CN114680829A - 一种基于超声传感器的光声成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声传感器的光声成像方法及装置，包括：控制超声传感器以预设的移动速度沿着预设的移动方向移动，并在每一次侦测到超声传感器接收待测物被激发而产生的超声信号时，获取多组超声传感器对应的第一信号数据；其中，超声传感器是将光纤谐振腔弯曲至预设的曲率半径而获得的负聚焦型弧形超声传感器，待测物放置于超声传感器的外凸侧；按照预设的算法，并根据所有第一信号数据，得到待测物对应的光声图像。本发明通过将待测物放置于超声传感器的外凸侧，形成超声负聚焦，有效缩短超声传感器与待测物之间的距离，减少对环境空间的限制。同时，通过移动超声传感器实现多组数据的获取，而非移动待测物，避免受待测物体积大小的限制。

Description

一种基于超声传感器的光声成像方法及装置

技术领域

本发明涉及光声成像技术领域，尤其涉及一种基于超声传感器的光声成像方法及装置。

背景技术

超声检测技术在国防、工业、医疗等领域发挥着重要作用。在医疗领域，超声成像作为一种无损超声检测方法，已广泛用于临床胎儿健康监护、疾病筛查等方面。近年来，迅速发展的光声成像技术利用生物组织吸收短脉冲激光后的瞬时热弹性效应，可产生于其吸收系数成正比例的超声信号。通过超声传感器对组织不同位置的超声信号探测，并结合重建算法可实现对生物组织的光学吸收分布的还原。这种成像方式不仅具有传统光学成像高对比度、高分辨率的特点，也拥有超声成像高穿透深度的优势，为脑科学研究、肿瘤及心血管等重大疾病的诊断提供了重要影像学依据。

针对成像应用的超声传感器，在技术指标要求上存在差异。例如目前主流的超声/光声成像多采用压电陶瓷型超声传感器，其声敏材料面积直接决定了探测超声灵敏度，因此传感器的尺寸多为厘米量级。然而，这种大尺寸的超声传感器，其超声接收角往往十分有限，因此在一定程度上影响了成像质量和成像效果。此外，现有的聚焦型传感器为正聚焦型弧形传感器，待测样品通常置于弯曲弧内的焦点附近，这样不仅增大了光声信号从生物样品到传感器耦合的复杂度，还降低了图像空间分辨率，无法适用于人体躯干等部位的成像，且对实现完整成像的环境空间大小有较大的要求，极大地限制了其应用场景，不利于广泛应用。

发明内容

本发明提供了一种基于超声传感器的光声成像方法及装置，增强整体适用性，减少对于待测物和环境空间的限制。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于超声传感器的光声成像方法，包括：

控制超声传感器以预设的移动速度沿着预设的移动方向移动，并在每一次侦测到所述超声传感器接收待测物被激发而产生的超声信号时，获取多组所述超声信号对应的第一信号数据；其中，所述超声传感器是将光纤谐振腔弯曲至预设的曲率半径而获得的负聚焦型弧形超声传感器，所述待测物放置于所述超声传感器的外凸侧；

按照预设的算法，并根据所有所述第一信号数据，得到所述待测物对应的光声图像。

进一步地，所述按照预设的算法，并根据所有所述第一信号数据，得到所述待测物对应的光声图像，具体为：

利用预设的时延矫正量，对所有所述第一信号数据中的时长数据进行调整，以矫正在所述超声传感器移动的过程中，所述超声传感器的聚焦点发生变化引起的时延，并获得每组所述第一信号数据对应的第二信号数据；

按照合成孔径聚焦算法，结合所有所述第二信号数据，绘制得到所述待测物对应的光声图像。

进一步地，所述超声传感器的获取，具体为：

在增益光纤上刻写一对布拉格光栅，形成所述光纤谐振腔，并利用光纤夹持器，将所述光纤谐振腔弯曲至预设的曲率半径，得到所述超声传感器。

进一步地，在所述控制超声传感器以预设的移动速度沿着预设的移动方向移动之前，还包括：

通过预设的程序，设定步进电机的步进速度、步进方向和步进距离；其中，所述步进速度与所述移动速度相同，所述步进方向与所述移动方向相同，所述超声传感器固定于所述步进电机上；

