CN107132187A - 快速高信噪比的光声成像系统及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了快速高信噪比的光声成像系统和成像方法，该系统包括：脉冲激光光源，用于发出脉冲激光照射空间光调制模块；光强控制模块，用于控制空间光强度调制模块对入射的光束进行调制；超声探头，用于接收调制后的光束照射到待测样品上所激发的声信号；声信号处理模块，用于对声信号进行处理并形成检测结果图；整体控制模块，用于对脉冲激光光源、光强控制模块和声信号处理模块进行控制。本发明具有如下优点：结合了光成像的高分辨率和声成像的高穿透性，因此光声成像能够检测到更深更小的裂纹或者病变。

Description

快速高信噪比的光声成像系统及成像方法

技术领域

本发明涉及成像检测领域，具体涉及一种快速高信噪比的光声成像系统及成像方法。

背景技术

随着科学技术的发展和社会经济水平的提高，人们对材料的健康安全的要求也越来越高。材料或者结构的失效，经常是由于一些微小的裂纹或者瑕疵萌生而成。例如，飞机在降落时的失事可能是由于飞机的起落架轴承上存在残余应力导致的裂纹，该裂纹会在飞机降落的瞬间迅速扩展而导致起落架断裂；生物组织的癌变也有可能是由于体内存在一些微小的区域性病变，该病变在致癌因素的诱导下继续扩展而恶化形成肿瘤。

为了保障安全的生产生活，尽早的使用各种技术手段检测出材料内部的危小缺陷是关键。在检测出早期的危险因素后，就能采取技术手段进行进一步的修复或干预，以阻止危险的继续发酵。目前，工业界常用的检测技术包括超声、X射线和核磁共振等方法。

光声成像技术是近年来得到迅速发展的成像检测方法，其原理是：通过将一束具有一定直径的短时间脉冲激光照射到透明或半透明物体上，光会进入物体内部，当光照射到物体内部上的瑕疵或异物时，光能会迅速转变成热能，热能所导致的热膨胀波会形成发射的声信号，通过超声探头来接受该声信号，即可反演出内部缺陷的位置和大小。

光声成像的优势在于结合了光成像的高分辨率和声成像的高穿透性，因此光声成像能够检测到更深更小的裂纹或者病变。但由于光信号的能量相对较低，因此光声成像图像的信噪比相对较低，这导致难以发现一些微小的缺陷。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种快速高信噪比的光声成像系统，以提高光声成像信噪比。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种快速高信噪比的光声成像系统，包括脉冲激光光源、空间光强度调制模块、光强控制模块、超声探头、声信号处理模块和整体控制模块，其中，所述脉冲激光光源，用于发出脉冲激光照射所述空间光调制模块；所述光强控制模块，与所述空间光强度调制模块相连，用于控制所述空间光强度调制模块对入射的光束进行调制；所述超声探头，用于接收调制后的光束照射到待测样品上所激发的声信号；所述声信号处理模块，与所述超声探头连接，用于对所述声信号进行处理并形成检测结果图；所述整体控制模块，分别与所述脉冲激光光源、所述光强控制模块和所述声信号处理模块连接，用于对所述脉冲激光光源、所述光强控制模块和所述声信号处理模块进行控制。

进一步地，所述脉冲激光光源发出的脉冲激光为均匀脉冲激光。

进一步地，所述空间光调制模块为空间光调制转盘，所述空间光调制转盘的圆周上分布有多个区域，每个所述区域与入射光形状一致，每个所述区域内部均设置有透光孔，所述透光孔透光而其他位置不透光。

根据本发明实施例的快速高信噪比的光声成像系统，通过使用空间光调制器或空间光调制转盘，实现了光声成像的区域聚焦的效果，再进一步通过扫描实现了对整体区域的等效均匀照射和成像。本发明通过特殊设计的空间光调制过程，避免了传统一次性照射成像过程中大的信号对小信号的淹没，并显著增强有效信号，而降低无效信号，进而显著的增加图像的信噪比，并可以发现一些微小的缺陷或瑕疵，以提升检测效果。

