CN115128299A - 一种测量非透明流场的光声粒子图像测速系统和方法 - Google Patents
一种测量非透明流场的光声粒子图像测速系统和方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115128299A CN115128299A CN202211061075.1A CN202211061075A CN115128299A CN 115128299 A CN115128299 A CN 115128299A CN 202211061075 A CN202211061075 A CN 202211061075A CN 115128299 A CN115128299 A CN 115128299A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- photoacoustic
- ultrasonic
- laser
- contrast agent
- particle image
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims abstract description 84
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 45
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 64
- 239000002872 contrast media Substances 0.000 claims abstract description 60
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims abstract description 11
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000010895 photoacoustic effect Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000000917 particle-image velocimetry Methods 0.000 claims description 36
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims description 26
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 13
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims description 10
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 9
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 8
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 claims description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 claims description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000000975 dye Substances 0.000 claims description 3
- 239000000284 extract Substances 0.000 claims description 3
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 claims description 3
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 3
- 150000003384 small molecules Chemical class 0.000 claims description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N acrylic acid group Chemical group C(C=C)(=O)O NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 2
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 abstract description 17
- 238000012634 optical imaging Methods 0.000 abstract description 3
- 230000035515 penetration Effects 0.000 abstract description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 21
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 6
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 5
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 5
- 230000017531 blood circulation Effects 0.000 description 5
- 239000003446 ligand Substances 0.000 description 5
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 5
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 4
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 3
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 3
- 235000013336 milk Nutrition 0.000 description 3
- 239000008267 milk Substances 0.000 description 3
