CN101424667A

CN101424667A - 基于脉冲氙灯光激发的光声成像方法及装置

Info

Publication number: CN101424667A
Application number: CNA2008102198312A
Authority: CN
Inventors: 邢达; 杨思华
Original assignee: South China Normal University
Current assignee: South China Normal University
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2009-05-06

Abstract

本发明提供一种基于脉冲氙灯光激发的光声成像方法及装置。所述方法包括如下步骤：脉冲氙灯管发出的脉冲光经反射后平行输出；经滤光、汇聚后，或直接会聚后，照射到光吸收样品上，吸收体吸收光能产生光声效应，发出超声波；超声探测器定点扫描、旋转扫描或直线扫描采集光声信号，通过采集组件传输并储存于计算机中；对信号进行滤波和积分后，重建光吸收分布并显示于显示屏。装置包括脉冲电源、氙灯、光路调整组件、滤光切换器、样品扫描平台、超声采集组件和信号处理图像重建组件。本发明利用脉冲氙灯激发光声信号，实现光声成像；氙灯光源能量高、结构简单、体积小并且光谱丰富，能有效的降低光声成像***的成本，促进光声成像市场化发展。

Description

基于脉冲氙灯光激发的光声成像方法及装置

技术领域

本发明涉及物理光学成像技术，特别涉及一种基于脉冲氙灯光激发的光声成像方法及装置。

背景技术

光声成像原理是光吸收体吸收脉冲光能，内部瞬间产生温升导致热膨胀而产生压力波(超声波)，即光致超声效应，通过探测吸收体周围的光声信号，经计算机图像重建后可获得被测物体内部光吸收分布的情况。能够产生有效的光声效应的条件是入射的光脉冲要足够的短(纳秒或微秒量级)和入射光能量密度足够的大(每平方厘米达微焦量级)。

目前，所有光声成像***的激发光源都是利用高功率脉冲激光器或连续激光器出射的调制激光来实现。激光能量高、方向性和相干性好，但激光器的成本高，体积大，维护及使用均不方便。而且激光器可选择波谱范围非常有限，例如要想获得近红外光谱则要用到固体宝石激光器或染料激光器，这些激光器的市场价格都在50万人民币以上，而且一些光谱是目前激光器所不能覆盖的。这样使用激光器作为光声激发源就大大抑制了光声成像的技术发展以及光声信号测量以及光声成像***的小型化和市场化。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种基于短脉冲氙灯光代替激光激发的光声成像方法。

