CN105852814A - 基于f-p腔光纤声传感器的磁声信号检测及成像系统 - Google Patents

Abstract

一种基于F‑P腔光纤声传感器的磁声信号检测及成像系统，包括有：连接在激励信号发生装置输出端的感应线圈，分别对应设置在感应线圈上方和下方的一对S、N极静磁铁，在感应线圈与N极静磁铁之间的静磁场中通过一组能够进行XYZ三个方向移动及同轴转动的4维置物架设置有待测组织，在待测组织的一侧设置有用于检测待测组织在静磁场和脉冲磁场的共同作用下产生的磁声信号的微弱声信号检测及解调装置，微弱声信号检测及解调装置的输出端连接数据采集及处理装置。本发明可有效抑制磁声信号中的电磁干扰，实现声信号传感传输过程中对电磁干扰的免疫，且检测灵敏度高、稳定性好，在保证高灵敏度的同时提高磁声信号的检测质量，进而提高磁声成像图像重建质量。

Description

基于F-P腔光纤声传感器的磁声信号检测及成像系统

技术领域

本发明涉及一种磁声信号检测及成像系统。特别是涉及一种具有抗电磁干扰的基于F-P腔光纤声传感器的磁声信号检测及成像系统。

背景技术

组织的电特性参数与组织的生理信息及病理信息密切相关。对组织的电特性参数成像，可以对组织的早期病变进行功能检测。磁声成像技术是一种新型的无损组织电特性成像技术，它基于组织的磁声耦合效应，把生物组织电特性改变所导致的电流变化，通过电磁感应产生洛伦兹力，在组织内部形成高频振动，转化为包含组织电特性信息的超声信号进行检测。磁声成像技术由于最终对声场信号进行重建，可以兼顾电磁成像高对比度和超声断层扫描高空间分辨率的优点，具有重要的研究价值。

现阶段，制约磁声成像技术发展的关键是磁声信号的检测。由于磁声信号本身量级微弱，且磁声成像系统属于强电磁环境，检测到的磁声信号极易受电磁干扰影响，信噪比过低。目前，磁声成像系统中均采用基于压电效应的超声传感探头对微弱磁声信号进行检测，此类压电声探头技术成熟，被广泛应用于医用超声检测及光声成像、热声成像等其他物理场耦合声场成像的系统中。但是，在磁声成像的实际检测中，电磁干扰对压电探头的影响严重且无法避免，严重影响磁声成像信号的检测质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够有效抑制电磁干扰，在保证高灵敏度的同时提高磁声信号检测质量的基于F-P腔光纤声传感器的磁声信号检测及成像系统。

本发明所采用的技术方案是：一种基于F-P腔光纤声传感器的磁声信号检测及成像系统，包括有：激励信号发生装置，连接在激励信号发生装置输出端的感应线圈，分别对应设置在所述感应线圈上方和下方的一对S、N极静磁铁，在感应线圈与N极静磁铁之间的静磁场中通过一组能够进行XYZ三个方向移动及同轴转动的4维置物架设置有待测组织，在所述待测组织的一侧设置有用于检测待测组织在静磁场和脉冲磁场的共同作用下产生的磁声信号的微弱声信号检测及解调装置，所述微弱声信号检测及解调装置的输出端连接数据采集及处理装置。

所述的激励信号发生装置包括有脉冲信号发生器和与所述脉冲信号发生器输出端相连的功率放大器，所述功率放大器的输出端连接所述感应线圈。

所述的4维置物架是由位于N极静磁铁上面的三维调整架和设置在所述三维调整架上面用于放置待测组织的转台构成。

所述的微弱声信号检测及解调装置包括用于接收待测组织在静磁场和脉冲磁场的共同作用下产生的磁声信号的F-P腔型光纤声传感探头，所述F-P腔型光纤声传感探头通过Y型光纤连接耦合器，所述耦合器的光输入端通过入射光纤连接CW激光光源，所述耦合器的光输 出端通过出射光纤连接光电探测器，所述光电探测器的输出依次连接I-U转换模块和放大模块，所述放大模块的输出端连接所述数据采集及处理装置的信号输入端。

所述的F-P腔型光纤声传感探头包括有依次设置的：连接Y型光纤的双光纤准直器、玻璃背板、第一介质涂层、第二介质涂层和声振动膜，其中所述的第一介质涂层和第二介质涂层之间间隔有设定距离d构成F-P腔。