利用激光器输出激光脉冲并照射在所述待测物上，激发所述待测物产生所述超声信号。

进一步地，所述控制超声传感器以预设的移动速度沿着预设的移动方向移动，并在每一次侦测到所述超声传感器接收待测物被激发而产生的超声信号时，获取多组所述超声信号对应的第一信号数据，具体为：

利用步进电机，控制所述超声传感器以所述移动速度沿着所述移动方向移动，直至达到预设的所述步进电机的步进距离，则停止运行所述步进电机；

在每一次侦测到所述超声传感器接收待测物被激发而产生的超声信号时，记录所述超声传感器当前的空间位置、所述超声信号的信号强度和所述超声信号到达所述超声传感器所用的时长数据，从而获得多组第一信号数据。

为了解决相同的技术问题，本发明还提供了一种基于超声传感器的光声成像装置，包括：

数据记录模块，用于控制超声传感器以预设的移动速度沿着预设的移动方向移动，并在每一次侦测到所述超声传感器接收待测物被激发而产生的超声信号时，获取多组所述超声信号对应的第一信号数据；其中，所述超声传感器是将光纤谐振腔弯曲至预设的曲率半径而获得的负聚焦型弧形超声传感器，所述待测物放置于所述超声传感器的外凸侧；

绘图模块，用于按照预设的算法，并根据所有所述第一信号数据，得到所述待测物对应的光声图像。

进一步地，所述绘图模块，还包括：

数据处理单元，用于利用预设的时延矫正量，对所有所述第一信号数据中的时长数据进行调整，以矫正在所述超声传感器移动的过程中，所述超声传感器的聚焦点发生变化引起的时延，并获得每组所述第一信号数据对应的第二信号数据；

绘图单元，用于按照合成孔径聚焦算法，结合所有所述第二信号数据，绘制得到所述待测物对应的光声图像。

进一步地，所述基于超声传感器的光声成像装置，还包括：

预处理模块，用于在增益光纤上刻写一对布拉格光栅，形成光纤谐振腔，并利用光纤夹持器，将所述光纤谐振腔弯曲至预设的曲率半径，得到所述超声传感器；

设定模块，用于通过预设的程序，设定步进电机的步进速度、步进方向和步进距离；其中，所述步进速度与所述移动速度相同，所述步进方向与所述移动方向相同，所述超声传感器固定于所述步进电机上；

信号管理模块，用于利用激光器输出激光脉冲并照射在所述待测物上，激发所述待测物产生所述超声信号。

进一步地，所述数据记录模块，还包括：

控制管理单元，用于利用步进电机，控制所述超声传感器以所述移动速度沿着所述移动方向移动，直至达到预设的所述步进电机的步进距离，则停止运行所述步进电机；

数据记录单元，用于在每一次侦测到所述超声传感器接收待测物被激发而产生的超声信号时，记录所述超声传感器当前的空间位置、所述超声信号的信号强度和所述超声信号到达所述超声传感器所用的时长数据，从而获得多组第一信号数据。

相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：

本发明提供了一种基于超声传感器的光声成像方法及装置，通过将待测物放置于负聚焦型弧形超声传感器的外凸侧，形成超声负聚焦，有效缩短超声传感器与待测物之间的距离，减少对环境空间的限制，同时减少超声信号传输距离过长导致的声波损耗，提升成像准确率。同时，不同于现有技术中通过移动待测物获得多组数据，本发明通过移动超声传感器实现多组第一信号数据的获取，避免因待测物体积偏大且环境空间不足出现数据获取不足的情况，从而影响光声图像绘制的完整度。