- 210000004080 milk Anatomy 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 238000003325 tomography Methods 0.000 description 3
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005100 correlation spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000002595 magnetic resonance imaging Methods 0.000 description 2
- 238000000827 velocimetry Methods 0.000 description 2
- 206010006187 Breast cancer Diseases 0.000 description 1
- 208000026310 Breast neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 210000004204 blood vessel Anatomy 0.000 description 1
- 235000019219 chocolate Nutrition 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000001806 microscopic particle-image velocimetry Methods 0.000 description 1
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 238000001316 optical velocimetry Methods 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 238000010827 pathological analysis Methods 0.000 description 1
- 230000007170 pathology Effects 0.000 description 1
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000000700 radioactive tracer Substances 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 239000013049 sediment Substances 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
- -1 small molecule compound Chemical class 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000007619 statistical method Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
- G01P5/18—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the time taken to traverse a fixed distance
- G01P5/20—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the time taken to traverse a fixed distance using particles entrained by a fluid stream
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/0093—Detecting, measuring or recording by applying one single type of energy and measuring its conversion into another type of energy
- A61B5/0095—Detecting, measuring or recording by applying one single type of energy and measuring its conversion into another type of energy by applying light and detecting acoustic waves, i.e. photoacoustic measurements
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
- A61B5/026—Measuring blood flow
- A61B5/0261—Measuring blood flow using optical means, e.g. infrared light
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
- G01P5/18—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the time taken to traverse a fixed distance
- G01P5/22—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the time taken to traverse a fixed distance using auto-correlation or cross-correlation detection means
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Surgery (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Pathology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Physiology (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Hematology (AREA)
- Cardiology (AREA)
- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
