一種便攜式非線性光聲成像系統(tǒng)及光聲成像方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種便攜式非線性光聲成像系統(tǒng)及光聲成像方法，系統(tǒng)包括激光掃描頭、超聲探頭、前置放大器、示波器、鎖相放大器和控制模塊，所述的激光掃描頭的掃描區(qū)域?yàn)闃悠返臋z測(cè)部位，所述的超聲探頭設(shè)在樣品的背面，并正對(duì)掃描區(qū)域，所述的超聲探頭通過(guò)前置放大器分別與示波器、鎖相放大器連接，所述的控制模塊分別與鎖相放大器、激光掃描頭連接，所述的激光掃描頭、示波器、鎖相放大器之間通過(guò)同步信號(hào)線連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有分辨率高、實(shí)現(xiàn)成本低、操作方便、使用范圍廣、無(wú)損傷等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種便攜式非線性光聲成像系統(tǒng)及光聲成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光聲成像技術(shù)，尤其是涉及一種便攜式非線性光聲成像系統(tǒng)及光聲成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光聲成像是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種無(wú)損檢測(cè)成像方法，它結(jié)合了純光學(xué)成像的高對(duì)比度和純超聲成像的高穿透深度，可以提供高分辨率和高對(duì)比度的材料及組織成像。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，材料及組織無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，超聲無(wú)損檢測(cè)已由基于波形特征提取的傳統(tǒng)A超向B超C超及相控陣成像發(fā)展，對(duì)超聲成像的質(zhì)量要求越來(lái)越高。
[0003]由于在600?1300nm之間的近紅外“光學(xué)窗”范圍內(nèi)，生物組織的透光性能好,對(duì)光的吸收小。目前光聲成像技術(shù)在生物組織研究中有很大的發(fā)展。已發(fā)展的光聲顯微成像(Photo Acoustic Microscope, PAM)、光聲計(jì)算層析成像(Photo Acoustic ComputingTomograph, PACT),都是利用光激超聲與組織及結(jié)構(gòu)作用的反射或散射的線性特征來(lái)反映組織的精細(xì)結(jié)構(gòu)，只采用了所激發(fā)超聲的基頻，而其基頻超聲與材料組織作用產(chǎn)生高次的諧頻被忽略。因此超聲非線性響應(yīng)信號(hào)所攜帶組織的精細(xì)結(jié)構(gòu)信息被忽略。
[0004]另一方面B超C超及相控陣超聲成像都是采用壓電材料來(lái)實(shí)現(xiàn)電能和聲能間的轉(zhuǎn)化，由于材料及工藝的限制，探頭難實(shí)現(xiàn)微型化，超聲的頻率及空間分辨率有極限。所激發(fā)和接受超聲的空間分辨率沒(méi)有光聲的高，而且大都不能檢測(cè)超聲與組織作用產(chǎn)生高次的諧頻。因此所得的超聲成像也忽略了非線性響應(yīng)信號(hào)所攜帶組織的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種分辨率高、實(shí)現(xiàn)成本低、操作方便、使用范圍廣、無(wú)損傷的便攜式非線性光聲成像系統(tǒng)及光聲成像方法，通過(guò)改變激光激發(fā)頻率來(lái)產(chǎn)生不同基頻超聲，再通過(guò)鎖相提取基頻超聲與材料組織作用產(chǎn)生高次的諧頻，將提高成像的分辨率，反映材料的精細(xì)結(jié)構(gòu)，不僅可以在生物組織無(wú)損檢測(cè)發(fā)揮更好的作用，而且在傳統(tǒng)材料超聲無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景。
[0006]本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0007]—種便攜式非線性光聲成像系統(tǒng)，其特征在于，包括激光掃描頭、超聲探頭、前置放大器、不波器、鎖相放大器和控制模塊，所述的激光掃描頭的掃描區(qū)域?yàn)闃悠返臋z測(cè)部位，所述的超聲探頭設(shè)在樣品的背面，并正對(duì)掃描區(qū)域，所述的超聲探頭通過(guò)前置放大器分別與示波器、鎖相放大器連接，所述的控制模塊分別與鎖相放大器、激光掃描頭連接，所述的激光掃描頭、示波器、鎖相放大器之間通過(guò)同步信號(hào)線連接。