进一步地，本发明在绘制待测物的光声图像之前，引入预测的时长矫正量，对记录的第一信号数据进行调整，以矫正超声传感器移动过程中，其聚焦点发生变化引起的时延，保证多个位置上的超声传感器接收到的超声信号能够进行有效叠加，以抑制噪声，提升成像分辨率和对比度。

附图说明

图1：为本发明提供的一种基于超声传感器的光声成像方法的一种实施例的流程示意图；

图2：为本发明提供的一种基于超声传感器的光声成像方法的一种实施例的超声传感器的结构示意图；

图3：为本发明提供的一种基于超声传感器的光声成像装置的结构示意图；

图4：为本发明提供的一种基于超声传感器的光声成像装置的数据记录模块的结构示意图；

图5：为本发明提供的一种基于超声传感器的光声成像装置的绘图模块的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

请参照图1，为本发明实施例提供的一种基于超声传感器的光声成像方法的流程示意图，包括步骤S1至步骤S2，各步骤具体如下：

步骤S1：控制超声传感器以预设的移动速度沿着预设的移动方向移动，并在每一次侦测到所述超声传感器接收待测物被激发而产生的超声信号时，获取多组所述超声信号对应的第一信号数据；其中，所述超声传感器是将光纤谐振腔弯曲至预设的曲率半径而获得的负聚焦型弧形超声传感器，所述待测物放置于所述超声传感器的外凸侧。

在本实施例中，将待测物放置于负聚焦型弧形超声传感器的外凸侧，形成负聚焦式的超声探测，相比于常规的正聚焦式的超声探测，超声负聚焦能够有效缩短超声传感器与待测物之间的距离，减少对环境空间大小的限制，同时减少超声信号传输距离过长导致的声波损耗，提升成像准确率。

进一步地，步骤S1具体包括步骤S11至步骤S12，各步骤具体如下：

步骤S11：利用步进电机，控制所述超声传感器以所述移动速度沿着所述移动方向移动，直至达到预设的所述步进电机的步进距离，则停止运行所述步进电机。

在本实施例中，利用步进电机控制超声传感器匀速移动，使得超声传感器在不同的空间位置探测待测物发出的超声信号，实现对待测物的机械扫描。常规情况下，通常选择移动待测物或者其他设备，以获取多组信号数据。然而，当待测物体积偏大或者环境空间较小的时候，容易出现对待测物的扫描不充分，获取的数据量不足的情况，从而影响最终绘制获得的光声图像的图像完整度。

作为一个举例，可以利用多个相同聚焦的超声传感器构成的均匀阵列，替代控制超声传感器匀速移动，同样可以在不同的空间位置探测待测物发出的超声信号。

步骤S12：在每一次侦测到所述超声传感器接收待测物被激发而产生的超声信号时，记录所述超声传感器当前的空间位置、所述超声信号的信号强度和所述超声信号到达所述超声传感器所用的时长数据，从而获得多组第一信号数据。

在本实施例中，当超声传感器每一次接收待测物发出的超声信号，经过光电探测器对超声信号进行光电转换后输入数据采集卡，采集得到对应的时域信号。其中，时域信号包括超声信号的信号强度和超声信号到达超声传感器所用的时长数据，用RF(t)表示。当步进电机移动一定步长时，超声传感器接收一个超声信号，得到一组信号数据RF(i，t)，其中，i为当前超声传感器所在的空间位置。

请参照图2，步骤S1中的超声传感器主要由增益光纤10和一对布拉格光栅11构成，其获取过程具体为：

在增益光纤10上刻写一对布拉格光栅11，形成所述光纤谐振腔，并利用光纤夹持器，将所述光纤谐振腔弯曲至预设的曲率半径，得到所述超声传感器。

在本实施例中，通过193nm准分子激光器或800nm飞秒激光器，并结合相位掩膜板，在增益光纤10上刻写一对布拉格光栅11，形成光纤谐振腔，用于探测超声信号。长度较长的激光腔体其相应的声波灵敏度分布也很广，这样的腔体弯曲后更有益于形成大范围的超声接收角。为避免光纤激光腔较长时，出现多纵模激光输出的现象，影响声波探测。其中，光纤谐振腔的布拉格光栅对之间的间距在1cm到10cm之间，增益光纤10可选取铒镱共掺光纤、掺铒光纤或其它掺杂的增益光纤，也可以选用普通单模光纤或微纳光纤进行替代。