所述的微弱声信号检测及解调装置包括用于接收待测组织在静磁场和脉冲磁场的共同作用下产生的磁声信号的F-P腔型光纤声传感探头，所述F-P腔型光纤声传感探头通过对应数量的Y型光纤连接耦合器，所述耦合器的光输入端依次通过波分复用器和入射光纤连接CW激光光源，所述耦合器的光输出端通过与Y型光纤数量相同的出射光纤连接光电探测器，所述光电探测器的输出依次连接I-U转换模块和放大模块，所述放大模块的输出端连接所述数据采集及处理装置的信号输入端。

所述的F-P腔型光纤声传感探头包括有三个并排设置且结构相同的双光纤准直器，每一个双光纤准直器的一端分别各通过一个Y型光纤连接所述耦合器，三个并排设置的双光纤准直器的另一端共同连接玻璃背板的上端面，所述玻璃背板的下端面涂有第一介质涂层，涂有第一介质涂层的玻璃背板的下端面对应设置有声振动膜，所述声振动膜对应玻璃背板的端面上涂有第二介质涂层，所述的第一介质涂层和第二介质涂层之间间隔有设定距离d构成F-P腔。

所述的数据采集及处理装置包括有用于接收微弱声信号检测及解调装置的输出信号的数据采集卡和连接数据采集卡的计算机。

本发明的基于F-P腔光纤声传感器的磁声信号检测及成像系统，在声信号的接收部分引入光纤声传感技术，使用采用F-P腔光纤声传感器将微弱磁声信号转换为光强信号进行测量，再解调为磁声信号信息，可有效抑制磁声信号中的电磁干扰。本发明可以实现声信号传感传输过程中对电磁干扰的免疫，且检测灵敏度高、稳定性好，在保证高灵敏度的同时提高磁声信号的检测质量，进而提高磁声成像图像重建质量。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中微弱声信号检测及解调装置第一实施例的结构示意图；

图3是本发明中F-P腔型光纤声传感探头第一实施例的结构示意图；

图4是本发明中微弱声信号检测及解调装置第二实施例的结构示意图；

图5是本发明中F-P腔型光纤声传感探头第二实施例的结构示意图。

1：激励信号发生装置 2：感应线圈

3：S极静磁铁 4：N极静磁铁

5：待测组织 6：4维置物架

7：微弱声信号检测及解调装置 8：数据采集及处理装置

11：脉冲信号发生器 12：功率放大器

61：三维调整架 62：转台

71：F-P腔型光纤声传感探头 72：Y型光纤

73：耦合器 74：入射光纤

75：CW激光光源 76：出射光纤

77：光电探测器 78：I-U转换模块

79：放大模块 710：波分复用器

711：双光纤准直器 712：玻璃背板

713：第一介质涂层 714：第二介质涂层

715：声振动膜

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于F-P腔光纤声传感器的磁声信号检测及成像系统做出详细说明。

如图1所示，本发明的基于F-P腔光纤声传感器的磁声信号检测及成像系统，包括有：激励信号发生装置1，连接在激励信号发生装置1输出端的感应线圈2，分别对应设置在所述感应线圈2上方和下方的一对S、N极静磁铁3、4，在感应线圈2与N极静磁铁4之间的静磁场中通过一组能够进行XYZ三个方向移动及同轴转动的4维置物架6设置有待测组织5，在所述待测组织5的一侧设置有用于检测待测组织5在静磁场和脉冲磁场的共同作用下产生的磁声信号的微弱声信号检测及解调装置7，所述微弱声信号检测及解调装置7的输出端连接数据采集及处理装置8。

本发明中静磁铁3、4可以由一对内含铁芯的亥姆霍兹线圈组成，直流电源供给亥姆霍兹线圈0-80A的电流，感应线圈可以产生高达0.6T的静磁场。激励信号发生装置1中的信号发生器11(AFG3252，Tektronix,USA)产生1MHz的单正弦脉冲激励信号，再经功率放大器12(HSA4101,NF,Japan)放大，以激励感应线圈2。将待测组织5置于静磁场中，4维置物架6带动将待测组织5进行xyz三个方向的移动以及同轴转动，便于成像时对将待测组织5的任意位置进行检测。

感应线圈2产生与静磁场平行的脉冲磁场，导电的待测组织5在脉冲磁场作用下产生感应涡流；涡流在静磁场中受到洛伦兹力产生高频振动，向外界辐射超声信号；包含待测组织5电导率信息的声信号即可被基于F-P腔型光纤声传感探头的微弱声信号检测及解调装置7接收，再送入数据采集卡(PXI-5922,NI,USA)，经由计算机进行信号的平均滤波、解调计算、进一步对声信号进行重建得到包含待测组织5电导率信息的重建图像。