[0008]一種便攜式非線性光聲成像系統(tǒng)的光聲成像方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0009]I)固定激光掃描頭位置，調(diào)整其與樣品之間的距離，使樣品位于它的焦距上；
[0010]2)設(shè)置激光掃描頭的掃描區(qū)域，并紅光指示，觀察在樣品上顯示的紅光區(qū)域，通過(guò)調(diào)整掃描區(qū)域坐標(biāo)參數(shù)，使掃描區(qū)域?qū)?zhǔn)樣品需要檢測(cè)的部分，存儲(chǔ)相應(yīng)的坐標(biāo)參數(shù)；[0011]3)將超聲探頭放置在樣品背面，正對(duì)著掃描區(qū)域；
[0012]4)將超聲探頭的信號(hào)輸出端連接至前置放大器，將放大后的信號(hào)分別輸出到示波器和鎖相放大器，連接電腦和鎖相放大器的數(shù)據(jù)傳輸線，連接示波器、鎖相放大器和激光器之間的同步信號(hào)線；
[0013]5)激光掃描頭打點(diǎn)，并通過(guò)示波器觀察信號(hào)，調(diào)整前置放大器至相應(yīng)的放大倍數(shù)，使示波器輸出信號(hào)達(dá)到最佳；
[0014]6)設(shè)置掃描區(qū)域參數(shù)、打點(diǎn)頻率、打點(diǎn)時(shí)間和激光能量，所述的鎖相放大器同時(shí)輸出基頻以及兩個(gè)倍頻信號(hào)下的實(shí)部值和虛部值給控制模塊，所述的控制模塊通過(guò)計(jì)算得到該頻率下的幅值和相位，并通過(guò)示波器輸出該頻率的幅值圖和相位圖；
[0015]7)改變激光打點(diǎn)頻率，得到不同頻率下的成像結(jié)果。
[0016]所述的樣品的材質(zhì)為金屬、非金屬、復(fù)合材料或生物組織。
[0017]所述的超聲探頭的中心頻率為2.5MHz或5MHz。
[0018]所述的前置放大器的放大倍數(shù)為40dB。
[0019]所述的激光掃描頭的打點(diǎn)頻率為1.6KHz?IMHz。
[0020]所述的激光掃描頭的焦距為100mm。
[0021]所述的控制模塊為PC機(jī)。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0023]I)分辨率高，采用非線性倍頻成像方法，成像分辨率更高；
[0024]2)實(shí)現(xiàn)成本低，與傳統(tǒng)CT成像相比造價(jià)更低；
[0025]3)操作方便，該裝置可便攜，能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)；
[0026]4)使用范圍廣，可對(duì)被檢測(cè)體進(jìn)行大范圍的快速掃描成像；
[0027]5)該裝置對(duì)被檢測(cè)體沒(méi)有損傷。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1為本發(fā)明光聲成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0029]圖2為本發(fā)明裝置所獲得的IOOKHz下的成像圖；
[0030]圖3為本發(fā)明裝置所獲得的200KHz下的成像圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0032]實(shí)施例
[0033]如圖1所示，一種便攜式非線性光聲成像系統(tǒng)，包括激光掃描頭1、超聲探頭6、前置放大器5、不波器4、鎖相放大器3和控制模塊2,所述的激光掃描頭I的掃描區(qū)域?yàn)闃悠返臋z測(cè)部位，所述的超聲探頭6設(shè)在樣品的背面，并正對(duì)掃描區(qū)域，所述的超聲探頭6通過(guò)前置放大器5分別與示波器4、鎖相放大器3連接，所述的控制模塊2分別與鎖相放大器3、激光掃描頭I連接，所述的激光掃描頭1、示波器4、鎖相放大器3之間通過(guò)同步信號(hào)線連接。所述的控制模塊2為PC機(jī)。
[0034]其中激光掃描頭I包括兩維數(shù)字振鏡，聚焦透鏡及光路動(dòng)態(tài)調(diào)整和控制，并由PC基于MATLAB圖形界面組成開(kāi)放的系統(tǒng)控制、超聲信號(hào)放大采集及處理成像系統(tǒng)。[0035]本實(shí)施例為利用非線性光聲成像裝置對(duì)試樣內(nèi)部缺陷進(jìn)行掃描成像。具體測(cè)量過(guò)程為:
[0036]1、利用鉆床在長(zhǎng)200mm,寬50mm,厚4mm的招板側(cè)邊形成一個(gè)直徑約2毫米深10
毫米的孔；
[0037]2、將鋁板至于載物臺(tái)上，調(diào)整它與激光掃描頭的距離，使其位于激光掃描頭的焦距上；
[0038]3、打開(kāi)激光掃描頭，調(diào)整掃描區(qū)域覆蓋部分人工孔的位置，記下相應(yīng)的掃描區(qū)域參數(shù)；