本发明的另一个目的在于提出一种快速高信噪比的光声成像方法，以提高光声成像信噪比。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种快速高信噪比的光声成像方法，包括上述实施例的快速高信噪比的光声成像方法，该方法包括以下步骤：S1：所述整体控制模块控制所述脉冲激光光源发出均匀激光；S2：所述整体控制模块控制光照射点的位置开始扫描过程，通过所述光强控制模块和所述空间光强度调制模块使得激光局部照射在待测区域的设定扫描点P_i，i为当前测试步编号；S3：调制后的激光射入所述待测样品，以在待测样品内部产生声信号，并通过所述超声探头捕捉所述声信号；S4：所述声信号处理模块根据所述声信号得到当前步的检测结果图R_i；S5：重复S2-S4，直至激光点扫描完整个待测区域；S6：所述整体控制模块根据各步检测结果图R_i并将所有结果进行累加，形成最后的检测结果图并输出，其中，0<i≤N，N为步骤数量且N为自然数。

本发明实施例的快速高信噪比的光声成像方法与本发明实施例的快速高信噪比的光声成像系统相对于现有技术的优势相同，不作赘述。

本发明的另一个目的在于提出一种快速高信噪比的光声成像方法，以提高光声成像信噪比。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种快速高信噪比的光声成像方法，包括上述实施例的快速高信噪比的光声成像方法，该方法包括以下步骤：A：所述整体控制模块控制所述脉冲激光光源发出均匀激光；B：所述整体控制模块控制光照射点的位置开始扫描过程，通过所述光强控制模块和所述空间光强度调制模块设在所述待测样品上的光强为I_j(x,y)且各次入射的光强满足ΣI_j(x,y)＝I_total，其中，为当前测试步的编号，且0<j≤M，M为总的测试步长，I_total为在整个M次测试过程中，待测区域上每个测试点处的光强累计之和；C：调制后的激光射入所述待测样品，以在待测样品内部产生声信号，并通过所述超声探头捕捉所述声信号；D：所述声信号处理模块根据所述声信号得到当前步的检测结果图R_j；E：重复B-D，直至激光点扫描完整个待测区域；F：所述整体控制模块根据各步检测结果图R_j并将所有结果进行累加，形成最后的检测结果图并输出，其中，0<j≤N，N为步骤数量且N为自然数。

本发明实施例的快速高信噪比的光声成像方法与前述实施例的本发明实施例的快速高信噪比的光声成像方法相比，通过在每次入射的过程中在多个地方实现聚焦，与前述每次仅在一个区域聚焦相比，降低了完成测试所需要的入射次数。这样，既满足了每次入射过程中利用区域聚焦增强对比度的要求，又降低了测试时间，加快了测试速度。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的快速高信噪比的光声成像系统的布置示意图；

图2是本发明一个实施例的对入射光束的空间强度进行调制说明示意图；

图3是本发明一个实施例的空间光调制转盘的结构示意图；

图4是本发明一个实施例的快速高信噪比的光声成像方法的成像示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

以下结合附图描述本发明。

图1是本发明一个实施例的快速高信噪比的光声成像系统的布置示意图。如图1所示，根据本发明实施例的快速高信噪比的光声成像系统，包括脉冲激光光源1、空间光强度调制模块3、光强控制模块4、超声探头7、声信号处理模块8和整体控制模块9。

其中，脉冲激光光源1发出均匀脉冲激光2，该均匀脉冲激光2照射到空间光强度调制模块3上，光强控制模块4通过数据线与空间光强度调制模块3相连，并控制空间光强度调制模块3对入射的均匀光束2进行调制，调制后的光束5照射到待测样品6上，光束所激发的声信号被超声探头7接收，声信号进一步传输给声信号处理模块8进行处理并形成检测结果图，整体控制模块9通过数据线分别与脉冲激光光源1、光强控制模块4和声信号处理模块8相连。

