專(zhuān)利名稱(chēng)：便攜式實(shí)時(shí)光聲成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光聲成像技術(shù)，特別是涉及一種便攜式實(shí)時(shí)光聲成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
激光掃描振鏡是一種由驅(qū)動(dòng)板與高速擺動(dòng)電機(jī)組成的一個(gè)高精度、高速度伺服控制系統(tǒng)，目前廣泛用于激光標(biāo)刻、激光切割、激光打孔等領(lǐng)域，其工作原理是將激光束入射至IJX和Y軸反射鏡上，用計(jì)算機(jī)控制反射鏡的反射角度分別沿Χ、γ軸掃描，從而實(shí)現(xiàn)激光束的二維偏轉(zhuǎn)，使具有一定功率密度的激光聚焦點(diǎn)在目標(biāo)材料上按所需的要求運(yùn)動(dòng)掃描。該技術(shù)具有響應(yīng)速度快、掃描速度高、掃描范圍大、光路密封性能好、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)已成為主流產(chǎn)品，具有廣闊的應(yīng)用前景。光聲成像技術(shù)是以脈沖或調(diào)制激光作為成像激發(fā)源，基于被測(cè)樣品內(nèi)部光學(xué)熱吸收差異導(dǎo)致激發(fā)出不同強(qiáng)度的光致超聲特性，以超聲作為信息載體的非電離化的新興成像方法。它有效的結(jié)合了純光學(xué)成像的高對(duì)比度和純聲學(xué)成像的高穿透深度的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)厘米量級(jí)探測(cè)深度和微米量級(jí)成像精度的影像，具有完全非侵入性、無(wú)損性、非電離化輻射等突出特性。目前光聲成像普遍采用單元超聲傳感器掃描接收光聲信號(hào)的探測(cè)模式，如2009年Gamelin等報(bào)道了一種固體激光器激勵(lì)和多元環(huán)形陣列傳感器接收的實(shí)時(shí)二維光聲成像方法(J. Gamelin, A. Maurudis, A. Aguirre, F. Huang, P. Y. Guo,L. V. Wang, and Q. Zhu, “A real-time photoacoustic tomography system for smallanimals, ” Opt. Express 17，10489-10498，2009.);雖然該方法不需要超聲傳感器做機(jī)械掃描，但需要大體積的固體激光器提供大光斑的脈沖激光以實(shí)現(xiàn)二維光聲成像，系統(tǒng)難以小型化和便攜式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。Alien等分別于2006年和2007年報(bào)道了一種采用小型化的半導(dǎo)體激光器作為激發(fā)源的二維光聲成像方法(T. J. Allen, and P. C. Beard, “Pulsednear-infrared laser diode excitation system for biomedical photoacousticimaging,，，Opt. Lett. 31(23)，3462-3464，2006; T. J. Allen, and P. C. Beard,“Dual wavelength laser diode excitation source for 2D photoacoustic imaging, ”P(pán)roc. SPIE 6437，1U1-1U9, 2007.);由于該方法需要單元超聲傳感器做機(jī)械圓周掃描以獲得不同方向的光聲信號(hào)，在長(zhǎng)耗時(shí)和多方位的超聲傳感器機(jī)械掃描過(guò)程，機(jī)械振動(dòng)和儀器長(zhǎng)時(shí)間工作的隨機(jī)參數(shù)漂移等不穩(wěn)定因素對(duì)結(jié)果帶來(lái)的隨機(jī)誤差較大，從而嚴(yán)重影響成像質(zhì)量和研究結(jié)果的時(shí)間分辨率、可靠性和穩(wěn)定性，在實(shí)際應(yīng)用中存在相當(dāng)大的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種便攜式實(shí)時(shí)光聲成像系統(tǒng)，它將快速、高效的二維激光振鏡掃描技術(shù)應(yīng)用到激光二極管光聲成像領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)快速多維的光聲成像。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案
