维光声场，超声传感器接收到光声信号，依次经过信号预处理电路、信号放大电路、数据采集电路后被输入到中央处理器，再通过多维图像重建即可实现快速多维的光声成像。

所述保护镜由透光材料制作。

本实施例具体操作步骤为：

1）激光二极管由驱动电路提供能量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，经信号预处理电路和信号放大电路后由数据采集电路输送到中央处理器做后续处理；

3）中央处理器通过驱动电路驱动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实时多维光声成像。由于每次二维扫描中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 一种集成二维激光振镜与激光二极管的便携式实时光声成像系统，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（2.5P9×9K3），其中心频率为2.5MHz，尺寸为9mm×9mm，外接口采用Q9（BNC）接口。

实施例3 一种集成二维激光振镜与激光二极管的便携式实时光声成像系统，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（2.5P6×6K2），其中心频率为2.5MHz，尺寸为6mm×6mm，外接口采用Q9（BNC）接口。

Claims

1.一种便携式实时光声成像系统，其特征在于：它包括中央处理器（1）、驱动电路（2）、数据采集电路（3）、信号放大电路（4）、信号预处理电路（5）、超声传感器（6）、电路外接口（7）、激光二极管（8）、准直透镜组（9）、X轴反射振镜（10）、Y轴反射振镜（11）、聚焦透镜组（12）、保护镜（13）、X轴电机（14）、Y轴电机（15）、外壳（16）；中央处理器（1）与驱动电路（2）导线连接；超声传感器（6）、信号预处理电路（5）、信号放大电路（4）、数据采集电路（3）、中央处理器（1）依次导线连接；驱动电路（2）通过电路外接口（7）分别与X轴电机（14）、Y轴电机（15）、激光二极管（8）导线连接；X轴反射振镜（10）与X轴电机（14）机械连接；Y轴反射振镜（11）与Y轴电机（15）机械连接；电路外接口（7）和保护镜（13）被嵌于外壳（16）上；激光二极管（8）、准直透镜组（9）、X轴反射振镜（10）、Y轴反射振镜（11）、聚焦透镜组（12）、X轴电机（14）、Y轴电机（15）被安置于外壳（16）内；超声传感器（6）紧贴于被测样品表面；激光二极管（8）发射出脉冲式或经调制后的连续式激光，经准直透镜组（9）准直后，依次经过X轴反射振镜（10）、Y轴反射振镜（11）、聚焦透镜组（12）和保护镜（13）后聚焦照射在被测样品上激发出光声信号；X轴电机（14）和Y轴电机（15）可被驱动并分别带动X轴反射振镜（10）和Y轴反射振镜（11）偏转使光束在X-Y平面做激光扫描形成二维光声场，超声传感器（6）接收到光声信号，依次经过信号预处理电路（5）、信号放大电路（4）、数据采集电路（3）后被输入到中央处理器（1），再通过多维图像重建即可实现快速多维的光声成像。

2.根据权利要求1所述的便携式实时光声成像系统，其特征在于：所述超声传感器（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所述的便携式实时光声成像系统，其特征在于：所述激光二极管（8）的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所述的便携式实时光声成像系统，其特征在于：所述准直透镜组（9）和聚焦透镜组(12)可分别由一块或多块透镜组合而成。

5.根据权利要求1所述的便携式实时光声成像系统，其特征在于：所述保护镜（13）由透光材料制作。