CN108606777B - 基于可调聚焦型光纤传感器的光声计算层析成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于可调聚焦型光纤传感器的光声计算层析成像系统，系统包括短脉冲激光器、反射镜、扩束器、水箱、被测物体、光纤夹持器、可调聚焦型光纤传感器、旋转步进电机、光电探测器、数据采集卡以及计算机。短脉冲激光器发射出短脉冲激光，照射到被测物体，被测物体由于光声效应产生超声波，光纤传感器接收超声波并将其转换为光信号，经光电探测器和数据采集卡处理后传输到计算机并重建得到二维层析图像，再配合线性平移台控制被测物体轴向移动，得到三维层析图像。本发明提供的可调聚焦型光纤传感器结构简单、曲率可调，不仅提高了传感器灵敏度，也适合应用于光声计算层析成像系统。

Description

基于可调聚焦型光纤传感器的光声计算层析成像系统

技术领域

本发明属于光声成像领域，特别涉及基于可调聚焦型光纤传感器的光声计算层析成像系统。

背景技术

光声成像是近年来快速发展的一种无损伤式的医学成像方法。这种“光学激发、声学探测”的成像技术，结合了光学成像的高分辨率、高对比度和声学成像的高穿透能力的特点，为组织深处的生理、病理过程的观测提供了强有力的技术手段。

光声计算层析成像(Photoacoustic Computed Tomography,PACT)是光声成像的一类分支。在PACT中，对被观测物进行环形探测是一种主要的实现方式，适合应用于一些小动物全身成像，和部分关节成像等等。现阶段常见的超声传感器是基于压电式的传感器。由于这类商业传感器的体积较大，通常为数毫米直径，使得探测阵列的传感单元数量受到限制，而且在后期图像重建中，会影响到被观测物边缘部分的重建效果。同时在实际应用中，为了追求更大数值孔径和更高的纵向分辨率，这类传感器往往被设计成聚焦状态，但是一旦被设计好，在实验后期想要根据实际需要改变，就很难操作了。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术缺点与不足，提供基于可调聚焦型光纤传感器的光声计算层析成像系统，本发明将可调聚焦型光纤传感器应用于光声计算层析成像系统，该传感器不仅具有结构简单紧凑、易于调节且曲率可变的优点，而且提高了灵敏度，更易应用到光声层析成像。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

基于可调聚焦型光纤传感器的光声计算层析成像系统，其特征在于：

所述系统具体包括：短脉冲激光器、反射镜、扩束器、水箱、被测物体、光纤夹持器、可调聚焦型光纤传感器、旋转步进电机、光电探测器、数据采集卡以及计算机。

所述计算机通过数据采集卡对外设有三个控制端，第一控制端控制短脉冲激光器的脉冲光输出频率，第二控制端控制旋转步进电机的步长，第三控制端控制数据采集卡的数据采集速率；上述三个控制端同步后，短脉冲激光器发射出短脉冲激光，经过反射镜反射以及扩束器扩束后，入射到放置于水箱中的被测物体，被测物体由于光声效应，产生超声波，水作为超声波的传播介质；固定在光纤夹持器上的光纤传感器接收超声波并将其转换为光信号，与光纤连接的光电探测器进行光电信号转换，并将电信号传输到数据采集卡，最终数据采集卡将数据传输到计算机，通过重建算法得到二维层析图像，再配合旋转步进电机控制被测物体轴向移动，得到三维层析图像。

进一步地，所述光电夹持器固定在旋转电机上，所述被测物体放置于水箱中，并位于聚焦光纤的焦点位置。

进一步地，所述可调聚焦型光纤传感器的敏感单元为光纤。

进一步地，所述的光纤传感器是聚焦型弧形装填，可用具有曲率可调的弧形光纤夹持器固定，在一定范围内，可以根据被测物体或实验中的实际要求，改变光纤的曲率，进而得到不同的纵向分辨率，改变光纤的聚焦状态。

进一步地，为了得到更高的灵敏度，尽量保持被测物体的位置与聚焦光纤传感器的焦点位置相重合。

进一步地，在聚焦型光纤焦点的水平线上，声信号到光纤的每一处的相位都相同，在光纤处进行一个有效的相位叠加。

更进一步地，通过将光纤围绕被测物体旋转，相当于将该水平线上的声信号进行有效叠加，得到二维层析图像，具体步骤包括：

当数据采集卡采集N组数据时，每个短脉冲激光间隔的时间与旋转步进电机旋转360/N度的时间相同，在每个360/N度处，采集卡在一定采样率下采集一组数据，经数据处理后得到一个位置的XY平面的重构图；在旋转步进电机旋转360度后，得到N组采样数据，数据处理后得到二维层析图像。

