CN107607473B - 一种同时多点激发与匹配接收的光声三维成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同时多点激发与匹配接收的光声三维成像装置及方法，装置中，计算机处理***控制光声信号激发***的启闭，接收光声信号预处理***处理后的数据并处理数据后进行重建成像，控制三维扫描***的运行；光声信号激发***将脉冲激光整形为线形光源后利用微透镜阵列聚焦出多个光焦点，多个光焦点同时激发样品产生多源光声信号；光声信号接收***并行接收多源光声信号；光声信号预处理***对多源光声信号进行放大和滤波，将信号发送到计算机处理***；待成像样品放置在一水槽中，三维扫描***用于调节水槽和光声信号激发***的空间位置。本发明利用微透镜阵列和线性声探测阵列的空间布局，可实现快速、大范围的光声三维成像。

Description

一种同时多点激发与匹配接收的光声三维成像装置及方法

技术领域

本发明涉及光声成像研究领域，特别涉及一种同时多点激发与匹配接收的光声三维成像装置及方法。

背景技术

光声成像是一种结合了光学成像和超声成像的非侵入式的成像技术，它同时具有光学成像的高对比度、高分辨率和超声成像的高穿透性的特点。光声成像建立在光产生声的基本原理，当用短脉冲激光照射在生物组织上时，生物组织吸收脉冲能量迅速膨胀产生超声，即光声信号，根据光声信号可以重建出反映生物组织结构和功能信息的图像。光声成像克服了一些传统成像方式的缺点，例如：与光学相干层析成像(OCT)相比，由于组织光学强散射性造成OCT的测量深度限制在毫米量级的浅层，而光声成像技术可达厘米量级；与纯超声成像相比，在声阻抗相差不大的区域超声成像的对比度很低，而光声成像则利用不同组织的吸收差异来重建出高对比度的图像，因此光声成像的迅速发展，对于生物医学影像领域的发展具有推动作用。

对于光声成像来说提高成像速度实现实时监测动态生理过程具有重要意义，但是受限于脉冲激光的重复频率和机械扫描的速度，目前大多数采用的单一光焦点和单一声焦点的成像模式很难实现高速光声三维成像。申请号201010139117.X的专利申请公开了一种基于面阵超声探测器的快速三维光声成像***及方法，该发明建立了以面阵探测器为基础的非扫描光声成像***实现了快速三维光声成像，但是该***的不足是激发光源是非聚焦激光，因此该***的分辨率由声学分辨率决定，但受限于面阵超声探测器的阵元尺寸和阵元间距，该***很难实现高分辨率的光声显微成像。申请号201110171027.3的专利申请公开了一种快速光声三维成像装置，该发明通过可编程逻辑阵列模块控制光学掩膜中各个微镜片的通断避免了使用机械扫描装置，但是该装置工作状态下大部分微透镜处于断开状态使得激光源利用率极低，而且光源激发和光声信号的采集均需要复杂的电路控制以及激发与采集的位置以及时序都要严格统一，整个硬件与程序都很复杂不便于实际运用。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种同时多点激发与匹配接收的光声三维成像装置及方法，装置合理利用微透镜阵列和线性声探测阵列的空间布局，实现高效的光声激发与接收，可实现快速、大范围的光声三维成像。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种同时多点激发与匹配接收的光声三维成像装置，包括计算机处理***、光声信号激发***、光声信号接收***、光声信号预处理***和三维扫描***，其中：

计算机处理***控制光声信号激发***的启闭，接收光声信号预处理***处理后的数据并处理数据后进行重建成像，控制三维扫描***的运行；

光声信号激发***先将脉冲激光整形为线形光源，然后利用光声信号激发***中的微透镜阵列聚焦出多个光焦点，实现多焦点线性激发，多个光焦点同时激发样品产生多源光声信号；