作为一个举例，增益光纤10可选取铒镱共掺光纤，采用扫描写入方式刻写布拉格光栅11，这种方法可有效降低折射率调制深度，从而减小布拉格光栅反射谱带宽并抑制多纵模激光的输出。最终单个光栅扫描长度为2cm，光栅间距即激光腔长度为2.5cm，经过模式竞争可输出单纵模激光，用于超声信号的探测。当超声场作用于激光腔上时会引起腔内光纤双折射的改变，从而引起输出单纵模激光中两个不同偏振态光的拍频信号发生改变，此时通过采用正交解调技术获取拍频信号的频率变化，即可快速获取超声信号。

在本实施例中，将已刻写布拉格光栅对的增益光纤固定于光纤夹持器，使其弯曲成弧形，得到对应的超声传感器。超声传感器的曲率半径范围为1cm到30cm，通过调节弧形的弯曲程度改变其曲率半径，以控制超声传感器的负聚焦的强弱，即超声接收角的范围大小。

作为一个举例，将超声传感器弯曲至半径(即焦距)为1.5cm时，可实现170度的超声接收角，该角度远大于压电式传感器的超声接收角，有效地避免漏掉有用的超声信息，进而保证对待测物的原貌的高分辨率、高对比度还原。

步骤S2：按照预设的算法，并根据所有所述第一信号数据，得到所述待测物对应的光声图像。

进一步地，步骤S2具体包括步骤S21至步骤S22，各步骤具体如下：

步骤S21：利用预设的时延矫正量，对所有所述第一信号数据中的时长数据进行调整，以矫正在所述超声传感器移动的过程中，所述超声传感器的聚焦点发生变化引起的时延，并获得每组所述第一信号数据对应的第二信号数据。

在本实施例中，由于步进电机带动超声传感器移动的过程中，聚焦点发生变化而引入时延，所以为了保证多个空间点位置所探测的超声信号能够有效叠加，引入时延矫正量，以抑制时延带来的噪声。

步骤S22：按照合成孔径聚焦算法，结合所有所述第二信号数据，绘制得到所述待测物对应的光声图像。

在本实施例中，由于超声传感器聚焦的焦点可看作为点超声传感器，所以基于第二信号数据，可采用合成孔径聚焦算法，计算还原待测物的图像，进而提升成像分辨率和对比度。

进一步地，在步骤S1之前，还包括步骤S01至步骤S02，各步骤具体如下：

步骤S01：通过预设的程序，设定步进电机的步进速度、步进方向和步进距离；其中，所述步进速度与所述移动速度相同，所述步进方向与所述移动方向相同，所述超声传感器固定于所述步进电机上。

步骤S02：利用激光器输出激光脉冲并照射在所述待测物上，激发所述待测物产生所述超声信号。

在本实施例中，利用一束脉冲时间范围为1－100ns的激光照射待测物，待测物吸光后受热膨胀，向四周发射超声信号。

为了解决相同的技术问题，请参照图3，本发明还提供了一种基于超声传感器的光声成像装置，包括数据记录模块1和绘图模块2，各模块具体用于：

数据记录模块1，用于控制超声传感器以预设的移动速度沿着预设的移动方向移动，并在每一次侦测到所述超声传感器接收待测物被激发而产生的超声信号时，获取多组所述超声信号对应的第一信号数据；其中，所述超声传感器是将光纤谐振腔弯曲至预设的曲率半径而获得的负聚焦型弧形超声传感器，所述待测物放置于所述超声传感器的外凸侧；

