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)域為樣品的檢測部位，所述的超聲探頭設在樣品的背面，并正對掃描區(qū)域，所述的超聲探頭通過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同步信號線連接。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有分辨率高、實現(xiàn)成本低、操作方便、使用范圍廣、無損傷等優(yōu)點。
【專利說明】一種便攜式非線性光聲成像系統(tǒng)及光聲成像方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光聲成像技術，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】
[0002]光聲成像是近年來發(fā)展起來的一種無損檢測成像方法，它結合了純光學成像的高對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比度的材料及組織成像。隨著科學技術的進步，材料及組織無損檢測技術的蓬勃發(fā)展，超聲無損檢測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，對超聲成像的質量要求越來越高。
[0003]由于在600?1300nm之間的近紅外“光學窗”范圍內(nèi)，生物組織的透光性能好,對光的吸收小。目前光聲成像技術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)、光聲計算層析成像(Photo Acoustic ComputingTomograph, PACT),都是利用光激超聲與組織及結構作用的反射或散射的線性特征來反映組織的精細結構，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信號所攜帶組織的精細結構信息被忽略。
[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實現(xiàn)電能和聲能間的轉化，由于材料及工藝的限制，探頭難實現(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有光聲的高，而且大都不能檢測超聲與組織作用產(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信號所攜帶組織的精細結構。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種分辨率高、實現(xiàn)成本低、操作方便、使用范圍廣、無損傷的便攜式非線性光聲成像系統(tǒng)及光聲成像方法，通過改變激光激發(fā)頻率來產(chǎn)生不同基頻超聲，再通過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，反映材料的精細結構，不僅可以在生物組織無損檢測發(fā)揮更好的作用，而且在傳統(tǒng)材料超聲無損檢測領域有潛在的應用前景。
[0006]本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(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)域為樣品的檢測部位，所述的超聲探頭設在樣品的背面，并正對掃描區(qū)域，所述的超聲探頭通過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同步信號線連接。
[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，調整其與樣品之間的距離，使樣品位于它的焦距上；
[0010]2)設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，通過調整掃描區(qū)域坐標參數(shù)，使掃描區(qū)域對準樣品需要檢測的部分，存儲相應的坐標參數(shù)；[0011]3)將超聲探頭放置在樣品背面，正對著掃描區(qū)域；
[0012]4)將超聲探頭的信號輸出端連接至前置放大器，將放大后的信號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線；
[0013]5)激光掃描頭打點，并通過示波器觀察信號，調整前置放大器至相應的放大倍數(shù)，使示波器輸出信號達到最佳；
[0014]6)設置掃描區(qū)域參數(shù)、打點頻率、打點時間和激光能量，所述的鎖相放大器同時輸出基頻以及兩個倍頻信號下的實部值和虛部值給控制模塊，所述的控制模塊通過計算得到該頻率下的幅值和相位，并通過示波器輸出該頻率的幅值圖和相位圖；
[0015]7)改變激光打點頻率，得到不同頻率下的成像結果。
[0016]所述的樣品的材質為金屬、非金屬、復合材料或生物組織。
[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。
[0022]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[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)實現(xiàn)成本低，與傳統(tǒng)CT成像相比造價更低；
[0025]3)操作方便，該裝置可便攜，能實現(xiàn)現(xiàn)場快速檢測；
[0026]4)使用范圍廣，可對被檢測體進行大范圍的快速掃描成像；
[0027]5)該裝置對被檢測體沒有損傷。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明光聲成像系統(tǒng)結構框圖。
[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。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0032]實施例
[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)域為樣品的檢測部位，所述的超聲探頭6設在樣品的背面，并正對掃描區(qū)域，所述的超聲探頭6通過前置放大器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之間通過同步信號線連接。所述的控制模塊2為PC機。
[0034]其中激光掃描頭I包括兩維數(shù)字振鏡，聚焦透鏡及光路動態(tài)調整和控制，并由PC基于MATLAB圖形界面組成開放的系統(tǒng)控制、超聲信號放大采集及處理成像系統(tǒng)。[0035]本實施例為利用非線性光聲成像裝置對試樣內(nèi)部缺陷進行掃描成像。具體測量過程為:
[0036]1、利用鉆床在長200mm,寬50mm,厚4mm的招板側邊形成一個直徑約2毫米深10
毫米的孔；
[0037]2、將鋁板至于載物臺上，調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、打開激光掃描頭，調整掃描區(qū)域覆蓋部分人工孔的位置，記下相應的掃描區(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傳輸線和信號同步線；
[0040]5、使用激光掃描頭打點，調節(jié)前置放大器至合適的放大倍數(shù)；
[0041]6、打開非線性光聲成像系統(tǒng),輸入掃描區(qū)域(步驟3中記錄)、打點頻率、打點時間、激光能量參數(shù)，運行打點，直接輸出相應的成像圖；
[0042]7、改變激光打點頻率，得到不同頻率下的成像結果。如圖2和圖3所示100kHz (a)與200kHz (b)激光打點頻率下所激發(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，反應不同深度的孔缺陷大小信息。
【權利要求】
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)域為樣品的檢測部位，所述的超聲探頭設在樣品的背面，并正對掃描區(qū)域，所述的超聲探頭通過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同步信號線連接。
2.—種權利要求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，調整其與樣品之間的距離，使樣品位于它的焦距上； 2)設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，通過調整掃描區(qū)域坐標參數(shù)，使掃描區(qū)域對準樣品需要檢測的部分，存儲相應的坐標參數(shù)； 3)將超聲探頭放置在樣品背面，正對著掃描區(qū)域； 4)將超聲探頭的信號輸出端連接至前置放大器，將放大后的信號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線； 5)激光掃描頭打點，并通過示波器觀察信號，調整前置放大器至相應的放大倍數(shù)，使示波器輸出信號達到最佳； 6)設置掃描區(qū)域參數(shù)、打點頻率、打點時間和激光能量，所述的鎖相放大器同時輸出基頻以及兩個倍頻信號下的實部值和虛部值給控制模塊，所述的控制模塊通過計算得到該頻率下的幅值和相位，并通過示波器輸出該頻率的幅值圖和相位圖； 7)改變激光打點頻率，得到不同頻率下的成像結果。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種光聲成像方法，其特征在于，所述的樣品的材質為金屬、非金屬、復合材料或生物組織。
4.根據(jù)權利要求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頻率為1.6KHz?IMHz。
7.根據(jù)權利要求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。
【文檔編號】G01N21/17GK103822877SQ201410070339
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月27日 優(yōu)先權日:2014年2月27日
【發(fā)明者】潘永東, 李立兵, 王威, 陳亙, 凌松 申請人:同濟大學