CN115201115A - 基于结构光探测的光声成像装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明为基于结构光探测的光声成像装置与方法，包括光声激光器、反射镜、第一扩束器、载物台、样品池、探测激光器、偏振光分束器、耦合传感器、数据采集卡、计算机、第二扩束器、数字微镜器件、凸透镜和光电探测器，耦合传感器为底部涂有石墨烯层或金属膜的棱镜；样品池内含有液体，底部开有窗口并密封透声薄膜，透声薄膜通过超声耦合剂与成像物体接触；数字微镜器件与计算机连接，光电探测器与数据采集卡连接，数据采集卡与计算机连接；光声激光器与计算机连接。本发明方法无需机械移动，只需要通过改变数字微镜器件的编码多次，再经计算机的图像重建模块即可计算出三维光声图像，从而大大提高成像速度和降低运动伪影与噪声。

Description

基于结构光探测的光声成像装置与方法

技术领域

本发明涉及光声成像技术，具体涉及一种基于结构光探测的光声成像装置与方法。

背景技术

近年来，光声成像作为一种新兴的生物成像技术在国内外引起了广泛的兴趣。光声成像结合了光学和超声成像的优势，采集超短脉冲激发光照射生物组织内的吸收体产生的超声信号并进行重建得到生物组织内部的结构和功能信息。光声成像相对于其他成像，它具有无辐射、高灵敏度、高分辨率和高对比度的优点。

由于成像物体的尺度大小不一，使得激发光激发成像物体产生的超声信号的频率涵盖几MHz到百MHz的范围。然而，传统的压电探测超声的方法带宽有限，不能满足光声信号的宽谱探测要求，导致成像的分辨率较低。因此，研发基于超声信号宽带探测的光声成像装置和方法对高分辨率光声成像具有重要应用价值。现有的基于超声信号宽带探测的光声成像装置和方法采用基于光学探测的光声成像技术，它利用表面等离子体共振原理探测光声成像产生的超声信号，即超声信号引起棱镜底面涂有的石墨烯层或金属膜附近液体折射率变化，聚焦的p偏振光经涂有石墨烯层或金属膜的棱镜底面反射后的光强随液体折射率变化而变化，从而实现探测超声信号。这种方法具有超声信号探测带宽宽(>100MHz)的特点。此方法的p偏振光为单点聚焦光，一次只能采集一个位置点处的超声信号，得到沿深度方向的一维超声信息，需要通过机械移动的方法实现二维扫描，才能实现三维光声成像。这种方法成像速度慢，且机械移动容易带来运动伪影，光声图像质量差。而且单点聚焦一次只采集一个位置点的超声信号，信号强度弱，由于受到环境光和电子噪声等的影响，信噪比低、灵敏度差。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种基于结构光探测的光声成像装置与方法。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种基于结构光探测的光声成像装置，包括光声激光器1、反射镜2、第一扩束器3、载物台4、样品池5、探测激光器7、偏振光分束器8、耦合传感器10、数据采集卡14和计算机15，耦合传感器10为底部涂有石墨烯层或金属膜的棱镜；其特征在于，该光声成像装置还包括第二扩束器9、数字微镜器件11、凸透镜12和光电探测器13，样品池5内含有液体，底部开有窗口并密封透声薄膜，透声薄膜通过超声耦合剂与成像物体接触；成像物体放在载物台4上；耦合传感器的棱镜底部的石墨烯层或金属膜浸入到样品池5的液体中；数字微镜器件11与计算机15连接，光电探测器13与数据采集卡14连接，数据采集卡14与计算机15连接；光声激光器1与计算机15连接；

探测激光器7发出探测激光，经偏振光分束器8分离出p偏振光，p偏振光经第二扩束器9扩束形成探测光面光源，入射至耦合传感器10底部，调整入射方向使耦合传感器底部的石墨烯层或金属膜发生表面等离子体共振现象，探测光面光源在耦合传感器底部的照射区域作为探测窗口；光声激光器1发出脉冲激发光经反射镜2反射，进入第一扩束器3扩束后形成激发光面光源照射到载物台上的成像物体上；成像物体发出超声信号，超声信号透过样品池5的透声薄膜后经样品池中液体的传播到达耦合传感器10底部探测窗口，引起探测窗口处石墨烯层或金属膜附近液体的折射率随时间变化；探测窗口的石墨烯层或金属膜附近液体的折射率变化会引起探测窗口处p偏振光的反射率变化；从耦合传感器10的探测窗口反射出的探测光面光源经数字微镜器件11编码调制形成结构光后反射至凸透镜后聚焦至光电探测器13中；光电探测器将光信号转为电信号后由数据采集卡14采集至计算机15中进行图像重建。