绘图模块2，用于按照预设的算法，并根据所有所述第一信号数据，得到所述待测物对应的光声图像。

进一步地，请参照图3，所述基于超声传感器的光声成像装置，还包括预处理模块3、设定模块4和信号管理模块5，各模块具体用于：

预处理模块3，用于在增益光纤上刻写一对布拉格光栅，形成光纤谐振腔，并利用光纤夹持器，将所述光纤谐振腔弯曲至预设的曲率半径，得到所述超声传感器；

设定模块4，用于通过预设的程序，设定步进电机的步进速度、步进方向和步进距离；其中，所述步进速度与所述移动速度相同，所述步进方向与所述移动方向相同，所述超声传感器固定于所述步进电机上；

信号管理模块5，用于利用激光器输出激光脉冲并照射在所述待测物上，激发所述待测物产生所述超声信号。

进一步地，请参照图4，所述数据记录模块1，还包括控制管理单元和数据记录单元，各单元具体用于：

控制管理单元，用于利用步进电机，控制所述超声传感器以所述移动速度沿着所述移动方向移动，直至达到预设的所述步进电机的步进距离，则停止运行所述步进电机；

数据记录单元，用于在每一次侦测到所述超声传感器接收待测物被激发而产生的超声信号时，记录所述超声传感器当前的空间位置、所述超声信号的信号强度和所述超声信号到达所述超声传感器所用的时长数据，从而获得多组第一信号数据。

进一步地，请参照图5，所述绘图模块2，还包括数据处理单元和绘图单元，各单元具体用于：

数据处理单元，用于利用预设的时延矫正量，对所有所述第一信号数据中的时长数据进行调整，以矫正在所述超声传感器移动的过程中，所述超声传感器的聚焦点发生变化引起的时延，并获得每组所述第一信号数据对应的第二信号数据；

绘图单元，用于按照合成孔径聚焦算法，结合所有所述第二信号数据，绘制得到所述待测物对应的光声图像。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：

本发明提供了一种基于超声传感器的光声成像方法及装置，通过将待测物放置于负聚焦型弧形超声传感器的外凸侧，形成超声负聚焦，有效缩短超声传感器与待测物之间的距离，减少对环境空间的限制，同时减少超声信号传输距离过长导致的声波损耗，提升成像准确率。同时，不同于现有技术中通过移动待测物获得多组数据，本发明通过移动超声传感器实现多组第一信号数据的获取，避免因待测物体积偏大且环境空间不足出现数据获取不足的情况，从而影响光声图像绘制的完整度。

进一步地，本发明在绘制待测物的光声图像之前，引入预测的时长矫正量，对记录的第一信号数据进行调整，以矫正超声传感器移动过程中，其聚焦点发生变化引起的时延，保证多个位置上的超声传感器接收到的超声信号能够进行有效叠加，以抑制噪声，提升成像分辨率和对比度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于超声传感器的光声成像方法，其特征在于，包括：

控制超声传感器以预设的移动速度沿着预设的移动方向移动，并在每一次侦测到所述超声传感器接收待测物被激发而产生的超声信号时，获取多组所述超声信号对应的第一信号数据；其中，所述超声传感器是将光纤谐振腔弯曲至预设的曲率半径而获得的负聚焦型弧形超声传感器，所述待测物放置于所述超声传感器的外凸侧；

按照预设的算法，并根据所有所述第一信号数据，得到所述待测物对应的光声图像。

2.如权利要求1所述的一种基于超声传感器的光声成像方法，其特征在于，所述按照预设的算法，并根据所有所述第一信号数据，得到所述待测物对应的光声图像，具体为：

利用预设的时延矫正量，对所有所述第一信号数据中的时长数据进行调整，以矫正在所述超声传感器移动的过程中，所述超声传感器的聚焦点发生变化引起的时延，并获得每组所述第一信号数据对应的第二信号数据；