光声信号接收***并行接收上述多源光声信号；

光声信号预处理***对多源光声信号进行放大和滤波，通过多通道信号采集***将信号发送到计算机处理***；

待成像样品放置在一水槽中，三维扫描***用于调节水槽和光声信号激发***的空间位置。

优选的，所述光声信号激发***包括纳秒脉冲激光器、耦合光路、线形激光发生透镜和微透镜阵列，耦合光路将纳秒脉冲激光器发出的脉冲激光耦合到光纤中传输并进行准直得到平行光束，线形激光发生透镜将平行光束转换成能量分布均匀的一条线形激光，微透镜阵列固定在线形激光发生透镜正下方，采用单行微透镜单元阵列，线形激光通过微透镜阵列聚焦后产生一行光焦点。

更进一步的，所述耦合光路包括光纤耦合器、单模光纤、光纤准直器，纳秒脉冲激光器发出的脉冲激光通过光纤耦合器将激光耦合到单模光纤中，脉冲激光经单模光纤传输到光纤准直器，光纤准直器与线形激光发生透镜同轴设置。采用光学元件，耦合效率可大于80％。

更进一步的，所述单模光纤输出端通过FC/PC标准接头连接光纤准直器。

更进一步的，所述线形激光发生透镜采用鲍威尔棱镜。鲍威尔棱镜将平行光束转换成能量分布均匀的线形光源的能力较强。

更进一步的，所述微透镜阵列为方形网格排列的熔融的石英透镜，经过光学定制切割后只利用其中单行微透镜单元，微透镜形状为圆形或者方形。

更进一步的，所述微透镜阵列镀有400-900nm波长的增透膜。光透过率大于99％，线形激光通过微透镜阵列聚焦后可产生一行近衍射极限限制的光斑尺寸的焦点。

优选的，所述线形激光发生透镜和微透镜阵列均通过环氧树脂胶水粘合在一光学不锈钢镜座上。

优选的，所述光声信号接收***采用八字形线性声探测阵列，该声探测阵列由两个呈镜像对称分布的子超声换能器阵列构成，子超声换能器阵列由多个声探测阵元组成，每个光焦点与两侧几何对应的两个声探测阵元组成一个光/声激发接收匹配单元，八字形线性声探测阵列通过相控阵技术对激发的多源光声信号进行采集。

更进一步的，所述两个子超声换能器阵列以一定的倾斜角度分居微透镜阵列两侧，微透镜阵列聚焦出的一行光焦点从两个子超声换能器阵列的中间部分完全穿过照射在样品表面。当光焦点激发样品产生光声信号后，两侧的子超声换能器阵列不会受到微透镜阵列在空间上的遮挡，换能器能够完全接收到样品产生的光声信号。

优选的，所述光声信号预处理***包括依次连接的三级多通道信号放大模块、带通滤波器和多通道信号采集***。

优选的，所述三维扫描***包括三维扫描平台、三维扫描平台驱动器及扫描控制器，扫描控制器与计算机处理***相连，计算机处理***控制三维扫描平台的扫描速度和扫描范围。

更进一步的，所述三维扫描平台包括三个一维的超声电机，配有光栅尺，采用闭环控制。

更进一步的，所述三维扫描平台的外壳、三维扫描平台驱动器的地线，光声信号接收***的信号线地线、光声信号预处理***的地线之间均通过铜线电气连接。

一种基于上述光声三维成像装置的成像方法，包括步骤：

(1)将样品固定到水槽中，样品位于微透镜阵列的正下方，将水槽中加满去离子水用来耦合光声信号；

(2)根据A扫信号的大小来调整微透镜阵列与样品的垂直距离，使样品刚好位于微透镜阵列的焦点处；

(3)计算机处理***同时给光声信号激发***、三维扫描***及光声信号预处理***同步脉冲触发信号，以进行并行扫描、采集、存储；

(4)计算机处理***将采集到的光声信号通过重建算法重建出反映样品不同结构对激光不同吸收情况的三维光声图像。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明装置最大的创新点是先利用光学元件将脉冲激光整形为线形光源，再利用微透镜阵列聚焦出多个光焦点同时激发光声信号，简化了扫描路线，实现了高速光声三维成像。