本发明的另一目的在于提供一种实现上述方法的装置。

本发明的目的通过以下的技术方案来实现：一种基于脉冲氙灯光激发的光声成像方法，包括如下步骤：

(1)脉冲氙灯管发出的脉冲光经反射后平行输出；

(2)平行输出的脉冲光依次经过滤光和汇聚后，或者直接汇聚后，照射到光吸收样品上，吸收体吸收光能产生光声效应，发出超声波；

(3)超声探测器定点扫描、旋转扫描或直线扫描采集光声信号，通过采集组件传输并储存于计算机中；

(4)对信号进行滤波和积分后，通过背向反投影算法或直线投影算法重建光吸收分布并显示于显示屏。

步骤(1)中，所述脉冲氙灯管为高功率脉冲光管，其发出的光波波长范围为250nm～2200nm。

步骤(1)中，所述反射由柱面反射腔实现的。所述椭圆柱面反射腔是由不锈钢材料制成，内壁经抛光处理后镀银，氙灯管位于椭圆柱面的焦线上，使脉冲光在腔内反射后平行输出。

步骤(2)中，所述滤光是由滤光片切换器实现的，所述滤光片的波带范围是250-2200nm，不同滤光片之间能自由切换。

步骤(2)中，所述汇聚由光学柱面透镜实现。

步骤(3)中，所述超声探测器与其扫描的样品之间充满超声耦合介质，所述超声耦合介质是超声耦合液。

一种上述基于脉冲氙灯光激发的光声成像方法的装置，包括脉冲电源、氙灯、光路调整组件、滤光切换器、样品扫描平台、超声采集组件和信号处理图像重建组件；

其中，脉冲电源与氙灯连接；光路调整组件与滤光切换器连接；超声采集组件与信号处理图像重建组件连接；

所述光路调整组件包括椭圆柱面反射腔和柱面透镜；

所述超声采集组件包括依次连接的超声探头、信号放大器/示波器和信号采集卡；

所述信号处理图像重建组件包含计算机、I/O卡、数据传输卡、LABVIEW软件和matlab软件。

上述装置中，所述样品扫描平台由计算机控制步进驱动器驱动，可上下升降及360度旋转。

上述装置中，所述超声探头包括单元探测器或多元探测器及其相应的采集组件。

上述装置中，脉冲光的照射方向与超声探头的探测方向是同侧发射反向接收、垂直发射侧向接收或者对向发射接收。步骤(2)中，所述柱面透镜是用于将脉冲光作进一步的汇聚以提高照射面积的功率密度。

上述装置中，所述滤光片转换器设有带通范围250-2200nm的滤光片，不同滤光片之间可自由转换，全通状态下可满足方法中不需要滤光的要求。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明方法利用脉冲氙灯光激发光声信号，实现光声成像，相对于用脉冲激光器作为光声激发源大大降低了成像***生产成本(一台脉冲氙灯***约1-2万元，而一台高功率脉冲激光器约15-20万元)，有利于光声成像的市场化发展和规模生产化。

(2)脉冲氙灯***结构简单，体积小，有利于光声成像的小型化，紧凑化；便于移动，方便操作。

(3)脉冲氙灯有丰富光谱区域，可根据样品的特性利用滤光片选择特异性波长的光波进行成像检测，提高检测效率及准确性。例如，对于叶片的脉络成像可选用对绿色强吸收的近红光(800nm)来进行激发来获取高的信噪比；对于表面/亚表面结构的成像可选用短波长的激光来532nm、460nm等来激发获取高的分辨率。

附图说明

图1为本发明短脉冲氙灯激发的光声成像装置的结构示意图，

其中：脉冲氙灯电源1；氙灯发射组件2，包括：高功率氙灯管3、椭圆柱面反射腔4、滤光片切换器5、光学柱面透镜6；样品平台7；样品旋转扫描平台8；超声采集探头9；信号放大器/示波器和信号采集卡10；计算机11；图像显示器12；

图中虚线示意氙灯的光路。

图2为样品照片，两根碳棒平行埋放在琼脂里。

图3为实施例1中的信号激发接收模式示意图。

图4为实施例1中脉冲氙灯光激发的定点光声重建图像，重建图像为碳棒的横截面。

图5为实施例2中的信号激发接收模式示意图。

图6为实施例2中的光声旋转扫描重建图像，重建图像为琼脂样品的横截面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

1、本发明短脉冲氙灯激发的光声成像装置

在图1中，脉冲氙灯电源1发出短脉冲信号瞬间点亮氙灯发射组件2中的高功率脉冲氙灯3，脉冲氙灯光在金属的椭圆柱面反射腔4内反射后汇聚平行输出，后经滤光片5及柱面透镜6后照射到被测样品上。所述脉冲氙灯电源是北京创新四方公司的SSL-CP固态激光电源改造而成，输出功率为3KW以上，输出脉宽为：0.02-0.3ms，工作频率：1-200Hz；而高功率脉冲氙灯由上海嘉新激光光源有限公司配套订制，其单脉冲最大能量达450J，输出光谱范围为：250nm～2200nm。滤光片选用美国Asahi Spectra co.Ltd公司的带通滤光片，分别为：ZBPA530/ZBPA600/ZBPA800/ZBPA850/ZBPA900。柱面透镜自制加工造成用于聚焦光速。

旋转扫描平台7及样品载物平台8是由计算机通过其数字I/O卡与二相步进电机驱动器相连，控制步进电机带动扫描平台旋转扫描或上下升降。

氙灯光照射样品产生的光声信号由超声采集探头9采集接收，信号经超声采集传输组件(信号放大器/示波器和信号采集卡)10后储存于计算机11，后由计算机11中的软件matlab和自编滤波反投影程序算法重建图像并显示在显示屏12上。信号在超声采集组件中先被进行放大，再被带通滤波去除噪声，然后其中的多路信号被相位延迟进行动态聚焦波束合成，最后由信号采集卡(NI-PCI6541)传输并储存计算机11。实验使用超声探测器为多元线性阵列探测器(SIUI，L2L50A)，其中心频率为7.5MHz，带宽为70％，探头尺寸为5×2cm。探测器与样品间用超声耦合液进行耦合。