更进一步地，通过设置多个相同聚焦光纤传感器构成的阵列进行同时探测，得到二维层析图像，具体步骤为：

采集N组数据，在每个360/N度处设置一个光纤传感器，N个光纤传感器的焦点聚集在一点，将被测物体放置在光纤传感器焦点聚集处；激光脉冲每次发射时，位于每个传感器在数据采集卡设置的一定采样率下同时采集一组数据，每组数据经过数据处理后得到一个位置的XY平面的重构图，N个传感器得到N组数据，数据处理后得到二维层析图像。

进一步地，系统中所使用的传感器单元为可调聚焦型光纤传感器，包括：光纤光栅型传感器、光纤相位型传感器、光纤激光型传感器等。当受到外界压力的扰动时，会引起光纤传感器的折射率变化，具体表现形式为光纤光栅的共振峰波长变化、相位型传感器的干涉变化或激光传感器的拍频变化。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明克服了传统的商用传感器在体积和结构上的不足，实现了基于可调聚焦型光纤传感器的光声计算层析成像系统。该系统的传感器，结构更简单紧凑，更易于调节且曲率可变。

2、本发明中采用的传感器是基于光纤的传感器，普通的单模光纤直径只有125μm，相比于传统的压电陶瓷传感器来说，体积足够小巧。

3、在本发明的层析成像系统中，由于光纤所在轴向是垂直于层析面，对于一个层析面的二维重建，接近传感器部分的被测物体图像重建不会产生虚影，因为光纤尺寸小，不会影像到边缘部分重建的效果；而且对于探测阵列的分布来说，可以允许设置多数量的环形阵列传感器来提高重建图像的对比度，充分发挥了光纤体积小的优势。

附图说明

图1为本发明基于可调聚焦型光纤传感器的光声计算层析成像系统图；

图2为本发明实施例的可调聚焦型光纤传感器的示意图；

图3(a)、3(b)分别为本发明实施例的非聚焦型传感器与聚焦型传感器的结构原理图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1所示为基于可调聚焦型光纤传感器的光声计算层析成像系统图，具体包括：

短脉冲激光器1发射脉冲频率为F的激光，经过反射镜2反射以及扩束器3扩束后，入射到放置于水箱中的被测物体4，被测物体4由于光声效应，产生超声波，水作为超声波的传播介质；所述超声波被固定在光纤夹持器5上的光纤传感器6所接收并转换为光信号，与光纤连接的光电探测器7进行光电信号转换，并将电信号传输到数据采集卡8，数据采集卡8将数据传输到计算机9。光纤夹持器5固定在旋转步进电机10上，旋转步进电机10带动光纤夹持器5旋转，使得固定在光纤夹持器5上的光纤传感器6围绕被测物体4进行360度环形探测，计算机9通过数据采集卡8同时控制短脉冲激光器1、旋转步进电机10以及数据采集速率。假定设置采集N组数据，每个激光脉冲间隔的时间与旋转步进电机10旋转360/N度的时间相同，在每个360/N度处，数据采集卡8在一定的数据采集速率下采集1组数据，经过数据处理后得到一个位置的XY平面的重构图，再配合线性平移台控制被测物体4的轴向移动，得到三维层析图像。

如图2所示为可调聚焦型光纤传感器的示意图，光纤11固定在光纤夹持器上，能够根据被测物体以及实验中的实际要求随时进行调节，从而改变光纤的聚焦状态，具体包括焦距f和束腰半径r。

如图3(a)、3(b)所示，为非聚焦型传感器与聚焦型传感器的结构对比图。声源12发出的球面超声波13，作用到非聚焦型传感器14。由于球面波13的波长较短，并且会随着传播距离的发散，使得作用到传感器14的每一个作用点的相位都不相同，难以在长度方向上形成有效的相位叠加。当位于焦点的声源15发出的球面超声波16作用于聚焦型传感器17时，到传感器17上的每一个作用点的相位都相同，可以做一个有效的能量叠加，从而得到更高的灵敏度。即如图1中，样品位于聚焦光纤的焦点附近，在经过焦点的Y轴沿线上，都可以得到有效的相位叠加，再经过重建算法得到二维层析图像，最后再配合线性平移台控制样品物体轴向运动，得到三维成像。

实施例2：

系统组成具体包括：短脉冲激光器、扩束器、被测物体、水箱、N组光纤夹持器、N组相同参数的聚焦型光纤传感器、线性平移台、光电探测器、数据采集卡以及计算机。

进一步地，所述每根光纤传感器固定在相应光纤夹持器上；

这类环形探测的具体步骤包括：

假定采集N组数据，在每个360/N度处设置一个光纤传感器，N个光纤传感器的焦点聚集在一点，将被测物体放置在光纤传感器焦点聚集处。激光脉冲每次发射时，位于每个传感器在数据采集卡设置的一定采样率下同时采集一组数据，每组数据经过数据处理后得到一个位置的XY平面的重构图，N个传感器得到N组数据，数据处理后得到二维层析图像。

