CN109141493B - 光驱动的超声探头及其超声成像系统 - Google Patents

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Abstract

一种光驱动的超声探头及其超声成像系统，接收超声信号的法布里‑玻罗(F‑P)腔(106)位于光声发射器(101)的中央。光声发射器(101)包括产生超声的光声转化薄膜(102)、透明基底(103)、支撑光声转化薄膜(102)及透明基底(103)的支撑底座(104)。光声转化薄膜(102)涂覆在透明基底(103)上表面，透明基底(103)的下表面与支撑底座(104)的前表面熔接。在透明基底的上表面依次沉积光吸收层和热弹性层。应用光驱动超声探头的超声成像系统将阵列脉冲激光束转化为脉冲超声，辐射到目标体上。从目标体反射的超声回波到达光驱动的超声探头的法布里‑玻罗(F‑P)腔，探测激光进入超声探头的法布里‑玻罗(F‑P)腔腔头，探测超声压力引起的法布里‑玻罗(F‑P)腔的腔长变化。

Description

光驱动的超声探头及其超声成像系统
技术领域
本发明涉及一种超声相控阵探头及其超声成像系统。
背景技术
超声技术广泛应用于工业无损检测、医学诊断与治疗、水下通信与定位、材料检测与分析等领域，在社会生活和工业生产中发挥了重要作用。目前，超声主要通过电驱动的超声换能器产生，电驱动的超声换能器是一种电能向声能变换的器件，按能量变换的原理和所采用的材料的不同又可分为压电式、电容式、机械式以及磁致伸缩式换能器。近年来，相控阵超声医学检测得到广泛发展和应用，由于相控阵超声无需复杂的机械扫查装置，可以灵活有效地控制声束，且各声束在焦点处相干叠加，检测信号的信噪比高等优点，已经成为常规的医学筛查手段。
作为相控阵超声成像系统的关键部件，相控阵超声探头发挥了重要的作用。目前，这种相控阵超声探头主要由压电阵元构成，每个压电阵元由电极连接，以发射和接收电信号，且现有的相控阵超声探头的电磁兼容特性较差。同时，现有商业相控阵超声探头通常将发射阵元和接收阵元集成到一个阵列中，连接线通过总线连接到图像采集单元。这样，同时传输的发射阵元的高电压驱动信号和接收阵元的微弱声电转换信号之间不可避免的存在信号串扰现象，影响成像质量和精度。此外，超短脉冲、高频、宽频带电子超声换能器设计复杂，制作难度大。
相比于传统的电驱动方式的超声换能器件，基于热弹效应的光致超声薄膜换能器因其诸多优良特性而引起了越来越多的关注。这种光驱动的超声产生方式是通过脉冲激光与光吸收物质的相互作用后，光吸收物质将光能转化为热能，由于材料的热弹效应而使物质发生弹性膨胀和收缩进而产生超声波。为了减小由热声效应得到的超声波发射时的衰减，这种光驱动的超声换能器通常由沉积在玻璃或其他透明衬底上的一层薄膜构成。这种由激光激励薄膜材料产生超声的换能器件由于没有电子元件因而具有抗电磁干扰的特性。当这种光驱动的薄膜超声换能器选用转换系数较高的材料及薄膜厚度合理的情况下，产生的超声带宽和声强分别与激光的脉冲宽度和峰值功率有关。因此，选择纳秒或更快的脉冲激光就有可能产生频带很宽的超声波以及足够高的声压强。在超声成像应用中，宽频带超声更容易得到高分辨率图像，高强度声压意味着更大的成像深度。
目前，这种基于热声效应的光驱动超声换能器件的主要研究课题是寻找一种高的光声转化复合材料，以及控制薄膜材料厚度的制作工艺问题。