[0039]4、連接示波器，前置放大器，鎖相放大器，接收探頭，光纖激光器之間的信號(hào)傳輸線和信號(hào)同步線；
[0040]5、使用激光掃描頭打點(diǎn)，調(diào)節(jié)前置放大器至合適的放大倍數(shù)；
[0041]6、打開(kāi)非線性光聲成像系統(tǒng),輸入掃描區(qū)域(步驟3中記錄)、打點(diǎn)頻率、打點(diǎn)時(shí)間、激光能量參數(shù)，運(yùn)行打點(diǎn)，直接輸出相應(yīng)的成像圖；
[0042]7、改變激光打點(diǎn)頻率，得到不同頻率下的成像結(jié)果。如圖2和圖3所示100kHz (a)與200kHz (b)激光打點(diǎn)頻率下所激發(fā)的超聲波頻率不同，其與孔的作用范圍不同，因此所成的像不同，反應(yīng)不同深度的孔缺陷大小信息。
【權(quán)利要求】
1.一種便攜式非線性光聲成像系統(tǒng)，其特征在于，包括激光掃描頭、超聲探頭、前置放大器、示波器、鎖相放大器和控制模塊，所述的激光掃描頭的掃描區(qū)域?yàn)闃悠返臋z測(cè)部位，所述的超聲探頭設(shè)在樣品的背面，并正對(duì)掃描區(qū)域，所述的超聲探頭通過(guò)前置放大器分別與示波器、鎖相放大器連接，所述的控制模塊分別與鎖相放大器、激光掃描頭連接，所述的激光掃描頭、示波器、鎖相放大器之間通過(guò)同步信號(hào)線連接。
2.—種權(quán)利要求1所述的便攜式非線性光聲成像系統(tǒng)的光聲成像方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)固定激光掃描頭位置，調(diào)整其與樣品之間的距離，使樣品位于它的焦距上； 2)設(shè)置激光掃描頭的掃描區(qū)域，并紅光指示，觀察在樣品上顯示的紅光區(qū)域，通過(guò)調(diào)整掃描區(qū)域坐標(biāo)參數(shù)，使掃描區(qū)域?qū)?zhǔn)樣品需要檢測(cè)的部分，存儲(chǔ)相應(yīng)的坐標(biāo)參數(shù)； 3)將超聲探頭放置在樣品背面，正對(duì)著掃描區(qū)域； 4)將超聲探頭的信號(hào)輸出端連接至前置放大器，將放大后的信號(hào)分別輸出到示波器和鎖相放大器，連接電腦和鎖相放大器的數(shù)據(jù)傳輸線，連接示波器、鎖相放大器和激光器之間的同步信號(hào)線； 5)激光掃描頭打點(diǎn)，并通過(guò)示波器觀察信號(hào)，調(diào)整前置放大器至相應(yīng)的放大倍數(shù)，使示波器輸出信號(hào)達(dá)到最佳； 6)設(shè)置掃描區(qū)域參數(shù)、打點(diǎn)頻率、打點(diǎn)時(shí)間和激光能量，所述的鎖相放大器同時(shí)輸出基頻以及兩個(gè)倍頻信號(hào)下的實(shí)部值和虛部值給控制模塊，所述的控制模塊通過(guò)計(jì)算得到該頻率下的幅值和相位，并通過(guò)示波器輸出該頻率的幅值圖和相位圖； 7)改變激光打點(diǎn)頻率，得到不同頻率下的成像結(jié)果。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種光聲成像方法，其特征在于，所述的樣品的材質(zhì)為金屬、非金屬、復(fù)合材料或生物組織。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種光聲成像方法，其特征在于，所述的超聲探頭的中心頻率為 2.5MHz 或 5MHz。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種光聲成像方法,其特征在于,所述的前置放大器的放大倍數(shù)為40dB。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種光聲成像方法,其特征在于,所述的激光掃描頭的打點(diǎn)頻率為1.6KHz?IMHz。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種光聲成像方法,其特征在于,所述的激光掃描頭的焦距為 100mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種光聲成像方法,其特征在于,所述的控制模塊為PC機(jī)。
【文檔編號(hào)】G01N21/17GK103822877SQ201410070339
【公開(kāi)日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年2月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月27日
【發(fā)明者】潘永東, 李立兵, 王威, 陳亙, 凌松 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)