按照合成孔径聚焦算法，结合所有所述第二信号数据，绘制得到所述待测物对应的光声图像。

3.如权利要求1所述的一种基于超声传感器的光声成像方法，其特征在于，所述超声传感器的获取，具体为：

在增益光纤上刻写一对布拉格光栅，形成所述光纤谐振腔，并利用光纤夹持器，将所述光纤谐振腔弯曲至预设的曲率半径，得到所述超声传感器。

4.如权利要求1所述的一种基于超声传感器的光声成像方法，其特征在于，在所述控制超声传感器以预设的移动速度沿着预设的移动方向移动之前，还包括：

通过预设的程序，设定步进电机的步进速度、步进方向和步进距离；其中，所述步进速度与所述移动速度相同，所述步进方向与所述移动方向相同，所述超声传感器固定于所述步进电机上；

利用激光器输出激光脉冲并照射在所述待测物上，激发所述待测物产生所述超声信号。

5.如权利要求1所述的一种基于超声传感器的光声成像方法，其特征在于，所述控制超声传感器以预设的移动速度沿着预设的移动方向移动，并在每一次侦测到所述超声传感器接收待测物被激发而产生的超声信号时，获取多组所述超声信号对应的第一信号数据，具体为：

利用步进电机，控制所述超声传感器以所述移动速度沿着所述移动方向移动，直至达到预设的所述步进电机的步进距离，则停止运行所述步进电机；

在每一次侦测到所述超声传感器接收待测物被激发而产生的超声信号时，记录所述超声传感器当前的空间位置、所述超声信号的信号强度和所述超声信号到达所述超声传感器所用的时长数据，从而获得多组第一信号数据。

6.一种基于超声传感器的光声成像装置，其特征在于，包括：

数据记录模块，用于控制超声传感器以预设的移动速度沿着预设的移动方向移动，并在每一次侦测到所述超声传感器接收待测物被激发而产生的超声信号时，获取多组所述超声信号对应的第一信号数据；其中，所述超声传感器是将光纤谐振腔弯曲至预设的曲率半径而获得的负聚焦型弧形超声传感器，所述待测物放置于所述超声传感器的外凸侧；

绘图模块，用于按照预设的算法，并根据所有所述第一信号数据，得到所述待测物对应的光声图像。

7.如权利要求6所述的一种基于超声传感器的光声成像装置，其特征在于，所述绘图模块，还包括：

数据处理单元，用于利用预设的时延矫正量，对所有所述第一信号数据中的时长数据进行调整，以矫正在所述超声传感器移动的过程中，所述超声传感器的聚焦点发生变化引起的时延，并获得每组所述第一信号数据对应的第二信号数据；

绘图单元，用于按照合成孔径聚焦算法，结合所有所述第二信号数据，绘制得到所述待测物对应的光声图像。

8.如权利要求6所述的一种基于超声传感器的光声成像装置，其特征在于，还包括：

预处理模块，用于在增益光纤上刻写一对布拉格光栅，形成光纤谐振腔，并利用光纤夹持器，将所述光纤谐振腔弯曲至预设的曲率半径，得到所述超声传感器；

设定模块，用于通过预设的程序，设定步进电机的步进速度、步进方向和步进距离；其中，所述步进速度与所述移动速度相同，所述步进方向与所述移动方向相同，所述超声传感器固定于所述步进电机上；

信号管理模块，用于利用激光器输出激光脉冲并照射在所述待测物上，激发所述待测物产生所述超声信号。

9.如权利要求6所述的一种基于超声传感器的光声成像装置，其特征在于，所述数据记录模块，还包括：

控制管理单元，用于利用步进电机，控制所述超声传感器以所述移动速度沿着所述移动方向移动，直至达到预设的所述步进电机的步进距离，则停止运行所述步进电机；

数据记录单元，用于在每一次侦测到所述超声传感器接收待测物被激发而产生的超声信号时，记录所述超声传感器当前的空间位置、所述超声信号的信号强度和所述超声信号到达所述超声传感器所用的时长数据，从而获得多组第一信号数据。

Images