所述计算机内设置图像重建模块，所述图像重建模块用于计算三维光声图像，包括探测窗口反射光强的解调、利用探测窗口反射光强得到超声信号强度以及光声图像的重建三部分；a)探测窗口反射光强的解调：

设置棱镜底面探测窗口S所在平面为z坐标为0的xy平面，探测窗口S的中心为xy平面的坐标原点，垂直于棱镜底面探测窗口S所在平面方向向下为z的正方向；

光电探测器13获得的光强信号是探测光面光源经探测窗口的反射光经过数字微镜器件编码调制后形成的结构光的光强总和，将探测窗口S离散成N×N个点反射单元，数据采集卡在时刻t采集到的经数字微镜器件第m次编码的结构光光强对应的电信号记为y(m,t)；时刻t耦合传感器的棱镜底面探测窗口S内的点反射单元反射的反射光强为q(x,y,t)，其中(x,y)为点反射单元的位置坐标；时刻t第m次数字微镜器件的编码调制矩阵记为A(m,x,y,t)，t为数据采集卡采集信号时间相对于光声激光器发出激光的时间差；

电信号y(m,t)、编码调制矩阵A(m,x,y,t)、反射光强q(x,y,t)三者的关系为式(1)：

y(m,t)＝A(m,x,y,t)*q(x,y,t)(1)

通过采集m次光电探测器的时序电信号得到m个已知的y(m,t)，t＝t0,t1,…,ti,…tn，n为整数，y(m,t)为一个时序序列，t的最大值tn大于光声成像的成像物体的三维成像区域中的体素与探测窗口S内的点反射单元距离中的最大值除以成像物体中的声速，t的取值间隔遵循采样定理，对于百MHz的信号，应小于5ns；A(m,x,y,t)为已知的数字微镜器件的编码调制矩阵，利用ti时刻m次光电探测器的电信号y(m,ti)，求解式(1)得到ti时刻的q(x,y,ti)，依此利用不同t时刻m次光电探测器的电信号y(m,t)，得到所有t时刻的q(x,y,t)，此过程即为探测窗口反射光强的解调；

b)利用探测窗口反射光强得到超声信号强度：

探测窗口中每个点反射单元的反射光强q(x,y,t)与光声激光器激发成像物体发出的超声信号强度p(x,y,t)呈线性关系，即满足式(2)：

p(x,y,t)＝a*q(x,y,t)+b(2)

其中，a，b为常数，通过设置两个以上已知强度的p(x,y,t)和测得的q(x,y,t)，求解式(2)即得到a、b的值；再利用已知a、b值时的式(2)，通过反射光强q(x,y,t)能获得超声信号强度p(x,y,t)；

c)光声图像的重建：

利用经过步骤a)和步骤b)后得到的所有t时刻的超声信号p(x,y,t)，其中t为步骤a)中数据采集卡采集信号时间相对于光声激光器发出激光的时间差，利用p(x,y,t)进行滤波反投影重建即能得到三维光声图像。

第二方面，本发明提供一种基于结构光探测的光声成像方法，其特征在于，该成像方法的具体步骤是：

1)探测激光器发出探测激光，经偏振光分束器分离出p偏振光后，p偏振光经第二扩束器扩束形成探测光面光源，入射至耦合传感器的棱镜底面石墨烯层或金属膜上，照射区域作为探测窗口，使之产生表面等离子体共振现象后反射出棱镜，反射出棱镜的探测光面光源经数字微镜器件编码调制形成结构光后经凸透镜汇聚至光电探测器中；

2)计算机控制数字微镜器件实现一次编码并保持不变，数字微镜器件的编码保持时长应大于光声成像对成像物体的三维成像区域中的体素与探测窗口的点反射单元距离中的最大值除以成像物体中的声速得到的时间长度；

