CN102636434A

CN102636434A - 便携式三维可视化光声成像系统

Info

Publication number: CN102636434A
Application number: CN2012100438426A
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: 2012-08-15

Abstract

本发明提供一种便携式三维可视化光声成像系统，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、扩束透镜组、聚焦透镜组、X轴反射振镜、Y轴反射振镜、场镜、直线电机、X轴电机、Y轴电机、外壳。它将快速、高效的三轴扫描振镜技术应用到光声激发领域，并与激光二极管实现一体化设计，可实现便携式的三维可视化光声成像，将能广泛应用于方型、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

便携式三维可视化光声成像系统

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三维可视化光声成像系统。

背景技术

光声技术结合了纯光学成像高对比度和纯超声成像深穿透性的优点，可提供高对比度和高分辨率的探测影像，并且具有无放射性损伤、成本较低、使用安全便捷等特性，尤其是三维光声成像技术的快速发展，被认为是未来各种无损可视化检测成像的优选方法。

中国发明专利申请公开说明书（公开号CN 101813672A）公开了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，它采用面阵超声探测器来接收空间三维光声场，从而实现快速三维光声成像。该技术不需要探测器做圆周或线性扫描，但需要较大功率的激光器（如可调谐脉冲激光器或调制连续激光器）产生激光辐射大面积的三维空间以获得可探测的光声信号，而该类激光器通常拥有体积大、价格高、维护难等众多缺点。2006年Allen等报道了采用四个脉冲激光二极管组成的阵列作为光声激励源实现了大面积的二维光声成像（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）；2008年Maslov等报道了采用单个调幅的连续激光二极管作为光声激励源同样也实现了大面积的光声扫描成像（K. Maslov and L. V. Wang, “Photoacoustic imaging of biological tissue with intensity-modulated continuous-wave laser,” J. Biomed. Opt. 13(2), 024006, 2008）；由于半导体激光器的峰值功率较低，一般情况下不超过200W，所以以上方法需要传感器由步进电机驱动做圆周或线性机械扫描接收不同方向的光声信号，具有耗时长、操作复杂、机械振动大等众多缺点，在实际应用中显然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三维可视化光声成像系统，它将快速、高效的三轴扫描振镜技术应用到光声激发领域，并与激光二极管实现一体化设计，可实现便携式的三维可视化光声成像。

为实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：

一种便携式三维可视化光声成像系统，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、扩束透镜组、聚焦透镜组、X轴反射振镜、Y轴反射振镜、场镜、直线电机、X轴电机、Y轴电机、外壳；中央处理器与驱动电路导线连接；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、直线电机、激光二极管导线连接；扩束透镜组与直线电机机械连接；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；电路外接口被嵌于外壳上；激光二极管、准直透镜组、扩束透镜组、聚焦透镜组、X轴反射振镜、Y轴反射振镜、场镜、直线电机、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，由扩束透镜组扩束，再由聚焦透镜组聚焦，然后依次经过X轴反射振镜、Y轴反射振镜和场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，直线电机可被驱动并带动扩束透镜组移动使光束在Z轴方向做激光扫描，即得到了三维光声场；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，再通过多维可视化图像重建即可实现快速的三维可视化光声成像。

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、扩束透镜组、聚焦透镜组和场镜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）本发明采用高速的三轴扫描振镜，通常扫描速度不低于3KHz（即300×300扫描点只需30秒），扫描速度远高于传统的传感器由步进电机控制做圆周和线性机械扫描，有效的提高了系统的检测时间。

（2）由于三轴扫描振镜通常是采用精密伺服电机控制反射镜和扩束透镜组的移动来实现光束的三维扫描，解决了二维激光振镜在大面积扫描中焦点离焦的缺点，具有聚焦范围大、扫描精度高、扫描惯量低、焦点调节易、机械振动小、漂移值低等优点，有效提高了系统的扫描精度、稳定性和实用性。