(2)本发明利用八字形线性声探测阵列的特殊结构使线性激发光路与线性声探测阵列之间没有影响，使激光源完全激发样品且声探测器能够接收到全部的光声信号，确保了光声图像的信噪比。

(3)本发明利用光纤耦合器将激光耦合到单模光纤，激光整形过程中使用的光学元件均带有不锈钢封装，整个***可移动性强，便于实际运用。

附图说明

图1是本实施例装置的***结构示意图。

图2是本实施例八字形线性声探测阵列的线性阵元与10个光焦点的排布示意图。

图3是本实施例一个微透镜单元激发样品与八字形线性声探测阵列接收光声信号的空间示意图。

图4是利用实施例所述装置和成像方法快速重建出的三维立体示例图像。

其中：1-计算机处理***；2-纳秒脉冲激光器；3-耦合光路；4-线形激光发生透镜；5-微透镜阵列；6-八字形线性声探测阵列；7-信号放大模块和带通滤波器；8-20通道信号采集***；9-三维扫描平台驱动器及扫描控制器；10-三维扫描平台；11-水槽。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例公开了一种同时多点激发与匹配接收的光声三维成像装置，该装置包括计算机处理***1、光声信号激发***、光声信号接收***、光声信号预处理***和三维扫描***，下面对每个***的结构和功能进行具体说明。

参见图1-3，光声信号激发***包括纳秒脉冲激光器2、耦合光路3、线形激光发生透镜4和微透镜阵列5，其中耦合光路3包括光纤耦合器、单模光纤、光纤准直器，纳秒脉冲激光器2优选波长532nm，最高重复频率100KHz，脉宽7ns，纳秒脉冲激光器2通过光纤耦合器将激光耦合到单模光纤中，耦合效率大于80％，脉冲激光经单模光纤传输到光纤准直器，光纤准直器与线形激光发生透镜4同轴设置，用于将纳秒脉冲激光器2发出的脉冲激光进行准直得到平行光束。上述单模光纤输出端通过FC/PC标准接头连接光纤准直器。

本实施例中，线形激光发生透镜4用于将平行光束转换成能量分布均匀的一条线形激光，具体采用鲍威尔棱镜，每块透镜的顶部都具有使光功率均匀分布的非球面曲线，使得在线形激光的中心部分光强度变化小于30％，与柱面透镜相比可使线形光能量分布更均匀。

本实施例中，微透镜阵列5固定在线形激光发生透镜4正下方，通过调整线形激光发生透镜4与微透镜阵列5的间距使激光能够全部照射在微透镜阵列表面。微透镜阵列5具体采用方形网格排列的熔融的石英透镜，经过光学定制切割后只利用其中单行微透镜单元，微透镜形状为圆形或者方形，间隔300微米，填充系数100％，在横轴上聚焦出10个光焦点，每个微透镜的焦距均为18.6毫米。所述微透镜阵列镀有400-900nm波长的增透膜。光透过率大于99％，线形激光通过微透镜阵列聚焦后可产生一行近衍射极限限制的光斑尺寸的焦点。

参见图2、3，本实施例中光声信号接收***采用八字形线性声探测阵列，该声探测阵列由两个呈镜像对称分布的子超声换能器阵列6构成，两个子超声换能器阵列6以一定的倾斜角度分居微透镜阵列5两侧。两个子超声换能器阵列位于光焦点的两侧，空间分布如图3所示，阵列含有20个阵元，阵元间距0.2毫米，中心频率15MHz，带宽60％。线性光源激发与光声信号采集在空间上不会影响，保证了光源的完全激发与声信号的完全接收，子超声换能器阵列是由10个条形阵组成的平面阵，每个光焦点的两侧距离最近的条形阵元负责采集该光焦点激发的光声信号，两个阵元采集到的信号进行叠加，并通过光声信号在介质中的传播速度和阵元接收到信号的时间来分辨出不同深度上的信号分布。八字形线性声探测阵列并行采集到的光声信号转化成电信号经过放大器进行放大，然后经过带通滤波器进行滤波处理，最后通过20通道信号采集***并行采集传输，最后计算机处理***通过重建算法快速重建出光声三维图像。