3)光声激光器发出激发光脉冲，经反射镜反射，进入第一扩束器扩束后形成激发光面光源照射到载物台上的成像物体上，成像物体发出超声信号，透过样品池的薄膜后再经过样品池中液体的传播作用于耦合传感器探测窗口处石墨烯层或金属膜附近液体，引起液体的折射率随时间的变化，再引起经耦合传感器探测窗口处石墨烯层或金属膜反射的探测光面光源光强变化，从而最终引起经数字微镜器件编码调制形成的结构光被凸透镜汇聚至光电探测器后产生的电信号变化；

4)与光声激光器发出激发光脉冲的同时，数据采集卡开始采集光电探测器的电信号并传入计算机，采集时长等于所述数字微镜器件的编码保持时长；

5)重复2)到4)多次；

6)利用上述多次采集的电信号依次进行探测窗口反射光强的解调，根据得到的探测窗口每一个点反射单元的反射光强，结合反射光强与超声信号强度的线性关系获得超声信号强度，最后经滤波反投影重建获得三维光声图像。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

已有的基于表面等离子体共振的光声成像虽然带宽宽(百MHz以上)，但由于快速响应的面阵光电探测器制造极其困难且价格十分昂贵，光电探测器只能使用单像素探测器，探测光只能为单点聚焦方式，一次只能探测一个位置点的反射光强信号，即等效于单阵元超声探测器，如果进行三维光声成像，需要机械移动探测光单点聚焦探测的装置进行二维扫描，不但成像速度慢，而且机械移动装置容易带来抖动引起运动伪影和噪声。而且单点聚焦一次只采集一个位置点的超声信号，信号强度弱，由于受到环境光和电子噪声等的影响，信噪比低、灵敏度差。

本发明使用探测光面光源照射到耦合传感器探测窗口的反射光经数字微镜器件编码调制形成结构光，结构光经凸透镜汇聚至单像素探测器被数据采集卡采集后，再经计算机的图像重建模块得到光声图像。通过结合耦合传感器、数字微镜器件编码调制的结构光、快速响应的单像素光电探测器和计算机的图像重建模块，实现快速响应的面阵超声探测。这种基于结构光探测的方法相比于已有的探测光单点聚焦探测方法，每次采集多个位置点反射光强信号的和，可以较大提高光强信号探测的灵敏度和信噪比，减少环境光和电子噪声的影响。而且基于结构光探测的方法无需机械移动，只需要通过改变数字微镜器件的编码多次，再经计算机的图像重建模块即可计算出三维光声图像，从而大大提高成像速度和降低运动伪影与噪声。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

其中1为光声激光器，2为反射镜，3为第一扩束器，4为载物台，5为样品池，6为成像物体，7为探测激光器，8为偏振光分束器，9为第二扩束器，10为耦合传感器，11为数字微镜器件，12为凸透镜，13为光电探测器，14为数据采集卡，15为计算机。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

本发明基于结构光探测的光声成像装置(参见图1)包括光声激光器1、反射镜2、第一扩束器3、载物台4、样品池5、探测激光器7、偏振光分束器8、第二扩束器9、耦合传感器10、数字微镜器件11、凸透镜12、光电探测器13、数据采集卡14和计算机15。其中，耦合传感器10为底部涂有石墨烯层或金属膜的棱镜；样品池5内含有液体，底部开有窗口并密封透声薄膜，透声薄膜通过超声耦合剂与成像物体接触；成像物体6放在载物台4上；耦合传感器10的棱镜底部的石墨烯层或金属膜浸入到样品池5的液体中；数字微镜器件11与计算机15连接，光电探测器13与数据采集卡14连接，数据采集卡14与计算机15连接；光声激光器1与计算机15连接；探测激光器7发出探测激光，经偏振光分束器8分离出p偏振光，p偏振光经第二扩束器9扩束形成探测光面光源，入射至耦合传感器10底部，调整入射方向使耦合传感器10底部的石墨烯层或金属膜发生表面等离子体共振现象，探测光面光源在耦合传感器10底部的照射区域作为探测窗口；计算机15控制光声激光器1发出脉冲激发光经反射镜2反射，进入第一扩束器3扩束后形成激发光面光源照射到载物台4上的成像物体6上；成像物体6发出超声信号，超声信号透过样品池5的透声薄膜后经样品池5中液体的传播到达耦合传感器10底部探测窗口，引起探测窗口处石墨烯层或金属膜附近液体的折射率随时间变化；探测窗口的石墨烯层或金属膜附近液体的折射率变化会引起探测窗口处p偏振光的反射率变化；从耦合传感器10的探测窗口反射出的探测光面光源经数字微镜器件11编码调制形成结构光后反射至凸透镜12后聚焦至光电探测器13中。光电探测器13将光信号转为电信号后由数据采集卡14采集至计算机15中进行图像重建。