图2是本发明一个实施例的对入射光束的空间强度进行调制说明示意图。在图2中，黑色框区域内为样品，白色表示有光线射入。

图2(a)为传统光声成像方法入射光在样品待测区域上的光强度分布图(观察方向与入射光平行)，传统的光声成像方法没有对入射光的空间强度进行调制，可看出传统光声方法在待测区域上光强为均匀分布；图2(b)为本发明所提出的光声成像方法在样品待测区域上所产生的光强分布，可以看出，本发明利用空间光调制模块3，使得在当前第i测量步，样品待测区域仅有某一处位置P_i(x,y)有光射入，而其余地方的光强被调制为0，其中x和y分别为光照射位置的横坐标和纵坐标，i为当前测量步的编号，且0<i≤N，N为整个测试过程中，控制光照射点逐步扫描完整个待测区域所需要的总步长数(如图2(c)所示)。

本发明首先提供一种基于振幅调制的空间光调制器完成该类型调制，其原理在于：通过程序控制调制器表面的各个区域材料晶粒取向等方法，可使得入射光在到调制器表面并反射的过程中，其增幅按照程序的控制完成幅度为100％到0％的衰减。需要说明的是，该类型空间光调制器可以在程序的控制在，在调制器表面不同区域形成不同的衰减程度。亦即，可以通过控制某区域光强衰减为0％，而其他区域光强衰减为100％，进而可以到达本发明所提出的局部照射效果。

图3是本发明一个实施例的空间光调制转盘的结构示意图。如图3所示，在本发明的一个实施例中，空间光调制模块3为空间光调制转盘，空间光调制转盘的圆周上分布有多个区域，每个区域与入射光形状一致，每个区域内部均设置有透光孔，所火速透光孔透光而其他位置不透光。

当光束照射在某区域时，可通过透光小孔的位置，来使得光束仅仅照射在某一区域，进而实现局部区域照射效果。进一步的，通过旋转转盘，可以改变光束的局部照射位置；并通过合理设置小孔的位置分布，使得在转盘旋转的过程中，激光光点能逐步完成对待测区域的扫描。这种转盘的优势在于，成本低且光束聚焦控制效果好。

进一步地，本发明还提出了一种快速高信噪比的光声成像方法，包括上述实施例的快速高信噪比的光声成像系统，该方法包括以下步骤：

S1：整体控制模块9控制脉冲激光光源1发出均匀激光；

S2：整体控制模块9发出指令，控制光照射点的位置开始扫描过程，通过光强控制模块4和空间光强度调制模块3，使得激光局部照射在待测区域的设定扫描点P_i，i为当前测试步编号；

S3：调制后的激光射入样品，样品内部产生声信号并被超声探头7捕捉；

S4：声信号处理模块8处理超声探头7产生信号，并形成当前步的检测结果图R_i；

S5：重复步骤S2-S4，直至激光点扫描完整个待测区域，此时，整个激光扫描过程在待测区域上所产生的光强累加应该为均匀分布，即如图2(c)所示；

S6：整体控制模块9存储上述扫描步所形成的各步检测结果图R_i，其中0<i≤N，并将所有结果进行累加，形成最后的检测结果图并输出。

进一步地，本发明还提出了另一种快速高信噪比的光声成像方法，包括上述实施例的快速高信噪比的光声成像系统，该方法包括以下步骤：

A：整体控制模块9控制脉冲激光光源1发出均匀激光；

B：整体控制模块9发出指令，控制光照射点的位置开始扫描过程，通过光强控制模块4和空间光强度调制模块3，使用空间光调制器调制照射在样品上的光强分布为随机，亦即各点的光强为I_j(x,y)，j为当前测试步的编号，且0<j≤M，M为总的测试步长，这里各次入射的光强满足ΣI_j(x,y)＝I_total，I_total为在整个M次测试过程中，待测区域上每个测试点处的光强累计之和；