在已有的文献中，科研人员已经选择先进纳米材料如碳纳米管、炭黑和石墨烯等作为光热转化介质，而将具有高热弹性系数的聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为热声转化材料，将这两种或多种高转化系数的光热和热声材料集成为一体，以此构成复合薄膜光声换能传感器件(Hyoung Won Baac,Jong G.Ok,Hui Joon Park,Tao Ling,Sung-Liang Chen,A.John Hart,and L.Jay Guo,“Carbonnanotube composite optoacoustic transmitters for strong and high frequencyultrasound generation”，Applied Physics Letters,DOI:10.1063/1.3522833；SeokHwan Lee,Yongseon Lee,and Jack J.Yoh,“Reduced graphene oxide coatedpolydimethylsiloxane film as an optoacoustic transmitter for high pressureand high frequency ultrasound generation”,Applied Physics Letters，DOI:10.1063/1.4913970)。这种光驱动的复合薄膜超声换能器的厚度通常在1μm到几十μm之间，如美国专利9459138B2和中国专利CN107474267A，通过合理控制薄膜材料厚度可以产生高强度的超声波。
此外，目前设计开发的光致超声换能器或光声探头都只是基于超声发射单一模式的光驱动超声换能器件，超声回波的接收依然需要使用具有高频带宽功能的压电超声探头，反而使得整个超声成像系统变得极为复杂与庞大。
例如，在使用高频压电超声探头接收超声回波时，需要解决与单一发射超声模式的光声换能器带宽匹配的问题，具有低带宽的压电换能器不具有接收超声高频部分信息的能力，而通常光声换能器产生的脉冲超声具有大带宽特性，这给接收超声换能器的选择带来极大困难。
因而，重要的是如何实现这种光驱动的超声相控阵探头，通过控制各光束发射的时间延迟，达到控制超声波相位延迟的目的，以此实现波束聚焦、偏转、波束成形等多种相控效果，同时避免传统的电子超声相控阵探头所固有的线路串扰等弊端，以及如何同时实现超声的光学接收，并且实现使用这种超声探头的超声成像装置。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的缺点或不足，本发明提出一种光驱动的超声探头及其超声成像系统。
本发明用于超声成像系统的光驱动的超声探头由发射超声的光声发射器和接收超声信号的法布里-玻罗(F-P)腔构成。接收超声信号的法布里-玻罗(F-P)腔位于光声发射器的中央。
所述的光声发射器包括产生超声的光声转化薄膜、透明基底，以及用于支撑光声转化薄膜和透明基底的支撑底座。光声转化薄膜涂覆在透明基底的上表面，透明基底的下表面与玻璃材质的支撑底座的前表面熔接。
所述的光声转化薄膜由光吸收层和热弹性层构成，在透明基底的上表面依次通过物理或化学方法沉积光吸收层和热弹性层，形成自下而上为透明基底、光吸收层和热弹性层的三层结构。
所述的透明基底可以但不局限为石英玻璃。
所述的光吸收层由光热转化材料构成，所述的光热转化材料有较高的热传导率；热弹性层由热膨胀材料构成，所选的热膨胀材料有较高的热膨胀系数。高热导率的光热转化材料和高热膨胀系数的热膨胀材料能提高光声转化薄膜的光声转换效率。
光声转化薄膜在由脉冲激光器发射的脉冲激光辐射下，所述的光吸收层将脉冲光能吸收转化为脉冲热能，脉冲热能向热弹性层扩散并导致热弹性层受热膨胀，脉冲热能扩散后又导致热弹性层的收缩，从而热弹性层产生脉冲超声波。所述的光吸收层为金纳米粒子或纳米碳基材料或其组合。
所述的热弹性层为聚二甲基硅氧烷聚合物(PDMS)。
所述的光声发射器的支撑底座用于支撑光声转化薄膜和透明基底，以及容纳第一传输光纤。支撑底座形状为方形或圆柱形。支撑底座上分布有通孔，以插入传输入射光的第一传输光纤。支撑底座的制作材料为玻璃材质。所述的透明基底的下表面与支撑底座的前端面熔接在一起。
所述的法布里-玻罗(F-P)腔由腔头、腔体和第二传输光纤组成，用于接收超声信号。