本发明的耦合传感器10为底部涂有石墨烯层或金属膜的棱镜，石墨烯层或金属膜发生表面等离子体共振时，耦合传感器反射的p偏振光反射率的变化也即光电探测器13探测光强的变化随超声信号引起的探测窗口的石墨烯层或金属膜附近液体的折射率变化而变化，从而实现超声信号的探测。表面等离子体倏逝场穿透深度极浅的特性，使得超声探测带宽可达百MHz以上。

本发明中第二扩束器9可以用来调节探测光光斑的大小，形成探测光面光源。

光电探测器13为快速响应的单像素光电探测器，其对光强变化的响应带宽应大于百MHz，以满足对百MHz以上频率超声信号快速变化的响应。

数字微镜器件11用于编码调制由耦合传感器的探测窗口反射出的探测光面光源，形成结构光后经凸透镜汇聚至光电探测器中。数字微镜器件编码采用傅里叶编码或者哈达玛编码或格雷编码等。

计算机15用于控制光电信号的采集、光声激光器的开关、数字微镜器件的编码调制和图像重建模块。计算机通过与数据采集卡电气连接，控制数据采集卡对光电探测器产生的电信号进行采集，计算机与光声激光器电连接，对光声激光器的开关进行控制，即对光声激光器发出激发光和关闭激发光进行控制。计算机通过与数字微镜器件电连接，用于控制数字微镜器件的编码调制。

所述图像重建模块用于计算三维光声图像，包括探测窗口反射光强的解调、利用探测窗口反射光强得到超声信号强度以及光声图像的重建三部分。

a)探测窗口反射光强的解调：

光电探测器13获得的光强信号是探测光面光源经探测窗口(记为S)的反射光经过数字微镜器件编码调制后形成的结构光的光强总和。将探测窗口S离散成N×N个点反射单元。数据采集卡在时刻t采集到的经数字微镜器件第m次编码的结构光光强对应的电信号记为y(m,t)。时刻t耦合传感器的棱镜底面探测窗口S内的点反射单元的反射光强为q(x,y,t)，其中(x,y)为点反射单元的位置坐标。棱镜底面探测窗口S所在平面为z坐标为0的xy平面。探测窗口S的中心为xy平面的坐标原点。垂直于棱镜底面探测窗口S所在平面方向向下为z的正方向。时刻t第m次数字微镜器件的编码调制矩阵记为A(m,x,y,t)。t为数据采集卡采集信号时间相对于光声激光器1发出激光的时间差。则：

y(m,t)＝A(m,x,y,t)*q(x,y,t)(1)

通过采集m次光电探测器的时序电信号得到m个已知的y(m,t)(t＝t0,t1,…,ti,…tn，n为整数),y(m,t)为一个时序序列，t的取值例如最小值t0＝0ns，最大值tn略大于光声成像对成像物体的三维成像区域中的体素与探测窗口S内的点反射单元距离中的最大值除以成像物体中的声速，t的取值间隔遵循采样定理，对于百MHz的信号，应小于5ns。A(m,x,y,t)为已知的数字微镜器件的编码调制矩阵，如傅里叶编码等。利用ti时刻m次光电探测器的电信号y(m,ti)，求解式(1)即可得到ti时刻的q(x,y,ti)。例如编码调制矩阵为傅里叶编码时，对y(m,ti)做反傅里叶变换即可得到q(x,y,ti)。依此利用不同t时刻m次光电探测器的电信号y(m,t)，得到所有t时刻的q(x,y,t)。此过程即为探测窗口反射光强的解调。

b)利用探测窗口反射光强得到超声信号强度：

探测窗口中每个点反射单元的反射光强q(x,y,t)与光声激光器1激发成像物体发出的超声信号强度p(x,y,t)呈线性关系，即满足：

p(x,y,t)＝a*q(x,y,t)+b(2)