所述的激励信号发生装置1包括有脉冲信号发生器11和与所述脉冲信号发生器11输出端相连的功率放大器12，所述功率放大器12的输出端连接所述感应线圈2。

所述的4维置物架6是由位于N极静磁铁4上面的三维调整架61和设置在所述三维调整架61上面用于放置待测组织5的转台62构成。以实现待测组织5的固定并可带动待测组织5进行空间XYZ三个方向的平移及转动角度调节。

所述的数据采集及处理装置8包括有用于接收微弱声信号检测及解调装置7的输出信号的数据采集卡81和连接数据采集卡81的计算机82。

如图2所示，所述的微弱声信号检测及解调装置7包括用于接收待测组织5在静磁场和脉冲磁场的共同作用下产生的磁声信号并将磁声信号转换为光信号的F-P腔型光纤声传感探头71，所述F-P腔型光纤声传感探头71通过Y型光纤72连接耦合器73，所述耦合器73的光输入端通过入射光纤74连接为F-P腔型光纤声传感探头71提供光源的CW激光光源75，所述耦合器73的光输出端通过出射光纤76连接用于实现光信号的检测与解调的光电探测器77，所述光电探测器77的输出依次连接I-U转换模块78和放大模块79，所述放大模块79的输出端连接所述数据采集及处理装置8的信号输入端。

如图3所示，所述的F-P腔型光纤声传感探头71包括有依次设置的：连接Y型光纤72的双光纤准直器711、玻璃背板712、第一介质涂层713、第二介质涂层714和由聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜构成的声振动膜715，其中所述的第一介质涂层713和第二介质涂层714之间间隔有设定距离d构成F-P腔，其中d为F-P腔的腔长。双光纤准直器711可将经Y型光纤72入射的高斯光束准直为平行光束，经玻璃背板712传输至F-P干涉腔，在F-P干涉腔内由于玻璃背板712和声振动膜715内侧均涂以高反射比涂层，可以实现光的多次反射和透射。声振动膜715会随着声压的变化而发生微小振动，引起F-P干涉腔腔长的微小变化，进而引起相位变化，相位变化通过多光束干涉效应放大且转化为干涉光强来检测，即完成了声信号到光信号的转换。

图4给出了基于图1中的微弱声信号检测及解调装置中F-P腔型光纤声传感探头的阵列化实现，可以实现磁声信号的阵列化检测，即可以实现多点声信号的同时检测，以三个检测点的阵列为例，图5中源光束经过波分复用模块，被分为三个子光束，每个光束再经过准直、入射、进入F-P腔发生多光束干涉，再分别各自接受位置的干涉信息，这样可以实现声压信号的阵列化检测。

如图4所示，以三个检测点的阵列为例，所述的微弱声信号检测及解调装置7还可以是：包括用于接收待测组织5在静磁场和脉冲磁场的共同作用下产生的磁声信号的F-P腔型光纤声传感探头71，所述F-P腔型光纤声传感探头71通过对应的Y型光纤72连接耦合器73，所述耦合器73的光输入端依次通过波分复用器710和入射光纤74连接CW激光光源75，所述耦合器73的光输出端通过与Y型光纤72数量相同的出射光纤76连接光电探测器77，所述光电探测器77的输出依次连接I-U转换模块78和放大模块79，所述放大模块79的输出端连接所述数据采集及处理装置8的信号输入端。

所述的F-P腔型光纤声传感探头可以阵列化实现，如图5所示，以三个检测点的阵列为例，所述的F-P腔型光纤声传感探头71包括有三个并排设置且结构相同的双光纤准直器711，每一个双光纤准直器711的一端分别各通过一个Y型光纤72连接所述耦合器73，三个并排设置的双光纤准直器711的另一端共同连接玻璃背板712的上端面，所述玻璃背板712的下端面涂有第一介质涂层713，涂有第一介质涂层713的玻璃背板712的下端面对应设置有声振动膜715，所述声振动膜715对应玻璃背板712的端面上涂有第二介质涂层714，所述的第一介质涂层713和第二介质涂层714之间间隔有设定距离d构成F-P腔，其中d为F-P腔的腔长。