一種便攜式實(shí)時(shí)光聲成像系統(tǒng)，其特征在于它包括中央處理器、驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)采集電路、信號(hào)放大電路、信號(hào)預(yù)處理電路、超聲傳感器、電路外接口、激光二極管、準(zhǔn)直透鏡組、X軸反射振鏡、Y軸反射振鏡、聚焦透鏡組、保護(hù)鏡、X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)、外殼；中央處理器與驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)線連接；所超聲傳感器、信號(hào)預(yù)處理電路、信號(hào)放大電路、數(shù)據(jù)采集電路、中央處理器依次導(dǎo)線連接；驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)電路外接口分別與X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)、激光二極管導(dǎo)線連接；x軸反射振鏡與X軸電機(jī)機(jī)械連接；γ軸反射振鏡與Y軸電機(jī)機(jī)械連接；電路外接口和保護(hù)鏡被嵌于外殼上；激光二極管、準(zhǔn)直透鏡組、X軸反射振鏡、Y軸反射振鏡、聚焦透鏡組、X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)被安置于外殼內(nèi)；超聲傳感器緊貼于被測(cè)樣品表面；激光二極管發(fā)射出脈沖式或經(jīng)調(diào)制后的連續(xù)式激光，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡組準(zhǔn)直后，依次經(jīng)過(guò)X軸反射振鏡、Y軸反射振鏡、聚焦透鏡組和保護(hù)鏡后聚焦照射在被測(cè)樣品上激發(fā)出光聲信號(hào)；χ軸電機(jī)和Y軸電機(jī)可被驅(qū)動(dòng)并分別帶動(dòng)X軸反射振鏡和Y軸反射振鏡偏轉(zhuǎn)使光束在X-Y平面做激光掃描形成二維光聲場(chǎng)，超聲傳感器接收到光聲信號(hào)，依次經(jīng)過(guò)信號(hào)預(yù)處理電路、信號(hào)放大電路、數(shù)據(jù)采集電路后被輸入到中央處理器，再通過(guò)多維圖像重建即可實(shí)現(xiàn)快速多維的光聲成像。
所述超聲傳感器為單元探頭或多元的線陣、弧陣、環(huán)陣或面陣探頭。所述激光二極管的輻射波長(zhǎng)為紫外至紅外范圍里一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)。所述準(zhǔn)直透鏡組和聚焦透鏡組可分別由一塊或多塊透鏡組合而成。所述保護(hù)鏡由透光材料制作。本發(fā)明的有益效果是
(I)本發(fā)明采用二維激光振鏡偏轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)快速掃描，避免了被測(cè)樣品或超聲傳感器做機(jī)械掃描接收光聲信號(hào)，具有低掃描慣量、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、振鏡可高速偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，且一般采用精密伺服電機(jī)來(lái)控制振鏡偏轉(zhuǎn)，可達(dá)到很高的掃描精度，有效的提高了系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)間、精度、穩(wěn)定性和實(shí)用性。(2)本發(fā)明將二維激光振鏡和激光二極管集成于便攜式結(jié)構(gòu)，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，有效提高了該系統(tǒng)的便攜性。(3)由于被激發(fā)的光聲信號(hào)的能量主要集中在被測(cè)樣品界面的法線方向上有限立體角內(nèi)傳播，所以當(dāng)一個(gè)單元探頭由于接收孔徑較小探測(cè)到的光聲信號(hào)較弱時(shí)，可采用多個(gè)單元探頭或具有較大接收孔徑和方向角的多元探頭，有效提高光聲信號(hào)的傳感效率。(4)通過(guò)將超聲傳感器放置在被測(cè)樣品的不同位置，可分別實(shí)現(xiàn)前向、背向和側(cè)向探測(cè)模式的光聲信號(hào)傳感，有效的提高了系統(tǒng)的可操作性和適用范圍，可廣泛應(yīng)用于方型、管狀型、薄膜型等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的材料檢測(cè)、工業(yè)探傷、醫(yī)學(xué)影像等領(lǐng)域。


圖I為實(shí)施例I的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作具體說(shuō)明
實(shí)施例I 本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)如圖I所示，各元件的名稱(chēng)為1.中央處理器、2.驅(qū)動(dòng)電路、3.數(shù)據(jù)采集電路、4.信號(hào)放大電路、5.信號(hào)預(yù)處理電路、6.超聲傳感器、7.電路外接口、8.激光二極管、9.準(zhǔn)直透鏡組、10. X軸反射振鏡、11. Y軸反射振鏡、12.聚焦透鏡組、13.保護(hù)鏡、14. X軸電機(jī)、15. Y軸電機(jī)、16.外殼。