其中，a，b为常数。通过设置两个以上已知强度的p(x,y,t)和测得的q(x,y,t)，求解式(2)即可得到这两个常数。又由于p(x,y,t)和q(x,y,t)呈线性关系，所以对于非定量的光声成像，也可使用q(x,y,t)代替p(x,y,t)直接进行下面光声图像的重建。

c)光声图像的重建：

利用经过步骤a)和步骤b)后得到的所有t时刻的超声信号p(x,y,t)，其中t为步骤a)中数据采集卡采集信号时间相对于光声激光器1发出激光的时间差，(x,y)为步骤a)中点反射单元的位置坐标。利用p(x,y,t)进行滤波反投影重建即可得到三维光声图像。

由于百MHz的高频超声信号是一个快速变化的信号，要想通过探测光强变化来反映超声信号变化，就要求光电探测器的光强变化响应带宽大于百MHz，而达到此响应速度的面阵光电探测器难以制作或价格非常昂贵，只能选用快速响应光强变化的单像素光电探测器，所以已有的基于表面等离子体共振的超声探测装置的探测光均为单点聚焦方式。

本发明使用探测光面光源入射到耦合传感器探测窗口，通过数字微镜器件对反射光的编码调制形成结构光，结构光再经凸透镜汇聚至快速响应光强变化的单像素光电探测器，再结合计算机的图像重建模块中步骤a)可以获得探测窗口反射光强(即探测窗口每一个点反射单元的反射光强)，实现了一个百MHz以上光强变化响应带宽(即快速响应光强变化)的面阵光电探测器功能。根据得到的探测窗口每一个点反射单元的反射光强，再结合图像重建模块的b)和c)步骤即可重建光声图像。成像步骤如下：

7)探测激光器(如氦氖激光器)发出探测激光，经偏振光分束器分离出p偏振光后，p偏振光经第二扩束器扩束形成探测光面光源，入射至耦合传感器的棱镜底面石墨烯层或金属膜上(照射区域作为探测窗口)，使之产生表面等离子体共振现象后反射出棱镜。反射出棱镜的探测光面光源经数字微镜器件编码调制形成结构光后经凸透镜汇聚至光电探测器中。

8)计算机控制数字微镜器件实现一次编码并保持不变。数字微镜器件的编码保持时长应大于光声成像对成像物体的三维成像区域中的体素与探测窗口的点反射单元距离中的最大值除以成像物体中的声速。

9)计算机控制光声激光器发出1个某波长的激发光脉冲(如532nm)，经反射镜反射，进入第一扩束器扩束后形成激发光面光源照射到载物台上的成像物体上。成像物体发出超声信号，透过样品池的薄膜后再经过样品池中液体的传播作用于耦合传感器探测窗口处石墨烯层或金属膜附近液体，引起液体的折射率随时间的变化，再引起经耦合传感器探测窗口处石墨烯层或金属膜反射的探测光面光源光强变化，从而最终引起经数字微镜器件编码调制形成的结构光被凸透镜汇聚至光电探测器后产生的电信号变化。

10)与光声激光器发出激发光脉冲的同时，计算机控制数据采集卡开始采集光电探测器的电信号并传入计算机。采集时长等于所述数字微镜器件的编码保持时长。

11)重复2)到4)多次，重新实现新的编码。

12)计算机的图像重建模块利用上述多次采集的电信号依次进行探测窗口反射光强的解调、利用探测窗口反射光强得到超声信号强度以及光声图像的重建，最终获得三维光声图像。

实施例1

如图1所示，光声激光器1发出某波长的脉冲激发光(如532nm)，经反射镜2反射，进入第一扩束器3扩束后形成激发光面光源照射到载物台4上的成像物体6上，成像物体6发出超声信号。

载物台4用于安放和固定成像物体6，且对激发光透明。

样品池5内含有液体(如水)，底部开有窗口并密封透声薄膜，透声薄膜通过超声耦合剂与成像物体6接触。

耦合传感器10为底部涂有石墨烯层或金属膜的棱镜。棱镜底部的石墨烯层或金属膜浸入到样品池5的液体中。

探测激光器7(如氦氖激光器)发出探测激光，经偏振光分束器8分离出p偏振光后，p偏振光经第二扩束器9扩束形成探测光面光源，入射至耦合传感器10的棱镜底面石墨烯层或金属膜上(照射区域记为S)，使之产生表面等离子体共振现象后反射出棱镜。