本实施例中，为了便于固定，所述线形激光发生透镜4和微透镜阵列5均通过环氧树脂胶水粘合在一光学不锈钢镜座上。另外，上述光焦点的数量与线性声探测阵列的阵元数量不局限于本装置所用，可根据需求灵活定制器件规格。

本实施例中，光声信号预处理***包括依次连接的三级多通道信号放大模块和带通滤波器7，放大增益共65dB。在应用中，带通滤波器处理后的信号通过一20通道信号采集器8与计算机处理***相连，实现信号的采集。20通道信号采集器，14bit采样精度，500MS/s采样率,可并行对预处理后的信号进行采集处理。

本实施例中，三维扫描***包括三维扫描平台10、三维扫描平台驱动器及扫描控制器9，扫描控制器与计算机处理***1相连，计算机处理***1控制三维扫描平台10的扫描速度和扫描范围。所述三维扫描平台包括三个一维的超声电机，配有光栅尺，采用闭环控制，带负载速度大于20mm/s，定位精度1微米，重复定位精度1微米。

本实施例中，计算机处理***1同时与光声信号激发***、光声信号预处理***、三维扫描***相连，用于控制光声信号激发***的启闭，接收光声信号预处理***处理后的数据并处理数据后进行重建成像，控制三维扫描***的运行。

本实施例中，所述三维扫描平台的外壳、三维扫描平台驱动器的地线，光声信号接收***的信号线地线、光声信号预处理***的地线之间均通过铜线电气连接。

一种基于上述光声三维成像装置的成像方法，包括步骤：

(1)将样品固定到水槽中，样品位于微透镜阵列的正下方，将水槽中加满去离子水用来耦合光声信号；

(2)根据扫描信号的大小来调整微透镜阵列与样品的垂直距离，使样品刚好位于微透镜阵列的焦点处；

(3)计算机处理***同时给脉冲激光器、三维扫描平台及多通道信号采集***同步脉冲触发信号进行高速并行扫描、采集、存储；

(4)计算机处理***将采集到的光声信号通过重建算法快速重建出反映样品不同结构对激光不同吸收情况的三维光声图像。

图4是应用上述实施例装置和成像方法进行的高速光声三维成像，成像步骤如下：

首先利用5％的技术琼脂粉和95％的水混合在一起在容器里做成一个长方体的模型，然后取出两根长约7mm，直径0.5mm的铅笔芯斜***长方体模型中。将模型整体固定到水槽底部，调整水槽的高度使样品的正中心位于微透镜阵列的焦点处，即A扫信号最大处。计算机控制***同时给脉冲激光器、三维扫描平台及多通道信号采集***同步脉冲信号进行高速扫描、采集，最终采集到的信号利用三维重建算法在MTLAB软件上完成图像的重建，图4所示为样品三维重建后的光声图像，成像范围10*10*3mm³，用时2分钟，实现了高速光声三维成像。

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 (10)

1.一种同时多点激发与匹配接收的光声三维成像装置，其特征在于，包括计算机处理***、光声信号激发***、光声信号接收***、光声信号预处理***和三维扫描***，其中：

计算机处理***控制光声信号激发***的启闭，接收光声信号预处理***处理后的数据并处理数据后进行重建成像，控制三维扫描***的运行；

光声信号激发***先将脉冲激光整形为线形光源，然后利用光声信号激发***中的微透镜阵列聚焦出多个光焦点，实现多焦点线性激发，多个光焦点同时激发样品产生多源光声信号；