其中光源I選用脈沖 的半導(dǎo)體激光二極管(PGAS1S24，Hoffo)，工作波長(zhǎng)為905nm，峰值功率為49W，脈寬為150ns，單脈沖能量約為7. 3uJ ;多元線陣的超聲陣列傳感器6的中心頻率為2. 5MHz，相對(duì)帶寬為75%，面積為IOOmmX IOmmX O. 8mm，含有128個(gè)陣元，陣元之間的刻縫寬為O. 03mm。本實(shí)施例包括中央處理器、驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)采集電路、信號(hào)放大電路、信號(hào)預(yù)處理電路、超聲傳感器、電路外接口、激光二極管、準(zhǔn)直透鏡組、X軸反射振鏡、Y軸反射振鏡、聚焦透鏡組、保護(hù)鏡、X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)、外殼；中央處理器與驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)線連接；所超聲傳感器、信號(hào)預(yù)處理電路、信號(hào)放大電路、數(shù)據(jù)采集電路、中央處理器依次導(dǎo)線連接；驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)電路外接口分別與X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)、激光二極管導(dǎo)線連接；x軸反射振鏡與X軸電機(jī)機(jī)械連接；Y軸反射振鏡與Y軸電機(jī)機(jī)械連接；電路外接口和保護(hù)鏡被嵌于外殼上；激光二極管、準(zhǔn)直透鏡組、X軸反射振鏡、Y軸反射振鏡、聚焦透鏡組、X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)被安置于外殼內(nèi)；超聲傳感器緊貼于被測(cè)樣品表面；激光二極管發(fā)射出脈沖式或經(jīng)調(diào)制后的連續(xù)式激光，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡組準(zhǔn)直后，依次經(jīng)過(guò)X軸反射振鏡、Y軸反射振鏡、聚焦透鏡組和保護(hù)鏡后聚焦照射在被測(cè)樣品上激發(fā)出光聲信號(hào)；χ軸電機(jī)和Y軸電機(jī)可被驅(qū)動(dòng)并分別帶動(dòng)X軸反射振鏡和Y軸反射振鏡偏轉(zhuǎn)使光束在X-Y平面做激光掃描形成二維光聲場(chǎng)，超聲傳感器接收到光聲信號(hào)，依次經(jīng)過(guò)信號(hào)預(yù)處理電路、信號(hào)放大電路、數(shù)據(jù)采集電路后被輸入到中央處理器，再通過(guò)多維圖像重建即可實(shí)現(xiàn)快速多維的光聲成像。所述超聲傳感器為單元探頭或多元的線陣、弧陣、環(huán)陣或面陣探頭。所述激光二極管的輻射波長(zhǎng)為紫外至紅外范圍里一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)。所述準(zhǔn)直透鏡組和聚焦透鏡組可分別由一塊或多塊透鏡組合而成。所述保護(hù)鏡由透光材料制作。本實(shí)施例具體操作步驟為
1)激光二極管由驅(qū)動(dòng)電路提供能量發(fā)射的脈沖激光由準(zhǔn)直透鏡組準(zhǔn)直后，經(jīng)X軸反射振鏡、Y軸反射振鏡、聚焦透鏡組后照射在被測(cè)樣品上，被激發(fā)出光聲信號(hào)；
2)緊貼在被測(cè)樣品表面的多元線陣超聲傳感器接收到光聲信號(hào)，經(jīng)信號(hào)預(yù)處理電路和信號(hào)放大電路后由數(shù)據(jù)采集電路輸送到中央處理器做后續(xù)處理；
3)中央處理器通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)X軸電機(jī)和Y軸電機(jī)分別帶動(dòng)X軸反射振鏡和Y軸反射振鏡偏轉(zhuǎn)使光束在樣品表面做X-Y平面的二維激光掃描，同時(shí)重復(fù)步驟2接收每次掃描的光聲信號(hào)；
4)通過(guò)重建程序處理采集到的光聲信號(hào)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多維光聲成像。由于每次二維掃描中超聲傳感器的振元一共可接收到128個(gè)光聲信號(hào)，故可優(yōu)選滿(mǎn)足一定條件的光聲信號(hào)來(lái)重建多維光聲圖像(如可選擇幅值最大、渡越時(shí)間最短或振鈴效應(yīng)最小等條件的光聲信號(hào))，以實(shí)現(xiàn)最佳的成像質(zhì)量。實(shí)施例2 —種集成二維激光振鏡與激光二極管的便攜式實(shí)時(shí)光聲成像系統(tǒng)，與實(shí)施例I結(jié)構(gòu)相似，不同之處在于超聲傳感器6采用廣州多浦樂(lè)電子科技有限公司生產(chǎn)的單元斜探頭(2. 5Ρ9Χ9Κ3)，其中心頻率為2. 5MHz，尺寸為9_X9mm，外接口采用Q9 (BNC)接口。實(shí)施例3 —種集成二維激光振鏡與激光二極管的便攜式實(shí)時(shí)光聲成像系統(tǒng)，與實(shí)施例I結(jié)構(gòu)相似，不同之處在于超聲傳感器6采用廣州多浦樂(lè)電子科技有限公司生產(chǎn)的?！踬?lài)(_) 65 ^lxl .Z 武#駭 gfrMzs9x9dg .2)^ 蓀呍時(shí)X 寸A ^ < 890TC9ST Zo
權(quán)利要求