- Indicating Or Recording The Presence, Absence, Or Direction Of Movement (AREA)
Abstract
本发明公开了一种测量非透明流场的光声粒子图像测速系统和方法，所述光声粒子图像测速系统包括注射装置、光声造影剂、激光器、超声换能器、超声数据采集装置、计算机，所述的注射装置可向流体中添加光声造影剂作为流场示踪粒子，利用光声效应，激光激发光声造影剂产生光声信号，由超声换能器接收光声造影剂的光声信号，得到时间序列的光声粒子图像，通过计算机对相邻两帧光声粒子图像进行粒子图像测速分析，得到非透明流场的速度向量和流体力学信息。本发明结合了光学成像的高特异性和超声成像的大穿透深度特点，拥有高时间、高空间分辨能力，可用于测量二维乃至三维的空间速度分布，而且能够测量微尺度乃至宏观尺度的非透明流体。
Description
技术领域
本发明涉及一种流场的光声测速领域，尤其涉及一种测量非透明流场的光声粒子图像测速系统和方法。
背景技术
湍流和涡流在自然界中无处不在，是流体运动所特有的存在形式，如涡轮内的高压气体流动、水流和血液流动。近几十年来流体力学中关于流体测速的研究有了较快的发展，使得人类能够模拟显示和测量涡流或者湍流运动。目前，流场诊断中粒子图像测速法(Particle Image Velocimetry，简称PIV)应用最广泛，该方法是一种瞬态、多点、无接触式的流体测速方法，能够高速动态的显示二维或者三维的流场速度分布。近几十年来得到了不断完善与发展，PIV技术的特点是超出了单点测速技术(如LDV)的局限性，能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性。PIV技术除向流场散布示踪粒子外，所有测量装置并不介入流场，同时PIV具有较高的测量精度。然而，以PIV为代表的传统光学测速方法对非透明流体运动的测量基本失效。
目前研究较多的非透明流体检测技术主要有磁共振成像测速技术、超声散斑技术以及脉冲超声多普勒技术。但是，磁共振成像技术价格昂贵、体积较大、实时性较差；脉冲超声多普勒技术在测量过程中存在很多影响空间和速度测量的误差；超声散斑技术的强噪声以及散射微粒固有的高浓度需求等造成的影响，制约了该技术在血液等非透明流场中的研究。并且这三项技术一般用来测量流速，对于涡流的形态、方向、分布缺少直观的认识，也无法测量出能量的损耗，不能全面细致的了解非透明涡流的状态。因此，需要一种更加可靠的非透明流场的速度诊断方法。
针对非透明介质，传统光学失效，超声成像技术对于非透明流场的测量应用广泛，而单纯的超声成像技术的对不同物质的特异性不够，成像对比度不够。因此，需要将光学和超声技术结合来测量非透明流体，即光声成像技术。光声成像技术是近十年来兴起的一种新型的成像技术。它以激光为激发源，利用内源性吸收体或外源性吸收体吸收激光能量并产生超声信号，再利用超声换能器接收超声信号，经过分析处理超声信号最终达到对吸收体的进行结构和功能成像。经过诸多学者的不断发展，该技术已经被推广至血管结果显示、检测乳腺癌细胞、测量血氧饱和度、测量血液流速等应用领域。然而，在医学研究和医学检测时，光声成像用于血液等流场诊断大利用多普勒技术、光声相关谱法等来实现的 [ 潘柳华, 张向阳, 等. 基于光声相关谱法的血液流速测量[J]. 中国激光, 2018, 45(11):1107001.]。目前光声成像技术并不能有效的获得血液等非透明流体的动态信息，而血液的动态流动信息的获得能够深化我们对某些病理的了解，这决定了需要有一种更加有效的流场动态测量方法。
传统的光学粒子图像测速技术对于非透明流体基本失效，因此，发展了一种既有光学成像的高对比度，较高的分辨率；又有超声成像的大穿透深度，可测量非透明流场的技术是非常必要的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种测量非透明流场的光声粒子图像测速系统和方法。
该方法是通过激光器包含连续激光器或者脉冲激光器，利用光声效应，用于激发光声造影剂产生光声信号；所述超声换能器接收光声造影剂的光声信号；所述超声数据采集装置将超声换能器接收的光声信号进行放大和滤波处理，并处理和存储光声造影剂的光声信号，得到时间序列的光声粒子图像；所述计算机对相邻两帧光声粒子图像进行粒子图像测速分析，得到非透明流场的速度向量和流体力学信息。
一种测量非透明流场的光声粒子图像测速系统包括：
第一激光器、第一反射镜、第一扩束镜、第一注射装置、光声造影剂、第一被测流体、超声换能器、第一超声数据采集装置和第一计算机；
所述第一反射镜接收第一激光器发射的激光后偏转方向，反射至第一扩束镜上，进而照射第一被测流体；
所述第一扩束镜接收反射镜反射后的激光光斑直径变大，扩大激光照射区域测量更大区域内的流体；
所述的第一注射装置用于向第一被测流体中添加光声造影剂作为流场示踪粒子；
所述光声造影剂能够增强光声信号同时作为示踪颗粒显示第一被测流体的运动；
所述第一激光器为连续激光器或者脉冲激光器，利用光声效应使激发光声造影剂产生光声信号；
所述超声换能器为单个或者阵列若干个，用于接收光声造影剂的光声信号；
所述第一超声数据采集装置包括信号发生器、功率放大器、保护电路、衰减器、带通滤波器、前置放大器和数据采集卡，将超声换能器接收的光声信号进行放大和滤波处理，并处理和存储光声造影剂的光声信号，得到时间序列的光声粒子图像；
所述第一计算机接收第一超声数据采集装置得到时间序列的光声粒子图像，对其中相邻两帧光声粒子图像进行粒子图像测速分析，得到非透明流场的速度向量和流体力学信息。
进一步地，所述的光声造影剂包含但不限于小分子有机染料、贵金属纳米颗粒、碳纳米材料、有机纳米多聚物、基因编辑的生色团和半导体聚合物纳米颗粒。
进一步地，所述的光声造影剂在流场中的粒子浓度为1~2×103个/mL，且在流场内分布均匀。
进一步地，所述的第一激光器与光声造影剂的吸收光谱对应，应对不同的流体场景可选用不同波段的激光。
进一步地，所述的超声换能器为多通道超声换能器阵列线性阵列、多通道超声换能器环形阵列、多通道扇扫超声换能器、线扫超声换能器和微型超声换能器中的任意一种。
进一步地，所述的超声换能器的频率范围是20 MHz~100 MHz。
进一步地，所述第一超声数据采集装置的得到时间序列的光声粒子图像，具体为：信号发生器在第一计算机的控制下产生激励信号，同时触发激光器和超声换能器同步工作，激励信号经功率放大器放大后经保护电路传送至超声换能器，光声造影剂激发产生的超声信号经过衰减器、带通滤波器和前置放大器处理后由数据采集卡再传送至第一计算机。
一种测量非透明流场的光声粒子图像测速方法，包括如下步骤：
（1）触发激光器和超声换能器：向待测非透明流场中的流体添加光声造影剂；信号发生器同步触发激光器和超声换能器，激光器开启的同时超声环能器接收光声信号。