反射出棱镜的探测光面光源经数字微镜器件11编码调制形成结构光后经凸透镜12汇聚至光电探测器13中。

光电探测器13将光信号转为电信号后由数据采集卡14采集至计算机15中进行处理与存储。光电探测器13、数据采集卡14和计算机15间为电气连接。

数字微镜器件11用于编码调制由耦合传感器10反射出的探测光面光源，形成结构光后经凸透镜12汇聚至光电探测器13中。因此光电探测器13获得的光强信号是探测光面光源经照射区域S的反射光经过数字微镜器件11编码调制后形成的结构光的光强总和。将照射区域S离散成N×N个点探测单元，通过数字微镜器件11的多次编码调制，再经计算机15解调即可得到照射区域S上每个点探测单元反射的光强。由于光强和超声信号强度为线性关系，因此照射区域S离散成的N×N个点探测单元可等效为一个N×N的超声面阵探测器。数字微镜器件11编码可采用傅里叶编码或者哈达玛编码或格雷编码等。

计算机15用于控制光电信号的采集、数字微镜器件11的编码调制和图像重建模块。计算机15通过与数据采集卡14电气连接控制数据采集卡14对光电探测器13产生的电信号进行采集，计算机与光声激光器1电性连接，对光声激光器1产生的光信号进行采集与控制。计算机15通过与数字微镜器件11电气连接，用于控制数字微镜器件11的编码调制。

计算机15的图像重建模块用于计算三维光声图像。计算机的图像重建模块用于计算三维光声图像。包括照射区域S的N×N个点探测单元反射光强的解调、利用点探测单元反射光强得到超声信号强度以及光声图像的重建三部分。

a)照射区域S的N×N个光强点探测单元光强的解调：

光电探测器13将光信号转化为电信号，且两者成线性关系，数据采集卡14在时刻t采集到的经数字微镜器件11第m次编码的结构光光强对应的电信号记为y(m,t)。时刻t耦合传感器10的棱镜底面照射区域S内的点探测单元反射的反射光强为q(x,y,t)，其中(x,y)为点探测单元的位置坐标。棱镜底面照射区域S所在平面为z坐标为0的xy平面。照射区域S的中心为xy平面的坐标原点。垂直于棱镜底面照射区域S所在平面方向向下为z的正方向。时刻t0第m次数字微镜器件11的编码调制矩阵记为A(m,x,y,t)。t为数据采集卡14采集信号时间相对于光声激光器1发出激光的时间差。三者的关系为：

y(m,t)＝A(m,x,y,t)*q(x,y,t) (1)

通过采集m次光电探测器的时序电信号得到m个已知的y(m,t)，t＝t0,t1,…,ti,…tn，n为整数，y(m,t)为一个时序序列，t的最大值tn大于光声成像的成像物体的三维成像区域中的体素与探测窗口S内的点反射单元距离中的最大值除以成像物体中的声速，t的取值间隔遵循采样定理，对于百MHz的信号，应小于5ns；A(m,x,y,t)为已知的数字微镜器件的编码调制矩阵，利用ti时刻m次光电探测器的电信号y(m,ti)，求解式(1)得到ti时刻的q(x,y,ti)，依此利用不同t时刻m次光电探测器的电信号y(m,t)，得到所有t时刻的q(x,y,t)，此过程即为探测窗口反射光强的解调。

b)利用点探测单元反射光强得到超声信号强度：

探测窗口中每个点反射单元的反射光强q(x,y,t)与光声激光器激发成像物体发出的超声信号强度p(x,y,t)呈线性关系，即满足式(2)：

p(x,y,t)＝a*q(x,y,t)+b (2)

其中，a，b为常数，通过设置两个以上已知强度的p(x,y,t)和测得的q(x,y,t)，求解式(2)即得到a、b的值；再利用已知a、b值时的式(2)，通过反射光强q(x,y,t)能获得超声信号强度p(x,y,t)。又由于p(x,y,t)和q(x,y,t)成线性关系，所以对于非定量的光声成像，也可使用q(x,y,t)代替p(x,y,t)直接进行下面光声图像的重建。

c)光声图像的重建：

利用经过步骤a)和步骤b)后得到的所有t时刻的超声信号p(x,y,t)，其中t为步骤a)中数据采集卡采集信号时间相对于光声激光器发出激光的时间差，利用p(x,y,t)进行滤波反投影重建即能得到三维光声图像。