C：调制后的激光射入样品，样品内部产生声信号并被超声探头7捕捉；

D：声信号处理模块8处理超声探头7产生信号，并形成当前步的检测结果图R_j；

E：重复B-D，直至激光点扫描完整个待测区域；

F：整体控制模块根据各步检测结果图R_j并将所有结果进行累加，形成最后的检测结果图并输出，其中，0<j≤N，N为步骤数量且N为自然数。

图4是本发明一个实施例的快速高信噪比的光声成像方法的成像示意图。可以看出，上述测试过程中，通过在每次入射的过程中在多个地方实现聚焦，与前述每次仅在一个区域聚焦相比，降低了完成测试所需要的入射次数。这样，既满足了每次入射过程中利用区域聚焦增强对比度的要求，又降低了测试时间，加快了测试速度。

另外，本发明实施例的快速高信噪比的光声成像系统及成像方法的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (5)

1.一种快速高信噪比的光声成像系统，其特征在于，包括脉冲激光光源、空间光强度调制模块、光强控制模块、超声探头、声信号处理模块和整体控制模块，其中，

所述脉冲激光光源，用于发出脉冲激光照射所述空间光调制模块；

所述光强控制模块，与所述空间光强度调制模块相连，用于控制所述空间光强度调制模块对入射的光束进行调制；

所述超声探头，用于接收调制后的光束照射到待测样品上所激发的声信号；

所述声信号处理模块，与所述超声探头连接，用于对所述声信号进行处理并形成检测结果图；

所述整体控制模块，分别与所述脉冲激光光源、所述光强控制模块和所述声信号处理模块连接，用于对所述脉冲激光光源、所述光强控制模块和所述声信号处理模块进行控制。

2.根据权利要求1所述的快速高信噪比的光声成像系统，其特征在于，所述脉冲激光光源发出的脉冲激光为均匀脉冲激光。

3.根据权利要求1所述的快速高信噪比的光声成像系统，其特征在于，所述空间光调制模块为空间光调制转盘，所述空间光调制转盘的圆周上分布有多个区域，每个所述区域与入射光形状一致，每个所述区域内部均设置有透光孔，所述透光孔透光而其他位置不透光。

4.一种快速高信噪比的光声成像方法，其特征在于，包括权利要求1-3中任一项所述的快速高信噪比的光声成像系统，该方法包括以下步骤：

S1：所述整体控制模块控制所述脉冲激光光源发出均匀激光；

S2：所述整体控制模块控制光照射点的位置开始扫描过程，通过所述光强控制模块和所述空间光强度调制模块使得激光局部照射在待测区域的设定扫描点P_i，i为当前测试步编号；

S3：调制后的激光射入所述待测样品，以在待测样品内部产生声信号，并通过所述超声探头捕捉所述声信号；

S4：所述声信号处理模块根据所述声信号得到当前步的检测结果图R_i；

S5：重复S2-S4，直至激光点扫描完整个待测区域；

S6：所述整体控制模块根据各步检测结果图R_i并将所有结果进行累加，形成最后的检测结果图并输出，其中，0<i≤N，N为步骤数量且N为自然数。

5.一种快速高信噪比的光声成像方法，其特征在于，包括权利要求1-3中任一项所述的快速高信噪比的光声成像系统，该方法包括以下步骤：

A：所述整体控制模块控制所述脉冲激光光源发出均匀激光；

B：所述整体控制模块控制光照射点的位置开始扫描过程，通过所述光强控制模块和所述空间光强度调制模块设在所述待测样品上的光强为I_j(x,y)且各次入射的光强满足ΣI_j(x,y)＝I_total，其中，为当前测试步的编号，且0<j≤M，M为总的测试步长，I_total为在整个M次测试过程中，待测区域上每个测试点处的光强累计之和；

C：调制后的激光射入所述待测样品，以在待测样品内部产生声信号，并通过所述超声探头捕捉所述声信号；

D：所述声信号处理模块根据所述声信号得到当前步的检测结果图R_j；

E：重复B-D，直至激光点扫描完整个待测区域；

F：所述整体控制模块根据各步检测结果图R_j并将所有结果进行累加，形成最后的检测结果图并输出，其中，0<j≤N，N为步骤数量且N为自然数。