（2）采集光声信号：激光照射光声造影剂后吸收激光的能量产生超声波信号，所产生的超声波信号被超声换能器所接收；
（3）采集光声背向散射射频信号：超声换能器接收到超声信号后进行整合得到时间和空间分布的粒子超声信号，并分析处理超声信号并提取基波成分及谐波成分，最终获得灰度显示的光声粒子图像；再利用光声造影剂产生的超声谐波射频数据将造影剂颗粒的超声信号从流体中分离，得到光声粒子图像；
（4）利用PIV算法计算速度分布：基于时间间隔隔开的两个连续图像中的粒子群的位移计算速度，具体为分别通过两个方向的位移计算分速度，最终通过矢量相加得到矢量速度分布。
进一步地，该方法可以用于测量二维和三维的空间速度分布，而且能够测量微尺度乃至宏观尺度的非透明流体。
进一步地，所述步骤（3）中图像的互相关算法为PIV计算的互相关算法。
本发明的有益效果如下：
上述光声粒子图像测速系统采用光声成像技术结合粒子图像测速算法，在非透明流场中测量得到二维或三维的速度向量图，获得流场剪切力分布等流体力学信息。拥有高时间、高空间分辨能力；可用于测量二维乃至三维的空间速度分布；能够测量微尺度乃至宏观尺度的非透明流体；拥有光学成像的高对比度，较高的分辨率（0.1~0.5毫米）；又有超声成像的大穿透深度（可达数厘米）；由于光波长的辐射是非离子化的，因而这种成像技术对于人体是无伤害的，所以非常有潜力发展成为真正无损的血流测量技术。
附图说明
图1是光声粒子图像测速系统的组成示意图；
图2是光声断层粒子图像测速系统示意图；
图3是光声显微粒子图像测速系统示意图；
图4是光声粒子图像测速方法的流程图；
图5是粒子图像测速方法的基本原理图；
图6是使用光声成像系统拍摄的光声造影剂图像，（a）为光声造影剂的牛奶处理得到的光声粒子图像，（b）为利用光声粒子图像测速方法得到的速度矢量图。
附图标记：101、第一激光器；102、第一反射镜；103、第一扩束镜；104、第一注射装置；105、光声造影剂；106、第一被测流体；107、超声换能器；108、第一超声数据采集装置；109、第一计算机；201、第一激光束；202、第二反射镜；203、第二扩束镜；204、多通道超声换能器环形阵列；205、第二被测流体；206、第二注射装置；207、第二超声数据采集装置；208、第二计算机；301、单个超声探头；302、被测微流体；303、第二激光束；304、位移台；305、第三超声数据采集装置；306、第三计算机。
具体实施方式
图1是光声粒子图像测速系统的组成示意图。
所述系统具体包括，第一激光器101、反射镜102、扩束镜103、第一注射装置104、光声造影剂105、第一被测流体106、超声换能器107、第一超声数据采集装置108和第一计算机109；
所述反射镜102接收第一激光器101发射的激光后偏转方向，进而照射第一被测流体；
所述扩束镜103使反射镜反射后的激光光斑直径变大，扩大激光照射区域测量更大区域内的流体；
所述的第一注射装置104用于向第一被测流体106中添加光声造影剂105作为流场示踪粒子，所述第一被测流体106储存于玻璃、亚克力或者塑料材料的水槽中；
所述光声造影剂105用于增强光声信号，同时作为示踪颗粒显示第一被测流体106的运动；
所述第一激光器101为连续激光器或者脉冲激光器，利用光声效应使激发光声造影剂105产生光声信号；
所述超声换能器107为单个或者阵列若干个，放置在第一被测流体106中，用于接收第一被测流体106内光声造影剂105的光声信号；
所述第一超声数据采集装置108包括信号发生器、功率放大器、保护电路、衰减器、带通滤波器、前置放大器和数据采集卡，将超声换能器107接收的光声信号进行放大和滤波处理，并处理和存储光声造影剂105的光声信号，得到时间序列的光声粒子图像；
所述第一计算机109接收第一超声数据采集装置108得到时间序列的光声粒子图像，对其中相邻两帧光声粒子图像进行粒子图像测速分析，得到非透明流场的速度向量和流体力学信息。
超声换能器107包含但不限于超声换能器线性阵列、超声换能器环形阵列、扇扫超声换能器、线扫超声换能器和微型超声换能器的一种。超声换能器107的频率范围是2 MHz~100 MHz。超声换能器107的信号发射特性（比如脉冲宽度、带宽）也与空间分辨率的需求有关。高的横向分辨率意味着较高的图像质量，而低的横向分辨率将限制较小速度的识别能力。
第一超声数据采集装置108主要实现接收和预处理光声信号。超声数据采集装置108主要信号发生器、功率放大器、保护电路、衰减器、带通滤波器、前置放大器、和数据采集卡，所述信号发生器在计算机的控制下产生激励信号，同时触发激光器和超声换能器107同步工作，激励信号经功率放大器放大后经保护电路传送至超声换能器，光声造影剂105通过吸收激光产生的超声信号经过衰减器、带通滤波器和前置放大器处理后由数据采集卡传送至第一计算机109的内存中，再经过一系列的信号处理过程得到所需的光声粒子图像。
为了应对不同尺度的流体场景，选择不同的超声换能器，本发明还可以进行微小尺度至宏观尺度的二维或三维的流场测速。如图2所示，是利用光声断层扫描测量流体的三维速度场分布，包括：第一激光束201、第二反射镜202、第二扩束镜203、多通道超声换能器环形阵列204、第二被测流体205、第二注射装置206、第二超声数据采集装置207以及第二计算机208。此方案采用360°多通道超声换能器环形阵列204包围第二被测流体205，通过几百个微型超声探头阵列204接收非透明流体中的光声信号，通过断层扫描的方式获得流体不同平面上的流场速度分布，从而得到三维的流体力学信息。
图3是利用光声显微技术测量微尺度流体的二维速度场分布。此方案采用一个高频超声换能器，当采用50 MHz的超声探头301时测量精度能够高达15微米，能够分辨单个细胞大小。该方案包括单个超声探头301、被测微流体302、第二激光束303、位移台304、第三超声数据采集装置305以及第三计算机306，通过单个高频率的超声探头测量微尺度的流体的二维速度场分布，从而得到二维的流体力学信息。
图4是光声粒子图像测速方法的流程图。光声粒子图像测速方法包括以下步骤：
图4是光声粒子图像测速方法的流程图。光声粒子图像测速方法包括以下步骤：
（1）触发激光器和超声换能器：向待测非透明流场中的流体添加光声造影剂；信号发生器同步触发激光器和超声换能器，激光器开启的同时超声环能器接收光声信号；
（2）采集光声信号：激光照射光声造影剂后吸收激光的能量产生超声波信号，所产生的超声波信号被超声换能器所接收；
（3）采集光声背向散射射频信号：超声换能器接收到超声信号后进行整合得到时间和空间分布的粒子超声信号，并分析处理超声信号并提取基波成分及谐波成分，最终获得灰度显示的光声粒子图像；再利用光声造影剂产生的超声谐波射频数据将造影剂颗粒的超声信号从流体中分离，得到光声粒子图像；