源光束经过波分复用器，被分为几个子光束，每个光束再经过耦合器73、Y型光纤72、 双光纤准直器711、玻璃背板712进入F-P腔发生多光束干涉，再分别各自接受位置的干涉信息，这样可以实现声压信号的阵列化检测。

所述的CW激光光源75可以采用稳态(Continue Waves，CW)型半导体激光器(LTC100+LPS-660-FC,Thorlabs,USA)，为传感探头提供稳定可靠的单色相干光源，波长λ＝660nm。半导体激光器的出射激光经入射光纤74、耦合器73和同轴Y型Y型光纤72传输至F-P腔型光纤声传感探头71的F-P腔，同轴Y型Y型光纤72同时接收经F-P腔型光纤声传感探头71多次干涉后的干涉光经耦合器73和出射光纤76传输至光电探测器77。

入射光纤74和出射光纤76均选用相同的单模光纤，经耦合器耦合至Y型光纤72，入射激光经Y型光纤72传输至F-P腔型光纤声传感探头71，Y型光纤2的出射光纤同时接收经F-P腔多次干涉后的干涉光直接传输至光电探测器。

所述光电探测器77可选用高灵敏度的光电倍增管(Photomultiplier Tube，PMT)如型号为R928,Hamamatsu,Japan的光电倍增管，来实现对干涉光强信号的探测接收。或选用高增益的光电二极管(Avalanche Photodiode，APD)如型号为PDA36A,Thorlabs,USA的光电二极管来实现对干涉光强信号的探测接收。光电探测器77获得的信号经I-U转换模块78及后续放大模块79送至采集卡81进行数据采集，再经由计算机82解调处理得到需要检测的声信息。

本发明的F-P腔型光纤声传感探头71的灵敏度主要有两个因素决定，一是声振动膜715位移量△d随外界声压变量△P的变化系数，记为由声振动膜的面积、厚度以及本身材料的性质决定，本发明选用聚偏二氟乙烯(PVDF)材料作为声振动膜715，k₁大且振动频带宽；二是干涉光强随着声振动膜位移变量△d的变化量△I，记为根据F-P腔多光束干涉原理，反射光强可表示为：

$I_R=2R\frac{\[1-cos(4\mathrm{\π}nd/\mathrm{\λ})\]}{\[1+R^2-2Rcos(4\mathrm{\π}nd/\mathrm{\λ})\]}{I}_0---\left(1\right)$

式中，λ为光源波长，R为介质涂层反射系数，n为F-P腔折射率，d为F-P腔腔长，I₀为入射光光强。

工程上，在R不大的情况下，式(1)可简化为：

I_R＝2RI₀[1-cos(4πnd/λ)] (2)

对式(2)中的d求导，可以获得灵敏度k₂，即：

$k_2=\frac{\∂I_R}{\∂d}=\frac{8\mathrm{\π}nR}{\mathrm{\λ}}sin(4\mathrm{\π}nd/\mathrm{\λ})I_0---\left(3\right)$

本发明中，F-P腔内为空气介质，n＝1，介质涂层反射系数R＝95％。式(3)虽然是周期函数，但因为磁声信号声压很小，可将腔长的变化量△d限制在[0，λ/2]，这样I_R即为L的单调函数。设原腔长d＝(N+1)λ/4＝165(N+1)，此时sin(4πnd/λ)＝1，可以获得灵敏度k₂的最大值。

解调过程，就是通过光电探测器检测到的反射光强信息I_R求解出声压信息P，通过传感过程可知：

I_R＝I₀+k₁k₂△d (4)

式(4)中，I₀与灵敏度k₁k₂均已知，可以通过探测器获得的反射光强I_R求解出磁声信号的声压信息。

测量时，可根据采集到的电信号获得光电探测器测得的光强信号，再根据式(4)及k₁定义求解声压信号。

本发明的F-P腔型光纤声传感探头71体积小巧，结构简单，适宜于阵列化实现。可在磁声成像中同时检测多个测量点的声压信号，以有效减少扫描过程中的探测位置定位误差，同时大幅提高测量效率。

本发明的基于F-P腔光纤声传感器的磁声信号检测及成像系统，在进行磁声信号检测时，首先打开产生CW激光光源的激光器电源，预热半个小时以上，待激光器输出光功率稳定之后，再依次打开其他设备，进行磁声信号检测，以保证光纤声传感装置工作稳定，进而保证磁声信号检测的稳定性。

Claims (8)