所述的腔头由两层结构构成。自上而下第一层为单晶硅片，用作弹性膜片，感受超声压力，单晶硅片的内表面构成法布里-玻罗(F-P)腔的第一个反射面；第二层为百丽耐热玻璃(Pyrex玻璃)片，百丽耐热玻璃片在单晶硅片之下。第一层的单晶硅片和第二层的百丽耐热玻璃片构成了法布里-玻罗(F-P)腔的腔头。百丽耐热玻璃片为环形，中间有通孔，通孔的厚度决定法布里-玻罗腔的初始长度。没有声压时，法布里-玻罗(F-P)腔的长度和百丽耐热玻璃片通孔的长度相等；当有声压时，声压挤压单晶硅片，使得法布里-玻罗(F-P)腔的长度略低于百丽耐热玻璃片通孔的长度。用激光测得法布里-玻罗腔(F-P)腔的变化得到声压的变化。这是法布里-玻罗(F-P)腔的工作原理。
所述的法布里-玻罗(F-P)腔腔体的中央部位开有一个轴向通孔，腔体的制作材料是Pyrex玻璃或者其他玻璃材料，该腔体的前端面与腔头第二层的百丽耐热玻璃(Pyrex玻璃)片的后端面熔接在一起。
所述的第二传输光纤插入法布里-玻罗(F-P)腔腔体中央部位的轴向通孔中，用来传输入射光和出射光，第二传输光纤的前端面与腔体的前端面齐平，共同构成法布里-玻罗(F-P)腔的第二个反射面。
当超声压力作用在腔头上的单晶硅片时，单晶硅片发生形变，从而改变单晶硅片的内表面和第二传输光纤的前端面之间的距离，即法布里-玻罗腔腔长。利用光谱仪观察从传输光纤传输的入射光和出射光的干涉图形，在光谱仪的作用下将超声压力信息转化为腔长传感信息。
所述的光声发射器的中央沿轴向开有孔，所述的法布里-玻罗(F-P)腔位于此孔中。法布里-玻罗(F-P)腔腔头的单晶硅片与光声发射器的光声转化薄膜共同构成超声探头的上表面，法布里-玻罗(F-P)腔腔体嵌入光声发射器的支撑底座的中央通孔内，与光声发射器的支撑底座构成超声探头的下表面，形成全光驱动相控阵超声探头。光驱动相控阵超声探头的光声发射器受到脉冲激光器入射的激光激励后产生超声，超声传播到目标体后反射回光驱动相控阵超声探头的法布里-玻罗(F-P)腔的腔头，使单晶硅片发生形变，引起法布里-玻罗(F-P)腔腔长的变化。探测激光入射到F-P腔中感测腔长的变化，从而感知超声压力信息。
光声转化薄膜和法布里-玻罗(F-P)腔的腔头之间开有环形沟道，该环形沟道位于所述光驱动超声探头的上表面，围绕光声发射器中央的孔布置。所述的光声转化薄膜和法布里-玻罗(F-P)腔腔头通过环形沟道隔离，以避免相互间影响。
本发明光驱动超声探头还包括用于支撑产生超声的光声发射器和接收超声的F-P腔的外壳，光驱动超声探头的外壳包裹在光声发射器和法布里-玻罗(F-P)腔的四周，起固定作用。
本发明光驱动超声探头的超声成像系统包括参数输入单元、控制单元、驱动激光器单元、探测激光器单元、光驱动超声探头、图像采集单元、存储器单元、图像处理单元，以及图像显示单元。图像采集单元包括用于解调干涉光的光谱仪。
该超声成像系统各单元间的连接关系如下：参数输入单元的输出端连接至控制单元的输入端，控制单元的输出端分别连接驱动激光器单元、探测激光器单元、图像采集单元、存储器单元和图像处理单元的输入端，以传输操作指令。驱动激光器单元的输出端和探测激光器单元的输出端通过光纤连接到光驱动超声探头的输入端，光驱动超声探头的输出端通过光纤连接至图像采集单元的输入端，图像采集单元的输出端直接连接至图像处理单元的输入端，图像采集单元的输出端也可以通过串接的存储器单元连接到图像处理单元，图像处理单元的输出端连接到图像显示单元。
光驱动的超声探头贴放在探测目标体的表面。光驱动的超声探头的上表面，即光声发射器的光声转化薄膜与法布里-玻罗(F-P)腔的腔头所处的一侧直接或通过耦合剂与目标体接触。光驱动超声探头的光声发射器通过第一传输光纤与驱动激光器单元相连。第一传输光纤的前端插入光声发射器支撑底座上的通孔中，和光声发射器连接，第一传输光纤的后端连接到驱动激光器单元的激光器阵列的出光口，驱动激光器单元由激光器阵列组成。通常，为了放大激励激光的能量，在传输光纤中串接有掺铒光纤放大器(EDFA)和高功率铒镱共掺双包层光纤放大器(EYDFA)。用于接收超声信号的第二传输光纤的前端插入法布里-玻罗(F-P)腔的腔体通孔中，第二传输光纤的后端面通过环形器分别连接到探测激光器单元和图像采集单元。