1.一種便攜式實(shí)時(shí)光聲成像系統(tǒng)，其特征在于它包括中央處理器(I)、驅(qū)動(dòng)電路(2)、數(shù)據(jù)采集電路(3)、信號(hào)放大電路(4)、信號(hào)預(yù)處理電路(5)、超聲傳感器(6)、電路外接ロ(7)、激光二極管(8)、準(zhǔn)直透鏡組(9)、X軸反射振鏡(10)、Y軸反射振鏡(11)、聚焦透鏡組(12)、保護(hù)鏡(13)、X軸電機(jī)(14)、Y軸電機(jī)(15)、外殼(16)沖央處理器(I)與驅(qū)動(dòng)電路(2)導(dǎo)線連接；超聲傳感器(6)、信號(hào)預(yù)處理電路(5)、信號(hào)放大電路(4)、數(shù)據(jù)采集電路(3)、中央處理器(I)依次導(dǎo)線連接；驅(qū)動(dòng)電路(2 )通過(guò)電路外接ロ( 7 )分別與X軸電機(jī)(14)、Y軸電機(jī)(15)、激光二極管(8)導(dǎo)線連接；X軸反射振鏡(10)與X軸電機(jī)(14)機(jī)械連接；Υ軸反射振鏡(11)與Y軸電機(jī)(15 )機(jī)械連接；電路外接ロ( 7 )和保護(hù)鏡(13 )被嵌于外殼(16 )上；激光二極管(8)、準(zhǔn)直透鏡組(9)、Χ軸反射振鏡(10)、Υ軸反射振鏡(11)、聚焦透鏡組(12)、X軸電機(jī)(14)、Υ軸電機(jī)(15)被安置于外殼(16)內(nèi)；超聲傳感器(6)緊貼于被測(cè)樣品表面；激光二極管(8)發(fā)射出脈沖式或經(jīng)調(diào)制后的連續(xù)式激光，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡組(9)準(zhǔn)直后，依次經(jīng)過(guò)X軸反射振鏡(10)、Υ軸反射振鏡(11)、聚焦透鏡組(12)和保護(hù)鏡(13)后聚焦照射在被測(cè)樣品上激發(fā)出光聲信號(hào)；Χ軸電機(jī)(14)和Y軸電機(jī)(15)可被驅(qū)動(dòng)并分別帶動(dòng)X軸反射振鏡(10)和Y軸反射振鏡(11)偏轉(zhuǎn)使光束在X-Y平面做激光掃描形成ニ維光聲場(chǎng)，超聲傳感器(6)接收到光聲信號(hào)，依次經(jīng)過(guò)信號(hào)預(yù)處理電路(5)、信號(hào)放大電路(4)、數(shù)據(jù)采集電路(3)后被輸入到中央處理器(1)，再通過(guò)多維圖像重建即可實(shí)現(xiàn)快速多維的光聲成像。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式實(shí)時(shí)光聲成像系統(tǒng)，其特征在于所述超聲傳感器(6)為單元探頭或多元的線陣、弧陣、環(huán)陣或面陣探頭。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式實(shí)時(shí)光聲成像系統(tǒng)，其特征在于所述激光二極管(8)的輻射波長(zhǎng)為紫外至紅外范圍里ー個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式實(shí)時(shí)光聲成像系統(tǒng)，其特征在于所述準(zhǔn)直透鏡組(9)和聚焦透鏡組(12)可分別由ー塊或多塊透鏡組合而成。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式實(shí)時(shí)光聲成像系統(tǒng)，其特征在于所述保護(hù)鏡(13)由透光材料制作。
全文摘要
本發(fā)明提供一種集成二維激光振鏡與激光二極管的便攜式實(shí)時(shí)光聲成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)由中央處理器、驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)采集電路、信號(hào)放大電路、信號(hào)預(yù)處理電路、超聲傳感器、電路外接口、激光二極管、準(zhǔn)直透鏡組、X軸反射振鏡、Y軸反射振鏡、聚焦透鏡組、保護(hù)鏡、X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)、外殼構(gòu)成。本發(fā)明將快速、高效的二維激光振鏡掃描技術(shù)應(yīng)用到多維光聲成像領(lǐng)域，并與小體積的激光二極管一體化便攜式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了大面積光聲成像的便攜式系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于方型、管狀型、薄膜型等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的材料檢測(cè)、工業(yè)探傷、醫(yī)學(xué)影像等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01N21/17GK102621068SQ20121004384
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月26日
發(fā)明者曾呂明, 楊迪武, 紀(jì)軒榮 申請(qǐng)人:曾呂明, 楊迪武, 紀(jì)軒榮