成像步骤如下：

1)探测激光器7(如氦氖激光器)发出探测激光，经偏振光分束器8分离出p偏振光后，p偏振光经第二扩束器9扩束形成探测光面光源，入射至耦合传感器10的棱镜底面石墨烯层或金属膜上，使之产生表面等离子体共振现象后反射出棱镜。反射出棱镜的探测光面光源经数字微镜器件11编码调制形成结构光后经凸透镜12汇聚至光电探测器13中。

2)计算机15控制数字微镜器件11完成一次编码。

3)光声激光器1发出1个某波长的激发光脉冲(如532nm)，经反射镜2反射，进入第一扩束器3扩束后形成激发光面光源照射到载物台4上的成像物体6上。成像物体6发出超声信号，透过样品池5的薄膜后再经过样品池5中液体的传播作用于耦合传感器10石墨烯层或金属膜附近液体，引起液体的折射率随时间的变化，再引起经耦合传感器10石墨烯层或金属膜反射的探测光面光源光强变化，从而最终引起经数字微镜器件11编码调制形成的结构光被凸透镜12汇聚至光电探测器13后产生的电信号变化。

4)与光声激光器1发出激发光脉冲的同时，数据采集卡14开始采集光电探测器13的电信号并传入计算机15。

5)重复2)到4)多次。

6)计算机15的图像重建模块利用上述多次采集的电信号依次进行解调、利用点探测单元反射光强得到超声信号强度以及光声图像的重建，最终获得三维光声图像。

综上，本申请在保证宽带探测的基础上，将超声信号引起的光强变化的动态过程，用面探测的方式实现三维光声成像，信噪比和灵敏度更高，成像速度更快且无需机械移动成像物体或者超声探测装置。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种基于结构光探测的光声成像装置，包括光声激光器、反射镜、第一扩束器、载物台、样品池、探测激光器、偏振光分束器、耦合传感器、数据采集卡和计算机，耦合传感器为底部涂有石墨烯层或金属膜的棱镜；其特征在于，该光声成像装置还包括第二扩束器、数字微镜器件、凸透镜和光电探测器，样品池内含有液体，底部开有窗口并密封透声薄膜，透声薄膜通过超声耦合剂与成像物体接触；成像物体放在载物台上；耦合传感器的棱镜底部的石墨烯层或金属膜浸入到样品池的液体中；数字微镜器件与计算机连接，光电探测器与数据采集卡连接，数据采集卡与计算机连接；光声激光器与计算机连接；

探测激光器发出探测激光，经偏振光分束器分离出p偏振光，p偏振光经第二扩束器扩束形成探测光面光源，入射至耦合传感器底部，调整入射方向使耦合传感器底部的石墨烯层或金属膜发生表面等离子体共振现象，探测光面光源在耦合传感器底部的照射区域作为探测窗口；光声激光器发出脉冲激发光经反射镜反射，进入第一扩束器扩束后形成激发光面光源照射到载物台上的成像物体上；成像物体发出超声信号，超声信号透过样品池的透声薄膜后经样品池中液体的传播到达耦合传感器底部探测窗口，引起探测窗口处石墨烯层或金属膜附近液体的折射率随时间变化；探测窗口的石墨烯层或金属膜附近液体的折射率变化会引起探测窗口处p偏振光的反射率变化；从耦合传感器的探测窗口反射出的探测光面光源经数字微镜器件编码调制形成结构光后反射至凸透镜后聚焦至光电探测器中；光电探测器将光信号转为电信号后由数据采集卡采集至计算机中进行图像重建。

2.根据权利要求1所述的基于结构光探测的光声成像装置，其特征在于，所述光电探测器为单像素光电探测器，光电探测器对光强变化的响应速度应带宽应大于百MHz，以满足对百MHz以上频率超声信号快速变化的响应。

3.根据权利要求1所述的基于结构光探测的光声成像装置，其特征在于，所述数字微镜器件编码采用傅里叶编码、者哈达玛编码或格雷编码。

4.根据权利要求1所述的基于结构光探测的光声成像装置，其特征在于，所述计算机内设置图像重建模块，所述图像重建模块用于计算三维光声图像，包括探测窗口反射光强的解调、利用探测窗口反射光强得到超声信号强度以及光声图像的重建三部分；