本发明超声成像系统的工作原理和工作过程如下：
操作人员将操作指令输入到参数输入单元，控制单元接收到来自参数输入单元的操作指令后开始工作，控制驱动激光器单元发射激励激光，探测激光器单元发射探测激光到光驱动的超声探头。驱动激光器单元发出的激励激光使光驱动超声探头上的光声转化薄膜产生脉冲超声，并辐射到目标体上。从目标体反射的超声回波到达光驱动的超声探头的法布里-玻罗(F-P)腔上，由探测激光器单元发出的探测激光通过环形器后进入超声探头的法布里-玻罗(F-P)腔腔头，探测超声压力引起的法布里-玻罗(F-P)腔的腔长变化，之后再经过环形器传输到图像采集单元进行信息解调，然后送入存储器单元以存储数据或送入图像处理单元成像，目标体的图像传输到图像显示单元以用于显示。
控制单元控制驱动激光器单元的激光器阵列延时触发脉冲激励激光，可以控制光驱动的超声探头发射相控阵超声波束。延时发射的的激励激光通过传输光纤入射到光声发射器的光声转化薄膜上，在光声转化薄膜的每个光辐射区域产生脉冲超声波。这些不同时刻发射的脉冲超声波构成了具有聚焦、偏转等效果的合成超声波束。
本发明相控超声的发射和目标信号的接收都由激光束驱动，能够与电磁设备兼容，可替代压电超声换能器应用于复杂电磁环境中，如与MRI成像设备集成，大大扩展了超声应用的范围。而且，激光产生的超声具有高频、宽频带超声的特征，通过控制脉冲激励光的驱动发射时间，达到控制超声波相位延迟的目的，可以控制合成波阵面的曲率、指向、孔径等，达到波束聚焦、偏转、波束成形等多种相控效果，形成清晰的图像。
附图说明
图1光驱动超声探头结构示意图，其中图1a为光驱动超声探头的侧视剖面图，图1b为底座为方形的光驱动超声探头的正视图，图1c为底座为圆形的光驱动超声探头的正视图；
图2光驱动的超声成像系统的结构框图；
图3延时触发脉冲激光阵列产生相控超声原理示意图；
图4光驱动超声探头功能示意图，其中图4a为阵列激光束入射到超声探头中的光声转化薄膜示意图；图4b为光驱动超声探头的光声发射器发射相控聚焦超声示意图；
图5为光驱动超声探头的F-P腔探测超声压力原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
本发明光驱动超声探头204由发射超声的光声发射器101和接收超声的法布里-玻罗(F-P)腔106构成。法布里-玻罗(F-P)腔106位于光声发射器101的中央。
法布里-玻罗(F-P)腔106的上表面和光声发射器101的上表面共同构成光驱动超声探头204的前端面。
如图1所示，所述的超声发射器101包括光声转化薄膜102和透明基底103。光声转化薄膜102涂覆在透明基底103的上表面，透明基底103的下表面与玻璃材质的支撑底座104的前表面熔接。支撑底座104上开有通孔，用于放置第一传输光纤105，第一传输光纤105的前端与透明基底103贴合，第一传输光纤105的后端连接到驱动激光器单元。第一传输光纤105传输从驱动激光器单元发射的激励激光到达光声转化薄膜102，光声转化薄膜102发射超声波，通过控制驱动激光器单元发射激励激光的时间达到控制超声波相位延迟的目的，可以控制超声合成波阵面的曲率、指向、孔径等，达到波束聚焦、偏转、波束成形等多种相控效果。
如图1b和图1c所示，支撑底座104的外形有方形和圆形两种形式。