1.一种基于F-P腔光纤声传感器的磁声信号检测及成像系统，其特征在于，包括有：激励信号发生装置(1)，连接在激励信号发生装置(1)输出端的感应线圈(2)，分别对应设置在所述感应线圈(2)上方和下方的一对S、N极静磁铁(3、4)，在感应线圈(2)与N极静磁铁(4)之间的静磁场中通过一组能够进行XYZ三个方向移动及同轴转动的4维置物架(6)设置有待测组织(5)，在所述待测组织(5)的一侧设置有用于检测待测组织(5)在静磁场和脉冲磁场的共同作用下产生的磁声信号的微弱声信号检测及解调装置(7)，所述微弱声信号检测及解调装置(7)的输出端连接数据采集及处理装置(8)。

2.根据权利要求1所述的基于F-P腔光纤声传感器的磁声信号检测及成像系统，其特征在于，所述的激励信号发生装置(1)包括有脉冲信号发生器(11)和与所述脉冲信号发生器(11)输出端相连的功率放大器(12)，所述功率放大器(12)的输出端连接所述感应线圈(2)。

3.根据权利要求1所述的基于F-P腔光纤声传感器的磁声信号检测及成像系统，其特征在于，所述的4维置物架(6)是由位于N极静磁铁(4)上面的三维调整架(61)和设置在所述三维调整架(61)上面用于放置待测组织(5)的转台(62)构成。

4.根据权利要求1所述的基于F-P腔光纤声传感器的磁声信号检测及成像系统，其特征在于，所述的微弱声信号检测及解调装置(7)包括用于接收待测组织(5)在静磁场和脉冲磁场的共同作用下产生的磁声信号的F-P腔型光纤声传感探头(71)，所述F-P腔型光纤声传感探头(71)通过Y型光纤(72)连接耦合器(73)，所述耦合器(73)的光输入端通过入射光纤(74)连接CW激光光源(75)，所述耦合器(73)的光输出端通过出射光纤(76)连接光电探测器(77)，所述光电探测器(77)的输出依次连接I-U转换模块(78)和放大模块(79)，所述放大模块(79)的输出端连接所述数据采集及处理装置(8)的信号输入端。

5.根据权利要求4所述的基于F-P腔光纤声传感器的磁声信号检测及成像系统，其特征在于，所述的F-P腔型光纤声传感探头(71)包括有依次设置的：连接Y型光纤(72)的双光纤准直器(711)、玻璃背板(712)、第一介质涂层(713)、第二介质涂层(714)和声振动膜(715)，其中所述的第一介质涂层(713)和第二介质涂层(714)之间间隔有设定距离d构成F-P腔。

6.根据权利要求1所述的基于F-P腔光纤声传感器的磁声信号检测及成像系统，其特征在于，所述的微弱声信号检测及解调装置(7)包括用于接收待测组织(5)在静磁场和脉冲磁场的共同作用下产生的磁声信号的F-P腔型光纤声传感探头(71)，所述F-P腔型光纤声传感探头(71)通过对应数量的Y型光纤(72)连接耦合器(73)，所述耦合器(73)的光输入端依次通过波分复用器(710)和入射光纤(74)连接CW激光光源(75)，所述耦合器(73)的光输出端通过与Y型光纤(72)数量相同的出射光纤(76)连接光电探测器(77)，所述光电探测器(77)的输出依次连接I-U转换模块(78)和放大模块(79)，所述放大模块(79)的输出端连接所述数据采集及处理装置(8)的信号输入端。

7.根据权利要求6所述的基于F-P腔光纤声传感器的磁声信号检测及成像系统，其特征在于，所述的F-P腔型光纤声传感探头(71)包括有三个并排设置且结构相同的双光纤准直器(711)，每一个双光纤准直器(711)的一端分别各通过一个Y型光纤(72)连接所述耦合器(73)，三个并排设置的双光纤准直器(711)的另一端共同连接玻璃背板(712)的上端面，所述玻璃背板(712)的下端面涂有第一介质涂层(713)，涂有第一介质涂层(713)的玻璃背板(712)的下端面对应设置有声振动膜(715)，所述声振动膜(715)对应玻璃背板(712)的端面上涂有第二介质涂层(714)，所述的第一介质涂层(713)和第二介质涂层(714)之间间隔有设定距离d构成F-P腔。

8.根据权利要求1所述的基于F-P腔光纤声传感器的磁声信号检测及成像系统，其特征在于，所述的数据采集及处理装置(8)包括有用于接收微弱声信号检测及解调装置(7)的输出信号的数据采集卡(81)和连接数据采集卡(81)的计算机(82)。