（4）利用PIV算法计算速度分布：基于时间间隔隔开的两个连续图像中的粒子群的位移计算速度，具体为分别通过两个方向的位移计算分速度，最终通过矢量相加得到矢量速度分布。
所述激光激发光声造影剂产生超声信号，光声造影剂包含但不限于小分子有机染料、贵金属纳米颗粒、碳纳米材料等。需要测试不同光声造影剂的异同，大多是固态颗粒，主要由光声信号分子与靶标的特异性配体分子共同构成，二者可通过3种方式合成：小分子化合物直接连接信号分子和配体；成纳米结构装载或结合信号分子，配体修饰于纳米结构表面；合成靶标激活的信号-配体复合物。在不同的流体场景中选用不同的光声造影剂。同时，光声造影剂作为示踪粒子来说，其粒径大小、粒子浓度、粒子均匀性、粒子亲水程度和吸收光谱都会对实际的速度测量产生影响，需要选择流场跟随特性好、均匀分布、浓度为1~2×103个/mL的光声造影剂。在不同流场中也要选择合适的吸收光谱特性的光声造影剂；
所述获得光声粒子图像：对光声造影剂的超声信号进行整合产生时间和空间分布的粒子超声信号。分析处理超声信号并提取基波成分及其他谐波成分（例如分频谐波、超频谐波或二次谐波等），最终获得灰度显示的光声粒子图像。利用光声造影剂产生的超声谐波射频数据，目的就是将造影剂颗粒的超声信号从流体中分离出来，提高超声成像的敏锐度和信噪比。
所述利用PIV算法（Particle Image Velocimetry）计算速度分布。基于时间间隔（∆t）隔开的两个连续图像中的粒子群的位移计算速度，如图5所示，第一帧图像的粒子群的坐标为(x 1，y 1)，第二帧图像中表征下一个时刻的粒子群的坐标为(x 2，y 2)，分别通过两个方向的位移计算分速度，最终通过矢量相加得到矢量速度分布，计算x，y方向分别的速度u，v如下公式：
目前PIV粒子图像对于位移的判读已经实现计算机程序的自动判读，原理是根据粒子图像的记录，将图像分割成许多小区，每一小区称判读小区，对应流场的某一容积(代表流场中空间的有一定大小的点)，求取该判读小区内粒子群的平均位移的大小和方向，依次判读每一个小区的粒子图像，从而取得全流场的位移向量场，可称为粒子图像的判读。
所述粒子图像判读的方法主要有光学方法和数字图像技术。光学方法是杨氏干涉条纹法；
所述数字图像法包括快速傅里叶变换法、自相关法和互相关法、粒子像间距概率统计法等，而互相关算法应用最广泛，也是本发明所用的。
图6为一个应用案例，利用光声粒子图像测速系统测量含有碳颗粒作为光声造影剂的
牛奶处理得到的光声粒子图像如图6中的（a）所示和利用光声粒子图像测速方法得到的速度矢量图如图6中的（b）所示。
上述光声粒子图像测速系统和方法同时具有高空间和高时间分辨率，可以捕获瞬变流场信息；是一种非侵入、高分辨率（包括时间分辨率和空间分辨率）、多维、精确的多尺度流体实时成像和测量技术。
上述光声粒子图像测速系统和方法能够应用到血流的监测，实现早期的病理诊断；应用到微流体电子、微流控芯片的流速监测；应用到非牛顿流体如牛奶、巧克力等食品加工领域的流动监测；应用到非牛顿流体制作的防弹衣的研发中去；应用到海洋、泥沙河流非透明水下机械的流体力学监测，特别是军工领域。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种测量非透明流场的光声粒子图像测速系统，其特征在于，包括：
第一激光器（101）、第一反射镜（102）、第一扩束镜（103）、第一注射装置（104）、光声造影剂（105）、第一被测流体（106）、超声换能器（107）、第一超声数据采集装置（108）和第一计算机（109）；
所述第一反射镜（102）接收第一激光器（101）发射的激光后偏转方向，反射至第一扩束镜（103）上，进而照射第一被测流体（106）；
所述第一扩束镜（103）接收反射镜反射后的激光光斑直径变大，扩大激光照射区域测量更大区域内的流体；
所述的第一注射装置（104）用于向第一被测流体（106）中添加光声造影剂（105）作为流场示踪粒子，所述第一被测流体（106）储存于玻璃、亚克力或者塑料材料的水槽中；
所述光声造影剂（105）用于增强光声信号，同时作为示踪颗粒显示第一被测流体（106）的运动；
所述第一激光器（101）为连续激光器或者脉冲激光器，利用光声效应使激发光声造影剂（105）产生光声信号；
所述超声换能器（107）为单个或者阵列若干个，放置在第一被测流体（106）中，用于接收第一被测流体（106）内光声造影剂（105）的光声信号；
所述第一超声数据采集装置（108）包括信号发生器、功率放大器、保护电路、衰减器、带通滤波器、前置放大器和数据采集卡，将超声换能器（107）接收的光声信号进行放大和滤波处理，并处理和存储光声造影剂（105）的光声信号，得到时间序列的光声粒子图像；
所述第一计算机（109）接收第一超声数据采集装置（108）得到时间序列的光声粒子图像，对其中相邻两帧光声粒子图像进行粒子图像测速分析，得到非透明流场的速度向量和流体力学信息。
2.根据权利要求1所述的一种测量非透明流场的光声粒子图像测速系统，其特征在于，所述的光声造影剂（105）包含但不限于小分子有机染料、贵金属纳米颗粒、碳纳米材料、有机纳米多聚物、基因编辑的生色团和半导体聚合物纳米颗粒。
3.根据权利要求1所述的一种测量非透明流场的光声粒子图像测速系统，其特征在于，所述的光声造影剂（105）在流场中的粒子浓度为1~2×103个/mL，且在流场内分布均匀。
4.根据权利要求1所述的一种测量非透明流场的光声粒子图像测速系统，其特征在于，所述的第一激光器（101）与光声造影剂（105）的吸收光谱对应，应对不同的流体场景可选用不同波段的激光。
5.根据权利要求1所述的一种测量非透明流场的光声粒子图像测速系统，其特征在于，所述的超声换能器（107）为多通道超声换能器阵列线性阵列、多通道超声换能器环形阵列、多通道扇扫超声换能器、线扫超声换能器或微型超声换能器中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的一种测量非透明流场的光声粒子图像测速系统，其特征在于，所述的超声换能器（107）的频率范围是20 MHz~100 MHz。
7.根据权利要求1所述的一种测量非透明流场的光声粒子图像测速系统，其特征在于，所述第一超声数据采集装置（108）的得到时间序列的光声粒子图像，具体为：信号发生器在第一计算机（109）的控制下产生激励信号，同时触发第一激光器（101）和超声换能器（107）同步工作，激励信号经功率放大器放大后经保护电路传送至超声换能器（107），光声造影剂（105）激发产生的超声信号经过衰减器、带通滤波器和前置放大器处理后由数据采集卡再传送至第一计算机（109）。