所述的法布里-玻罗(F-P)腔106包括腔头107、腔体108和第二传输光纤109。腔头107是由单晶硅片110和百丽耐热玻璃(Pyrex玻璃)111构成的双层结构。第一层为单晶硅片110，用作弹性膜片，感受超声压力，单晶硅片110的内表面同时构成法布里-玻罗(F-P)腔的第一个反射面；第二层为百丽耐热玻璃(Pyrex玻璃)111，百丽耐热玻璃(Pyrex玻璃)111的形状为环形，中央有通孔，该通孔的厚度决定了法布里-玻罗(F-P)腔的初始长度。百丽耐热玻璃(Pyrex玻璃)111的上表面与单晶硅片110下表面熔接，百丽耐热玻璃(Pyrex玻璃)111的下表面与腔体108上表面熔接。腔体108是中间开有通孔的圆柱形的玻璃结构，用作法布里-玻罗(F-P)腔的支撑结构和第二传输光纤109的容纳结构。腔体108嵌入支撑底座104的中央孔内，与光声发射器的支撑底座104构成超声探头的下表面，形成全光驱动相控阵超声探头。第二传输光纤109插入腔体108的轴向通孔中，第二传输光纤109的前端面与腔体的前端面齐平，构成法布里-玻罗(F-P)腔的第二个反射面。第二传输光纤109的后端连接到探测激光器单元，第二传输光纤109用作传输探测超声光源的通道。光声发射器101和法布里-玻罗(F-P)腔106的前端通过环形沟道112隔离，以免相互影响。环形沟道112处于光驱动超声探头的上表面，位于光声发射器101和法布里-玻罗(F-P)腔106之间，围绕光声发射器101中央的孔布置。光驱动的超声探头还包括用于支撑产生超声的光声发射器101和接收超声的F-P腔106的外壳113，外壳113位于光声发射器101和F-P腔106的四周，起固定作用。
如图2所示，本发明光驱动超声探头的超声成像系统200包括参数输入单元201、控制单元202、驱动激光器单元203、探测激光器单元205、光驱动超声探头204、环形器206、图像采集单元207、图像处理单元209、存储器单元208和图像显示单元210。参数输入单元201的输出端连接到控制单元202的输入端，控制单元202的控制信号输出端通过控制总线分别连接到驱动激光器单元203的控制信号输入端、探测激光器单元205的控制信号输入端、图像采集单元207的控制信号输入端、存储器单元208的控制信号输入端和图像处理单元209的控制信号输入端。驱动激光器单元203的输出端通过第一传输光纤105连接到光驱动超声探头204的输入端，探测激光器单元205的输出端通过第二传输光纤109连接到环形器206，环形器206再分别连接到光驱动超声探头204的采集信号输入端和图像采集单元207的采集信号输入端，图像采集单元207的采集信号输出端分别连接到存储器单元208数据输入端和图像处理单元209输入端，存储器单元208的数据输出端连接到图像处理单元209的输入端，图像处理单元209的输出端连接到图像显示单元210。
光驱动的超声探头204贴放在探测目标体表面。光驱动的超声探头204的前端面，即光声发射器的光声转化薄膜101的上表面与法布里-玻罗(F-P)腔106的腔头所处的一侧直接与目标体接触，或通过耦合剂与目标体接触。光驱动超声探头204的光声发射器通过支撑底座104和第一传输光纤105与驱动激光器单元203相连。用于传输激励激光的第一传输光纤105的前端插入支撑底座104的通孔阵列中，和光声发射器连接，第一传输光纤105的后端连接到驱动激光器单元203的激光器阵列的出光口。为了放大激励激光的能量在第一传输光纤105中串接有掺铒光纤放大器(EDFA)305和高功率铒镱共掺双包层光纤放大器(EYDFA)306，如图3所示。光驱动超声探头204的法布里-玻罗(F-P)腔106的腔体通孔中连接第二传输光纤109的前端，第二传输光纤109的后端通过环形器206分别连接到探测激光器单元205和图像采集单元207。控制单元202控制驱动激光器单元203的激励激光和探测激光器单元205的探测激光的发射。激励激光经第一传输光纤105后入射到光驱动超声探头204中的光声转化薄膜102，探测激光通过第二传输光纤109，先经过环形器206后，入射到光驱动超声探头204中的法布里-玻罗(F-P)腔106，探测激光经法布里-玻罗(F-P)腔106反射后通过第二传输光纤109，经环形器206传输到图像采集单元207中的光谱仪中，以进行光谱分析。图像采集单元207采集的数据传输到存储器单元208，以做日后处理或者传输到图像处理单元209进行目标体成像，图像处理单元209处理后的数据传输到图像显示单元210进行图像的显示。图像采集单元207、存储器单元208和图像处理单元209也分别连接到控制单元202。控制单元202不仅控制超声数据的采集，而且也控制信号和图像的处理。