（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。

（5）由于三轴扫描振镜系统具有体积小和结构紧凑的特点，与小体积的激光二极管一体化设计，并结合三维可视化重建程序，可实现便携式的三维可视化光声成像，将能广泛应用于方型、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. 扩束透镜组、11. 聚焦透镜组、12. X轴反射振镜、13. Y轴反射振镜、14. 场镜、15. 直线电机、16. X轴电机、17. Y轴电机、18. 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；超声传感器6为256阵元的1-3复合材料线性阵列探头（广州多浦乐电子科技有限公司生产），其中心频率为3.5MHz，相对带宽可达110%，阵元间距为0.15mm；X轴电机12和Y轴电机13采用精密伺服电机，重复精度可达8μrad，直线电机15采用的步进电机精度可达0.32微米。

本实例包括中央处理器、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、扩束透镜组、聚焦透镜组、X轴反射振镜、Y轴反射振镜、场镜、直线电机、X轴电机、Y轴电机、外壳；中央处理器与驱动电路导线连接；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、直线电机、激光二极管导线连接；扩束透镜组与直线电机机械连接；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；电路外接口被嵌于外壳上；激光二极管、准直透镜组、扩束透镜组、聚焦透镜组、X轴反射振镜、Y轴反射振镜、场镜、直线电机、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，由扩束透镜组扩束，再由聚焦透镜组聚焦，然后依次经过X轴反射振镜、Y轴反射振镜和场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，直线电机可被驱动并带动扩束透镜组移动使光束在Z轴方向做激光扫描，即得到了三维光声场；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，再通过多维可视化图像重建即可实现快速的三维可视化光声成像。

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，经准直透镜组、扩束透镜组、聚焦透镜组、X轴反射振镜、Y轴反射振镜、场镜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，经预处理电路和信号放大电路后由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，从而分别带动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，同时驱动直线电机组带动扩束透镜组移动使光束在Z轴方向做激光扫描，同时重复步骤2接收每次扫描的光声信号；

4）通过多维可视化图像重建程序处理采集到的三维光声场信号则可实现三维可视化光声成像。由于每次二维扫描中超声阵列传感器的振元一共可接收到256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 一种便携式三维可视化光声成像系统，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（2.5P9×9K1），其中心频率为2.5MHz，尺寸为9 mm×9 mm，外接口采用Q9（BNC）接口。

实施例3 一种便携式三维可视化光声成像系统，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（5P6×6K3），其中心频率为5MHz，尺寸为6 mm×6 mm，外接口采用Q9（BNC）接口。

Claims

1.一种便携式三维可视化光声成像系统，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）、扩束透镜组（10）、聚焦透镜组（11）、X轴反射振镜（12）、Y轴反射振镜（13）、场镜（14）、直线电机（15）、X轴电机（16）、Y轴电机（17）、外壳（18）；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（16）、Y轴电机（17）、直线电机（15）、激光二极管（8）导线连接；扩束透镜组（10）与直线电机（15）机械连接；X轴反射振镜（12）与X轴电机（16）机械连接；Y轴反射振镜（13）与Y轴电机（17）机械连接；电路外接口（7）被嵌于外壳（18）上；激光二极管（8）、准直透镜组（9）、扩束透镜组（10）、聚焦透镜组（11）、X轴反射振镜（12）、Y轴反射振镜（13）、场镜（14）、直线电机（15）、X轴电机（16）、Y轴电机（17）被安置于外壳（18）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，由扩束透镜组（10）扩束，再由聚焦透镜组（11）聚焦，然后依次经过X轴反射振镜（12）、Y轴反射振镜（13）和场镜（14）后聚焦照射在被测样品上激发出光声信号；X轴电机（16）和Y轴电机（17）可被驱动并分别带动X轴反射振镜（12）和Y轴反射振镜（13）偏转使光束在X-Y平面做激光扫描，直线电机（15）可被驱动并带动扩束透镜组（10）移动使光束在Z轴方向做激光扫描，即得到了三维光声场；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），再通过多维可视化图像重建即可实现快速的三维可视化光声成像。

2.根据权利要求1所述的便携式三维可视化光声成像系统，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所述的便携式三维可视化光声成像系统，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所述的便携式三维可视化光声成像系统，其特征在于：所述准直透镜组（9）、扩束透镜组（10）、聚焦透镜组（11）和场镜（14）可分别由一块或多块透镜组合而成。