a)探测窗口反射光强的解调：

设置棱镜底面探测窗口S所在平面为z坐标为0的xy平面，探测窗口S的中心为xy平面的坐标原点，垂直于棱镜底面探测窗口S所在平面方向向下为z的正方向；

光电探测器获得的光强信号是探测光面光源经探测窗口的反射光经过数字微镜器件编码调制后形成的结构光的光强总和，将探测窗口S离散成N×N个点反射单元，数据采集卡在时刻t采集到的经数字微镜器件第m次编码的结构光光强对应的电信号记为y(m,t)；时刻t耦合传感器的棱镜底面探测窗口S内的点反射单元反射的反射光强为q(x,y,t)，其中(x,y)为点反射单元的位置坐标；时刻t第m次数字微镜器件的编码调制矩阵记为A(m,x,y,t)，t为数据采集卡采集信号时间相对于光声激光器发出激光的时间差；

电信号y(m,t)、编码调制矩阵A(m,x,y,t)、反射光强q(x,y,t)三者的关系为式(1)：

y(m,t)＝A(m,x,y,t)*q(x,y,t) (1)

通过采集m次光电探测器的时序电信号得到m个已知的y(m,t)，t＝t0,t1,…,ti,…tn，n为整数，y(m,t)为一个时序序列，t的最大值tn大于光声成像的成像物体的三维成像区域中的体素与探测窗口S内的点反射单元距离中的最大值除以成像物体中的声速，t的取值间隔遵循采样定理，对于百MHz的信号，应小于5ns；A(m,x,y,t)为已知的数字微镜器件的编码调制矩阵，利用ti时刻m次光电探测器的电信号y(m,ti)，求解式(1)得到ti时刻的q(x,y,ti)，依此利用不同t时刻m次光电探测器的电信号y(m,t)，得到所有t时刻的q(x,y,t)，此过程即为探测窗口反射光强的解调；

b)利用探测窗口反射光强得到超声信号强度：

探测窗口中每个点反射单元的反射光强q(x,y,t)与光声激光器激发成像物体发出的超声信号强度p(x,y,t)呈线性关系，即满足式(2)：

p(x,y,t)＝a*q(x,y,t)+b (2)

其中，a，b为常数，通过设置两个以上已知强度的p(x,y,t)和测得的q(x,y,t)，求解式(2)即得到a、b的值；再利用已知a、b值时的式(2)，通过反射光强q(x,y,t)能获得超声信号强度p(x,y,t)；

c)光声图像的重建：

利用经过步骤a)和步骤b)后得到的所有t时刻的超声信号p(x,y,t)，其中t为步骤a)中数据采集卡采集信号时间相对于光声激光器发出激光的时间差，利用p(x,y,t)进行滤波反投影重建即能得到三维光声图像。

5.一种基于结构光探测的光声成像方法，其特征在于，该成像方法的具体步骤是：

1)探测激光器发出探测激光，经偏振光分束器分离出p偏振光后，p偏振光经第二扩束器扩束形成探测光面光源，入射至耦合传感器的棱镜底面石墨烯层或金属膜上，照射区域作为探测窗口，使之产生表面等离子体共振现象后反射出棱镜，反射出棱镜的探测光面光源经数字微镜器件编码调制形成结构光后经凸透镜汇聚至光电探测器中；

2)计算机控制数字微镜器件实现一次编码并保持不变，数字微镜器件的编码保持时长应大于光声成像对成像物体的三维成像区域中的体素与探测窗口的点反射单元距离中的最大值除以成像物体中的声速得到的时间长度；

3)光声激光器发出激发光脉冲，经反射镜反射，进入第一扩束器扩束后形成激发光面光源照射到载物台上的成像物体上，成像物体发出超声信号，透过样品池的薄膜后再经过样品池中液体的传播作用于耦合传感器探测窗口处石墨烯层或金属膜附近液体，引起液体的折射率随时间的变化，再引起经耦合传感器探测窗口处石墨烯层或金属膜反射的探测光面光源光强变化，从而最终引起经数字微镜器件编码调制形成的结构光被凸透镜汇聚至光电探测器后产生的电信号变化；

4)与光声激光器发出激发光脉冲的同时，数据采集卡开始采集光电探测器的电信号并传入计算机，采集时长等于所述数字微镜器件的编码保持时长；

5)重复2)到4)多次；

6)利用上述多次采集的电信号依次进行探测窗口反射光强的解调，根据得到的探测窗口每一个点反射单元的反射光强，结合反射光强与超声信号强度的线性关系获得超声信号强度，最后经滤波反投影重建获得三维光声图像。

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