参数输入单元201接收操作者输入的二维超声切片成像扫描方式等的操作指令，并将操作指令以输入信号形式发送到控制单元202。控制单元202根据参数输入单元201发送的操作输入信号及预先存储的程序和数据，控制超声成像装置的驱动激光器202和探测激光器205、图像采集单元207、图像存储单元208和图像处理单元209的操作。
光驱动超声探头204用于发射和接收超声波。光声转化薄膜102将来自驱动激光器单元203的脉冲激光转化为脉冲超声，通过控制驱动激光器单元203激光器阵列的发射时间达到超声相控阵的效果。合成的相控阵超声波发射到目标体的成像部分，并将从目标体的内部反射的超声回波作为时间序列声线，作用在光驱动超声探头204中央位置的法布里-玻罗(F-P)腔106上，超声回波使得法布里-玻罗(F-P)腔106腔头的单晶硅片110发生形变，从而改变单晶硅片110的内表面(即第一反射面)与第二传输光纤109的前端面(即第二反射面)之间的距离，即法布里-玻罗(F-P)腔的腔长，将超声压力信息转化为腔长传感信息。由探测激光器单元205发射的宽带探测激光通过第二传输光纤109经环形器206探测法布里-玻罗(F-P)腔的腔长变化，并传输到图像采集单元207。
图像采集单元207将传回的宽带探测激光进行光谱解调，通过求取光谱包络的峰值位置，即可获得法布里-玻罗(F-P)腔的腔长信息，法布里-玻罗(F-P)腔腔长进而可以转化为超声压力信息，并传输到图像处理单元209或写入存储器单元208。
图像处理单元209提取解调的超声压力信息并产生实时的超声图像。
存储器单元208用于存储图像采集单元207和图像处理单元209中产生的目标体的超声图像信息。
图像显示单元210用于显示目标体的超声图像信息。
图3是控制单元时延触发脉冲激光阵列产生相控超声原理示意图。如图3所示，由多台半导体激光器组成的驱动激光器单元203的激光器阵列由控制单元202在不同时延后激励触发信号302，产生具有不同发射时刻的脉冲激光阵列，这些不同发射时序的脉冲激光通过第一传输光纤105耦合后输送到掺铒光纤放大器(EDFA)305进行功率预放大，再送入高功率铒镱共掺双包层光纤放大器(EYDFA)306进行能量放大，随后这些放大的高峰值功率的脉冲激光束入射到光驱动超声探头204上的光声转化薄膜102，产生合成相控超声波，从光驱动超声探头204的前表面发射到目标体。
驱动激光器单元203发射的脉冲激光通过第一传输光纤105入射到光驱动超声探头204的光声转化薄膜102的光吸收层，光吸收层将光能转化为热能后传递到热弹性层，光吸收层产生的热能H为：
H＝(1-R)·I·μeμz (1)
其中，R表示光吸收层的反射系数，μ表示光吸收层的光吸收系数，z表示入射光在光吸收层中传播的距离，I表示入射激光能量，e是自然底数。
热弹性层受热膨胀产生脉冲超声波并向外辐射，热弹性层产生的温度变化可以通过公式2得到：
Figure BDA0001809664870000091
其中，T表示热弹性体的温度，k表示热弹性体的热导率，C表示热弹性体的热传播速度，ρ表示热弹性的密度，CP表示热弹性体的热容，t为时间变量，
Figure BDA0001809664870000095
为矢量运算符。
由于热弹性层温度的改变，其体积V也会随之改变，温度与体积的关系如公式3所示：
Figure BDA0001809664870000092
其中，β是热弹性层的热膨胀系数。体积V与超声波压力P的关系可由公式4得到：
Figure BDA0001809664870000093