得到二维层析图像后，再配合线性平移台控制被测物体轴向移动，得到三维成像。

其余部分与实施例1相同。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于可调聚焦型光纤传感器的光声计算层析成像系统，其特征在于：

所述系统包括短脉冲激光器、反射镜、扩束器、水箱、被测物体、光纤夹持器、可调聚焦型光纤传感器、旋转步进电机、线性平移台、光电探测器、数据采集卡以及计算机；

所述计算机通过数据采集卡对外设有三个控制端，第一控制端控制短脉冲激光器的脉冲光输出频率，第二控制端控制旋转步进电机的步长，第三控制端控制数据采集卡的数据采集速率；上述三个控制端同步后，短脉冲激光器发射出短脉冲激光，经过反射镜反射以及扩束器扩束后，入射到放置于水箱中的被测物体，被测物体由于光声效应，产生超声波，水作为超声波的传播介质；固定在光纤夹持器上的光纤传感器接收超声波并将其转换为光信号，与光纤连接的光电探测器进行光电信号转换，并将电信号传输到数据采集卡，最终数据采集卡将数据传输到计算机，通过重建算法得到二维层析图像，再配合线性平移台控制被测物体轴向移动，得到三维层析图像；

所述光纤传感器为聚焦型弧形状态，使用具有曲率可调的弧形光纤夹持器固定。

2.根据权利要求1所述的基于可调聚焦型光纤传感器的光声计算层析成像系统，其特征在于：所述光电夹持器固定在旋转电机上，所述被测物体放置于水箱中，并位于聚焦光纤的焦点位置。

3.根据权利要求1所述的基于可调聚焦型光纤传感器的光声计算层析成像系统，其特征在于：所述可调聚焦型光纤传感器的敏感单元为光纤。

4.根据权利要求2所述的基于可调聚焦型光纤传感器的光声计算层析成像系统，其特征在于：位于聚焦型光纤焦点的水平线上的声信号，到光纤的每一处的相位都相同，从而能够进行一个有效的相位叠加。

5.根据权利要求4所述的基于可调聚焦型光纤传感器的光声计算层析成像系统，其特征在于，得到二维层析图像的方法是通过将光纤传感器围绕被测物体旋转，相当于将该水平线上的声信号进行有效叠加，具体步骤包括：

所述旋转步进电机带动固定于光电夹持器上的光纤传感器，光纤传感器围绕被测物体进行360度环形探测，采样N组数据，每个激光脉冲间隔的时间与旋转步进电机旋转360/N度的时间相同，在每个360/N度处，数据采集卡在设置的采样率下采集一组数据，经数据处理后得到一个位置的XY平面的重构图；旋转步进电机旋转360度后，得到N组采样数据，处理后得到二维层析图像。

6.基于可调聚焦型光纤传感器的光声计算层析成像系统，其特征在于：

所述系统包括短脉冲激光器、反射镜、扩束器、水箱、被测物体、光纤夹持器、可调聚焦型光纤传感器、线性平移台、光电探测器、数据采集卡以及计算机；

所述计算机通过数据采集卡对外设有两个控制端，第一控制端控制短脉冲激光器的脉冲光输出频率，第二控制端控制数据采集卡的数据采集速率；上述两个控制端同步后，短脉冲激光器发射出短脉冲激光，经过反射镜反射以及扩束器扩束后，入射到放置于水箱中的被测物体，被测物体由于光声效应，产生超声波，水作为超声波的传播介质；

通过设置多个相同聚焦光纤传感器构成的阵列进行同时探测，步骤为：

采集N组数据，在每个360/N度处设置一个光纤传感器，N个光纤传感器的焦点聚集在一点，将被测物体放置在光纤传感器焦点聚集处；激光脉冲每次发射时，位于每个传感器在数据采集卡设置的一定采样率下同时采集一组数据，每组数据经过数据处理后得到一个位置的XY平面的重构图，N个传感器得到N组数据，数据处理后得到二维层析图像；

再配合线性平移台控制被测物体轴向移动，得到三维层析图像；

所述光纤传感器为聚焦型弧形状态，使用具有曲率可调的弧形光纤夹持器固定。

7.根据权利要求6所述的基于可调聚焦型光纤传感器的光声计算层析成像系统，其特征在于：可调聚焦型光纤传感器为以下所述的任意一种：光纤光栅型传感器、光纤相位型传感器、光纤激光型传感器。

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