计算机11选用dual-core celerono1.6GHz CPU，内存2G，含有数字I/O卡、PCI数据采集卡、LABVIEW软件、matlab软件。计算机控制LABVIEW软件实现脉冲氙灯激发的光声信号采集；通过matlab软件实现光声图像滤波、积分、图像重建，经背向反投影算法实现样品内的光吸收分布成像。

2、用本发明方法及装置对模拟样品进行定点光声层析成像

样品光吸收截面体照片如图2所示，两根直径为0.7mm、长约4mm的碳棒埋在琼脂中约深7mm处。***脉冲重复频率为20Hz，选用ZBPA530滤光片使出射530nm的脉冲氙灯光。根据样品的不同，激发与采集模式如图3所示，多元探测器垂直向下正对样品吸收体，探测器与样品间充满超声耦合液，氙灯光由经柱面透镜聚焦，其焦线对准样品光吸收体，探测器采集声信号的截面如图2中虚线所示。图4为脉冲氙灯光激发光声图像。重建图像清晰地反映碳棒的横截面，其尺寸大小与实际情况相符。

3、用本发明方法及装置对模拟样品进行旋转扫描光声成像

激发与采集模式如图5所示，氙灯光经滤光片后不用柱面透镜聚焦而直接照射到样品表面，而探测器与入射光垂直且紧贴样品表面，中间充满超声耦合液。控制步进电机带动扫描平台旋转采集图像，共采集360度范围内的20个位置，图像重建图像如图6所示，重建图像清楚地反演吸收体的形态结构，与样品照片十分吻合。

另外，根据样品的不同，本发明的方法中可不经滤光或使用相应滤光片得到250-2200nm范围的出射光；相应的***装置中滤光片转换器可处于全通状态或使用带通范围在250-2200nm的滤光片。

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

1、一种基于脉冲氙灯光激发的光声成像方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)脉冲氙灯管发出的脉冲光经反射后平行输出；

2、根据权利要求1所述的基于脉冲氙灯光激发的光声成像方法，其特征在于：步骤(1)中，所述脉冲氙灯管为高功率脉冲光管，其发出的光波波长范围为250nm～2200nm。

3、根据权利要求1所述的基于脉冲氙灯光激发的光声成像方法，其特征在于：步骤(1)中，所述反射由椭圆柱面反射腔实现。

4、根据权利要求3所述的基于脉冲氙灯光激发的光声成像方法，其特征在于：所述椭圆柱面反射腔是由不锈钢材料制成，内壁经抛光处理后镀银，氙灯管位于椭圆柱面的焦线上，使脉冲光在腔内反射后平行输出。

5、根据权利要求1所述的基于脉冲氙灯光激发的光声成像方法，其特征在于：步骤(2)中，所述滤光是由滤光片切换器实现的，所述滤光片的带通范围是250-2200nm，不同滤光片之间能自由切换。

6、根据权利要求1所述的基于脉冲氙灯光激发的光声成像方法，其特征在于：步骤(2)中，所述汇聚由光学柱面透镜实现。

7、一种实现权利要求1～6任一项所述基于脉冲氙灯光激发的光声成像方法的装置，其特征在于：包括脉冲电源、氙灯、光路调整组件、滤光切换器、样品扫描平台、超声采集组件和信号处理图像重建组件；

所述光路调整组件包括椭圆柱面反射腔和柱面透镜；

8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述样品扫描平台由计算机控制步进驱动器驱动，能上下升降及360度旋转。

9、根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述超声探头包括单元探测器或多元探测器及其相应的采集组件。

10、根据权利要求7所述的装置，其特征在于：脉冲光的照射方向与超声探头的探测方向是同侧发射反向接收、垂直发射侧向接收或者对向发射接收。