其中，VS表示超声波速度，t为时间变量，
Figure BDA0001809664870000094
为矢量运算符。
图4为一种超声相控阵合成聚焦的示意图。驱动激光器单元经控制单元触发时序调制后发射时间不同步的激光束阵列402到达光驱动超声探头上的光声转化薄膜的相应激光入射点401，光声转化薄膜吸收激光阵列能量后产生聚焦超声波束403。
图5为法布里-玻罗(F-P)腔探测超声回波压力的示意图。当成像目标体的内部反射的超声回波501传播到光驱动超声换能器中央的法布里-玻罗(F-P)腔外层单晶硅片110上时，引起单晶硅片110的形变，进而改变法布里-玻罗(F-P)腔106的腔长，从而超声压力信息转变为法布里-玻罗(F-P)腔腔长变化信息。如图5所示，探测激光器发射的探测激光通过第二传输光纤109经环形器206入射到法布里-玻罗(F-P)腔106，并从单晶硅片110的后表面返回，再经环形器206进入传输光纤502后传递到图像采集单元207。图像采集单元207中的光谱仪将传回的宽带激光进行光谱解调，通过求取光谱包络的峰值位置，即可获得法布里-玻罗(F-P)腔的腔长信息。
法布里-玻罗(F-P)腔与其干涉光谱之间的关系式为：
Figure BDA0001809664870000101
其中，d表示法布里-玻罗(F-P)腔腔长，λ1和λ2分别表示光谱包络的两个峰值位置。
法布里-玻罗(F-P)腔腔长进而可以转化为超声压力信息，法布里-玻罗(F-P)腔腔长与超声压力的关系式为：
Figure BDA0001809664870000102
其中，△d为法布里-玻罗(F-P)腔腔长变化量，P表示压力，E表示单晶硅片的杨氏模量，ν是单晶硅片的泊松比，B是腔体直径，C是单晶硅片的厚度。

Claims (11)

1.一种光驱动的超声探头，其特征在于，所述的光驱动的超声探头(204)由发射超声的光声发射器(101)和接收超声信号的法布里-玻罗(F-P)腔(106)构成；接收超声信号的法布里-玻罗(F-P)腔(106)位于光声发射器(101)的中央；所述的光声发射器(101)包括产生超声的光声转化薄膜(102)、透明基底(103)，以及用于支撑光声转化薄膜(102)和透明基底(103)的支撑底座(104)；光声转化薄膜(102)涂覆在透明基底(103)的上表面，透明基底(103)的下表面与玻璃材质的支撑底座(104)的前表面熔接；所述的光声转化薄膜由光吸收层和热弹性层构成，在透明基底的上表面依次通过物理或化学方法沉积光吸收层和热弹性层，形成自下而上为透明基底、光吸收层和热弹性层的三层结构。
2.根据权利要求1所述的光驱动的超声探头，其特征在于，所述的光吸收层由光热转化材料构成；所述的热弹性层由热膨胀材料构成；所述的光吸收层为金纳米粒子或纳米碳基材料或其组合。
3.根据权利要求2所述的光驱动的超声探头，其特征在于，所述的热弹性层为聚二甲基硅氧烷聚合物(PDMS)。
4.根据权利要求1所述的光驱动的超声探头，其特征在于，所述的支撑底座(104)为方形或圆柱形；支撑底座(104)上分布有通孔，用以插入传输入射光的第一传输光纤(105)。
5.根据权利要求1所述的光驱动的超声探头，其特征在于，所述的法布里-玻罗(F-P)腔(106)由腔头(107)、腔体(108)和第二传输光纤(109)组成，用于接收超声信号；
所述的腔头(107)为双层结构，自上而下，第一层为单晶硅片(110)，单晶硅片(110)的内表面构成法布里-玻罗(F-P)腔(106)的第一个反射面；第二层为百丽耐热玻璃片(111)，百丽耐热玻璃片(111)在单晶硅片(110)之下；
所述的法布里-玻罗(F-P)腔腔体(108)的中央部位开有一个轴向通孔，第二传输光纤(109)插入法布里-玻罗(F-P)腔腔体(108)中央部位的轴向通孔中；法布里-玻罗(F-P)腔腔体(108)的前端面与腔头第二层的百丽耐热玻璃片(111)的后端面熔接在一起；所述第二传输光纤(109)的前端面与法布里-玻罗(F-P)腔腔体(108)的前端面齐平，共同构成法布里-玻罗(F-P)腔的第二个反射面。