8.一种测量非透明流场的光声粒子图像测速方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）触发激光器（101）和超声换能器（107）：向待测非透明流场中的流体添加光声造影剂（105）；信号发生器同步触发激光器（101）和超声换能器（107），激光器（101）开启的同时超声环能器接收光声信号；
（2）采集光声信号：激光照射光声造影剂（105）后吸收激光的能量产生超声波信号，所产生的超声波信号被超声换能器（107）所接收；
（3）采集光声背向散射射频信号：超声换能器（107）接收到超声信号后进行整合得到时间和空间分布的粒子超声信号，并分析处理超声信号并提取基波成分及谐波成分，最终获得灰度显示的光声粒子图像；再利用光声造影剂（105）产生的超声谐波射频数据将造影剂颗粒的超声信号从流体中分离，获得光声粒子图像；
（4）利用PIV算法计算速度分布：基于时间间隔隔开的两个连续图像中的粒子群的位移计算速度，具体为分别通过两个方向的位移计算分速度，最终通过矢量相加得到矢量速度分布。
9.根据权利要求8所述的一种测量非透明流场的光声粒子图像测速方法，其特征在于，该方法可以用于测量二维和三维的空间速度分布，而且能够测量微尺度乃至宏观尺度的非透明流体。
10.根据权利要求8所述的一种测量非透明流场的光声粒子图像测速方法，其特征在于，所述步骤（3）中图像的互相关算法为PIV计算的互相关算法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211061075.1A CN115128299B (zh) | 2022-08-31 | 2022-08-31 | 一种测量非透明流场的光声粒子图像测速系统和方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211061075.1A CN115128299B (zh) | 2022-08-31 | 2022-08-31 | 一种测量非透明流场的光声粒子图像测速系统和方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115128299A true CN115128299A (zh) | 2022-09-30 |
| CN115128299B CN115128299B (zh) | 2022-12-27 |
Family
ID=83387957
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211061075.1A Active CN115128299B (zh) | 2022-08-31 | 2022-08-31 | 一种测量非透明流场的光声粒子图像测速系统和方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115128299B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115792273A (zh) * | 2022-11-02 | 2023-03-14 | 清华大学 | 用于测量流体流速的方法、测流设备和计算机存储介质 |
| CN115932321A (zh) * | 2022-12-22 | 2023-04-07 | 武汉大学 | 基于粒子图像测速的微观溶蚀可视化装置及方法 |
Citations (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050150309A1 (en) * | 2001-11-07 | 2005-07-14 | Paul Beard | Blood flow velocity measurement |
| US20070206179A1 (en) * | 2006-03-03 | 2007-09-06 | Guiren Wang | Method and apparatus for fluid velocity measurement based on photobleaching |
| US20080015440A1 (en) * | 2006-07-13 | 2008-01-17 | The Regents Of The University Of Colorado | Echo particle image velocity (EPIV) and echo particle tracking velocimetry (EPTV) system and method |
| US20080045848A1 (en) * | 2004-04-02 | 2008-02-21 | Mauna Kea Technologies | Method and System for Measuring the Speed of Blood Flow |
| CN101173956A (zh) * | 2007-06-27 | 2008-05-07 | 清华大学 | 气力输送管道中气/固相流固体颗粒速度测量装置及方法 |
| US20080121018A1 (en) * | 2006-11-27 | 2008-05-29 | Nano-Proprietary, Inc. | Elliptical Photo-Acoustic Sensor |
| CN101846693A (zh) * | 2009-03-26 | 2010-09-29 | 深圳先进技术研究院 | 超声粒子图像测速系统和超声粒子图像测速方法 |
| US20130190595A1 (en) * | 2012-01-23 | 2013-07-25 | Alexander A. Oraevsky | Laser Optoacoustic Ultrasonic Imaging System (LOUIS) and Methods of Use |
| KR20150010909A (ko) * | 2013-07-21 | 2015-01-29 | 더 스테이트 유니버시티 오브 뉴욕 버팔로 | 결합된 광음향 및 초음파 진단 장치 및 방법 |
| CN105411624A (zh) * | 2015-12-25 | 2016-03-23 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 一种超声三维流体成像与测速方法 |
| CN106199064A (zh) * | 2016-08-23 | 2016-12-07 | 清华大学 | 用于管道内轴向流场成像的迭代超声层析成像方法 |
| US20160361040A1 (en) * | 2014-02-28 | 2016-12-15 | Hitachi, Ltd. | Ultrasonic image pickup device and method |