光声信号接收***并行接收上述多源光声信号；

光声信号预处理***对多源光声信号进行放大和滤波，通过多通道信号采集***将信号发送到计算机处理***；

待成像样品放置在一水槽中，三维扫描***用于调节水槽和光声信号激发***的空间位置。

2.根据权利要求1所述的光声三维成像装置，其特征在于，所述光声信号激发***包括纳秒脉冲激光器、耦合光路、线形激光发生透镜和微透镜阵列，耦合光路将纳秒脉冲激光器发出的脉冲激光耦合到光纤中传输并进行准直得到平行光束，线形激光发生透镜将平行光束转换成能量分布均匀的一条线形激光，微透镜阵列固定在线形激光发生透镜正下方，采用单行微透镜单元阵列，线形激光通过微透镜阵列聚焦后产生一行光焦点。

3.根据权利要求2所述的光声三维成像装置，其特征在于，所述耦合光路包括光纤耦合器、单模光纤、光纤准直器，纳秒脉冲激光器发出的脉冲激光通过光纤耦合器将激光耦合到单模光纤中，脉冲激光经单模光纤传输到光纤准直器，光纤准直器与线形激光发生透镜同轴设置。

4.根据权利要求3所述的光声三维成像装置，其特征在于，所述单模光纤输出端通过FC/PC标准接头连接光纤准直器；

所述线形激光发生透镜采用鲍威尔棱镜；

所述微透镜阵列为方形网格排列的熔融的石英透镜，经过光学定制切割后只利用其中单行微透镜单元，微透镜形状为圆形或者方形；

所述微透镜阵列镀有400-900nm波长的增透膜；

所述线形激光发生透镜和微透镜阵列均通过环氧树脂胶水粘合在一光学不锈钢镜座上。

5.根据权利要求1所述的光声三维成像装置，其特征在于，所述光声信号接收***采用八字形线性声探测阵列，该声探测阵列由两个呈镜像对称分布的子超声换能器阵列构成，子超声换能器阵列由多个声探测阵元组成，每个光焦点与两侧几何对应的两个声探测阵元组成一个光/声激发接收匹配单元，八字形线性声探测阵列通过相控阵技术对激发的多源光声信号进行采集。

6.根据权利要求5所述的光声三维成像装置，其特征在于，所述两个子超声换能器阵列以一定的倾斜角度分居微透镜阵列两侧，微透镜阵列聚焦出的一行光焦点从两个子超声换能器阵列的中间部分完全穿过照射在样品表面。

7.根据权利要求1所述的光声三维成像装置，其特征在于，所述光声信号预处理***包括依次连接的三级多通道信号放大模块、带通滤波器和多通道信号采集***。

8.根据权利要求1所述的光声三维成像装置，其特征在于，所述三维扫描***包括三维扫描平台、三维扫描平台驱动器及扫描控制器，扫描控制器与计算机处理***相连，计算机处理***控制三维扫描平台的扫描速度和扫描范围。

9.根据权利要求8所述的光声三维成像装置，其特征在于，所述三维扫描平台包括三个一维的超声电机，配有光栅尺，采用闭环控制；

所述三维扫描平台的外壳、三维扫描平台驱动器的地线，光声信号接收***的信号线地线、光声信号预处理***的地线之间均通过铜线电气连接。

10.一种基于权利要求1-9任一项所述光声三维成像装置的成像方法，其特征在于，包括步骤：

(1)将样品固定到水槽中，样品位于微透镜阵列的正下方，将水槽中加满去离子水用来耦合光声信号；

(2)根据A扫信号的大小来调整微透镜阵列与样品的垂直距离，使样品刚好位于微透镜阵列的焦点处；

(3)计算机处理***同时给光声信号激发***、三维扫描***及光声信号预处理***同步脉冲触发信号，以进行并行扫描、采集、存储；

(4)计算机处理***将采集到的光声信号通过重建算法重建出反映样品不同结构对激光不同吸收情况的三维光声图像。

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