6.根据权利要求5所述的光驱动的超声探头，其特征在于，所述的百丽耐热玻璃片(111)为环形，中间有通孔，该通孔的厚度决定法布里-玻罗腔的初始长度。
7.根据权利要求1所述的光驱动的超声探头，其特征在于，所述的光声发射器(101)的中央沿轴向开有孔，所述的法布里-玻罗(F-P)腔(106)位于此孔中；法布里-玻罗(F-P)腔(106)的腔头(107)与光声发射器(101)的光声转化薄膜(102)共同构成超声探头的上表面；法布里-玻罗(F-P)腔腔体(108)嵌入光声发射器(101)支撑底座(104)的中央通孔内，与光声发射器(101)的支撑底座(104)构成超声探头的下表面，形成全光驱动相控阵超声探头。
8.根据权利要求7所述的光驱动的超声探头，其特征在于，所述的光声转化薄膜(102)和法布里-玻罗(F-P)腔的腔头(107)之间开有环形沟道(112)，该环形沟道(112)位于所述光驱动超声探头(204)的上表面，围绕光声发射器(101)中央的孔布置；所述的光声转化薄膜(102)和法布里-玻罗(F-P)腔腔头(107)通过环形沟道(112)隔离。
9.根据权利要求1所述的光驱动的超声探头，其特征在于，所述的光驱动超声探头(204)还包括用于支撑光声发射器(101)和法布里-玻罗(F-P)腔(106)的外壳，所述的外壳包裹在光声发射器(101)和法布里-玻罗(F-P)腔(106)的四周。
10.应用权利要求1所述的光驱动的超声探头的超声成像系统，其特征在于，所述的超声成像系统(200)包括参数输入单元(201)、控制单元(202)、驱动激光器单元(203)、探测激光器单元(205)、光驱动超声探头(204)、环形器(206)、图像采集单元(207)、图像处理单元(209)、存储器单元(208)和图像显示单元(210)；参数输入单元(201)的输出端连接到控制单元(202)的输入端，控制单元(202)的控制信号输出端通过控制总线分别连接到驱动激光器单元(203)的控制信号输入端、探测激光器单元(205)的控制信号输入端、图像采集单元(207)的控制信号输入端、存储器单元(208)的控制信号输入端和图像处理单元(209)的控制信号输入端；驱动激光器单元(203)的输出端通过第一传输光纤(105)连接到光驱动超声探头(204)的输入端，探测激光器单元(205)的输出端通过第二传输光纤(109)连接到环形器(206)，环形器(206)再分别连接到光驱动超声探头(204)上的法布里-玻罗(F-P)腔和图像采集单元(207)的采集信号输入端，图像采集单元(207)的采集信号输出端分别连接到存储器单元(208)的数据输入端和图像处理单元(209)的输入端，存储器单元(208)的数据输出端连接到图像处理单元(209)的输入端，图像处理单元(209)的输出端连接到图像显示单元(210)。
11.根据权利要求10所述的超声成像系统，其特征在于，所述的光驱动的超声探头(204)贴放在探测目标体的表面，光驱动的超声探头(204)的上表面，即光声发射器的光声转化薄膜(102)与法布里-玻罗(F-P)腔的腔头(107)所处的一侧直接或通过耦合剂与目标体接触；光驱动超声探头的光声发射器(101)通过第一传输光纤(105)与驱动激光器单元相连；第一传输光纤(105)的前端插入光声发射器支撑底座(104)的通孔中，和光声发射器(101)连接，第一传输光纤(105)的后端连接到驱动激光器单元的激光器阵列的出光口；用于接收超声信号的第二传输光纤(109)的前端插入法布里-玻罗(F-P)腔腔体(108)的通孔中，第二传输光纤(109)的后端面通过环形器(206)分别连接到探测激光器单元和图像采集单元。
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