| JP2016223873A (ja) * | 2015-05-29 | 2016-12-28 | 株式会社フローテック・リサーチ | 可視化流体の流速計測方法及び流速計測装置 |
| CN106618496A (zh) * | 2016-12-09 | 2017-05-10 | 华南师范大学 | 全光学光声多普勒横向流速测量方法及装置 |
| CN110179446A (zh) * | 2019-04-17 | 2019-08-30 | 南京航空航天大学 | 一种联合光声与激光散斑的多模态成像设备 |
| CN110988391A (zh) * | 2019-12-12 | 2020-04-10 | 北京机电工程研究所 | 一种测量非定常空泡流场速度的实验方法 |
| CN112763750A (zh) * | 2020-12-17 | 2021-05-07 | 吕岩 | 一种基于光声效应的气体流速传感器 |
| CN113484534A (zh) * | 2021-07-05 | 2021-10-08 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于图像处理的超声速流场特征测试系统及方法 |
| CN113960043A (zh) * | 2021-10-20 | 2022-01-21 | 中国人民解放军国防科技大学 | 超声速/高超声速湍流时间演化特征的确定方法及装置 |
| CN114441794A (zh) * | 2022-04-08 | 2022-05-06 | 之江实验室 | 基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置与方法 |
| CN114545027A (zh) * | 2022-01-27 | 2022-05-27 | 之江实验室 | 一种全光学流速传感器 |
-
2022
- 2022-08-31 CN CN202211061075.1A patent/CN115128299B/zh active Active
Patent Citations (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050150309A1 (en) * | 2001-11-07 | 2005-07-14 | Paul Beard | Blood flow velocity measurement |
| US20080045848A1 (en) * | 2004-04-02 | 2008-02-21 | Mauna Kea Technologies | Method and System for Measuring the Speed of Blood Flow |
| US20070206179A1 (en) * | 2006-03-03 | 2007-09-06 | Guiren Wang | Method and apparatus for fluid velocity measurement based on photobleaching |
| US20080015440A1 (en) * | 2006-07-13 | 2008-01-17 | The Regents Of The University Of Colorado | Echo particle image velocity (EPIV) and echo particle tracking velocimetry (EPTV) system and method |
| US20080121018A1 (en) * | 2006-11-27 | 2008-05-29 | Nano-Proprietary, Inc. | Elliptical Photo-Acoustic Sensor |
| CN101173956A (zh) * | 2007-06-27 | 2008-05-07 | 清华大学 | 气力输送管道中气/固相流固体颗粒速度测量装置及方法 |
| CN101846693A (zh) * | 2009-03-26 | 2010-09-29 | 深圳先进技术研究院 | 超声粒子图像测速系统和超声粒子图像测速方法 |
| US20130190595A1 (en) * | 2012-01-23 | 2013-07-25 | Alexander A. Oraevsky | Laser Optoacoustic Ultrasonic Imaging System (LOUIS) and Methods of Use |
| KR20150010909A (ko) * | 2013-07-21 | 2015-01-29 | 더 스테이트 유니버시티 오브 뉴욕 버팔로 | 결합된 광음향 및 초음파 진단 장치 및 방법 |
| US20160361040A1 (en) * | 2014-02-28 | 2016-12-15 | Hitachi, Ltd. | Ultrasonic image pickup device and method |
| JP2016223873A (ja) * | 2015-05-29 | 2016-12-28 | 株式会社フローテック・リサーチ | 可視化流体の流速計測方法及び流速計測装置 |
| CN105411624A (zh) * | 2015-12-25 | 2016-03-23 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 一种超声三维流体成像与测速方法 |
| CN106199064A (zh) * | 2016-08-23 | 2016-12-07 | 清华大学 | 用于管道内轴向流场成像的迭代超声层析成像方法 |
| CN106618496A (zh) * | 2016-12-09 | 2017-05-10 | 华南师范大学 | 全光学光声多普勒横向流速测量方法及装置 |
| CN110179446A (zh) * | 2019-04-17 | 2019-08-30 | 南京航空航天大学 | 一种联合光声与激光散斑的多模态成像设备 |
| CN110988391A (zh) * | 2019-12-12 | 2020-04-10 | 北京机电工程研究所 | 一种测量非定常空泡流场速度的实验方法 |
| CN112763750A (zh) * | 2020-12-17 | 2021-05-07 | 吕岩 | 一种基于光声效应的气体流速传感器 |
| CN113484534A (zh) * | 2021-07-05 | 2021-10-08 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于图像处理的超声速流场特征测试系统及方法 |
| CN113960043A (zh) * | 2021-10-20 | 2022-01-21 | 中国人民解放军国防科技大学 | 超声速/高超声速湍流时间演化特征的确定方法及装置 |
| CN114545027A (zh) * | 2022-01-27 | 2022-05-27 | 之江实验室 | 一种全光学流速传感器 |
| CN114441794A (zh) * | 2022-04-08 | 2022-05-06 | 之江实验室 | 基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置与方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| MARC FOURNELLE: "Molecular imaging of glioblastoma cells using functionalized nanorods and a high resolution optoacoustic microscope", 《2013 IEEE INTERNATIONAL ULTRASONICS SYMPOSIUM (IUS)》 * |
| 潘柳华等: "基于光声相关谱法的血液流速测量", 《中国激光》 * |
| 田立丰等: "超声速光学头罩流场的PIV研究", 《实验流体力学》 * |
| 钟亮等: "明渠紊流脉动流速结构的PIV试验研究", 《工程科学与技术》 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115792273A (zh) * | 2022-11-02 | 2023-03-14 | 清华大学 | 用于测量流体流速的方法、测流设备和计算机存储介质 |
| CN115792273B (zh) * | 2022-11-02 | 2024-02-23 | 清华大学 | 用于测量流体流速的方法、测流设备和计算机存储介质 |
| CN115932321A (zh) * | 2022-12-22 | 2023-04-07 | 武汉大学 | 基于粒子图像测速的微观溶蚀可视化装置及方法 |
| CN115932321B (zh) * | 2022-12-22 | 2023-10-10 | 武汉大学 | 基于粒子图像测速的微观溶蚀可视化装置及方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115128299B (zh) | 2022-12-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN115128299B (zh) | 一种测量非透明流场的光声粒子图像测速系统和方法 | |
| US9031640B2 (en) | Laser doppler blood flow measuring method and device | |
| Jensen | Flow measurements | |
| CN101530320B (zh) | 聚焦超声空化及其微汽泡实时提取装置与检测方法 | |
| CN105572049B (zh) | 光声定量弹性成像方法及装置 | |
| CN111521566A (zh) | 基于双波混合的激光超声无损检测系统 | |
| Sandrin et al. | Ultrafast two-dimensional ultrasonic speckle velocimetry: A tool in flow imaging | |
| CN102579080A (zh) | 一体化整合的便携式共焦光声显微成像方法及装置 | |
| CN106618496A (zh) | 全光学光声多普勒横向流速测量方法及装置 | |
| CN109946236A (zh) | 一种偏振光声显微成像装置及成像方法 | |
| CN105411624A (zh) | 一种超声三维流体成像与测速方法 | |
| CN105865613A (zh) | 海洋立体监测中的水下光学检测与成像传感方法及系统 | |
| Rebling et al. | Optoacoustic characterization of broadband directivity patterns of capacitive micromachined ultrasonic transducers | |
| CN108535194A (zh) | 一种基于表面等离子共振的光声显微成像系统以及方法 | |
| Kupsch et al. | Vector flow imaging of a highly laden suspension in a zinc-air flow battery model | |
| CN1247158C (zh) | 生物组织光声层析成像的方法及其装置 | |
| CN111856489B (zh) | 一种基于激光多普勒的气泡尾流探测方法 | |
| Ingram et al. | Determination of bubble size distribution using ultrasound array imaging | |
| CN108732240B (zh) | 激光Doppler监测脉冲声辐射力剪切波定量估计HIFU损伤粘弹性的系统和方法 | |
| CN1168980C (zh) | 用探测超声束测量生物组织中光致声信号的方法及其装置 | |
| CN111297346A (zh) | 一种光声多普勒血流流速和血氧含量测量系统及其测量方法 | |
| Bilodeau et al. | Time domain imaging of extended transient noise sources using phase coherence | |
| CN113777045B (zh) | 基于单粒子多边定位追踪的超分辨功能性光声成像方法 | |
| Brunker et al. | Pulsed photoacoustic Doppler flow measurements in blood-mimicking phantoms | |
| Durmuş et al. | Investigation of Photoacoustic Effect on Different Materials |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |