非线性光声谐振谱传感与成像方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种利用幅值和频率可调制的连续激光二极管(包括窄带多脉冲调制和宽带扫频调制)来进行光声谐振谱传感与成像的方法，能够利用光声谐振现象来进行高对比度的光声谐振成像。还公开了利用可调制的连续激光二极管来进行光声谐振谱传感与成像的装置，包括：频率可调制的激光二极管，用来产生激光信号；锥形透镜，其将激光聚焦于被测物体上；超声传感器，用于检测由激光诱导产生的非线性光声谐振信号；三维扫描平台，用于逐点扫描和成像。该发明专利技术能够解决现有技术中激光器成本高，以及光吸收差异小的情况下光声图像对比度低的问题，相比于传统的脉冲光声成像技术，可以降低系统成本，实现高对比度的光声谐振成像。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于非线性光声检测与成像
，特别涉及一种利用光声谐振的物理现象来进行传感与成像的方法及装置。
技术介绍
光声检测与成像技术是最近快速发展起来的一种新的混合成像方法。光声成像技术的基本原理是当激光脉冲照射在被测物体以后，被测物体会吸收一部分光能量，导致瞬态的温度升高，从而发生热胀冷缩的瞬态振动。这样的振动可以激发出超声波即光声信号，由于光声信号的幅值线性正比于被测物体的光学吸收系数，因此传统的光声检测与成像技术可以用来检测和重构出生物组织对特定/多个波长激光的吸收分布，从而进行医学检测。关于光声技术的综述性总结可以在最近几年的学术论文中找到(NaturePhotonics3,503-509(2009)；Science335,1458-1462(2012))。如上所述，传统的光声技术是基于对被测物体线性吸收特性的表征：光声信号大小与被测物体光吸收大小或者激发的激光功率大小呈线性变化。然而，这种传统的光声检测与成像的方法通常会面临两个难点。第一，要激发足够强的光声信号，一般需要利用高功率的脉冲激光器，比如Q-switchedNd:YAG激光器。这种激光器价格昂贵，不利于光声成像设备的成本控制和商业化。为了解决这个问题，一些研究小组提出了利用低功率的激光二极管来代替高脉冲激光器，但是相应的脉冲光声信号却会非常微弱。第二，在很多重要的应用中，比如早期肿瘤检测，由于其光吸收特性跟周围正常生物组织非常类似，以至于背景信号会很大从而导致光声成像的对比度会很小。在这种情况下，只依靠光吸收特性的传统光声成像方法将无法实现高对比度的成像。虽然一些研究也有通过光声来检测被测物体粘弹性来进行成像(CN102879335B)，但其图像对比度的增强效果依旧有限。如上所述，现在商业化的光声成像设备(比如Endra和iTheraMedical公司)都是利用昂贵的脉冲激光器，并且仅用来检测被测物体的光学吸收特性。到目前为止，还没有利用低功率激光二极管并且通过光声谐振的方式来提高信噪比和图像对比度的研究报道和产品。
技术实现思路
本专利技术提供的非线性光声谱谐振传感与成像的方法及装置，能够利用低成本的连续激光二极管来实现光声谐振谱传感与成像，并进一步通过差值成像的方式达到更好的信噪比和图像的对比度。本专利技术提供的技术方案为：第一方面，本专利技术提供了一种利用可调制的连续激光二极管来进行光声谐振谱传感与成像的方法。首先，本专利技术是基于光声谐振现象。首先，将多个脉冲且强度可调制的连续激光聚焦于一被测物体，由于被测物体对激光的吸收，将导致温度的周期性升高和热弹性效应，从而激发出非线性光声谐振信号。所述的光声谐振信号的波动方程，其数学表达式将表述如下：采用如下第一公式可以得到第一个非线性光声谐振信号的波动方程，所述第一公式为：其中，a是光声信号的传播相位常数，ρ是被测物体的密度，η是所述被测物体的剪切粘性，ξ是所述被测物体的体粘性，c是声速。Γ＝βc2/cp是Grüneisen常数，其中β是被测物体的热膨胀系数，cp被测物体单位质量的热容量。H(t)＝μaΦ(t)是可调制激光的强度函数,其中μa被测物体的光吸收系数,Φ(t)是光强度。进一步的，可以看出第一公式是一个被可调制激光驱动的二阶差分方程，类似于一个二阶震荡系统，比如阻尼弹簧质量系统，或者电阻-电感-电容震荡电路。进一步的，通过一些数学推导，可以得到上述二阶震荡系统的谐振频率ωr和品质因子Q，其数学表达式将表述如下：采用如下第二公式可以得到非线性光声谐振信号的谐振频率和品质因子，所述第二公式为：如上述第二公式所示，不论是谐振频率还是品质因子，它们都跟被测物体除了光吸收系数意外的很多物理参数有关，比如声速，粘弹性等。进一步的，当激光二极管的调制频率与被测物体的共振频率匹配的时候，光声谐振信号的信噪比会相应的增大Q倍。另外，不同的被测物体由于具有不同的物理参数，其光声谐振谱也会不同，从而可以实现光身谱的传感检测。进一步的，可以将光声谐振谱发展成为一种高对比度的非线性光声谐振成像的方法，具体步骤如下：1.首先利用单脉冲调制的激光源，进行一次传统的线性光声成像，从图像上大概找出被测物体和背景的区域。2.在被测物体和背景区域分别扫频调制激光的调制频率，得到这两个区域的光声谐振谱信息。3.选择被测物体的谐振频率为激光的调制频率，扫描得到第一幅光声谐振图像。然后选择背景的谐振频率为激光的调制频率，扫描得到第二幅光声谐振图像。4.最后，将第一幅光声谐振图像减去第二幅光身谐振图像，然后将图像小于零的像素点设置为零，就得到了差值光声谐振图像。如上所述，差值光声谐振图像将凸显出被测物体的信号，同时将抑制背景信号。另一方面，本专利技术还提供了一种实现非线性光声谐振传感与成像的装置，包括：一个可调制的激光二极管及其驱动电路，其用于激发频率可调制的多脉冲激光信号；FPGA(可编程逻辑门阵列)，其用于产生不同频率的调制信号，从而得到非线性光声谐振谱的信息；光纤耦合器，将激光二极管输出的光束聚合进入一根多模光纤中；光纤，其用于方便的传输激光束，光纤长度可根据需要进行调整；锥形透镜，用于将光纤末端输出的光束聚焦并调整为环状光斑；环形聚合反射镜，其用于将发散开的环状光束松散的聚焦到被测物体，类似于黑场辐射；超声传感器，其放置于所述环形聚合反射镜的中间，与激光聚焦点同轴同心。所述超声传感器用于检测所述被测物体由激光脉冲诱导产生的非线性光声谐振信号。超声传感器可以为单点水浸式传感器，也可以为多点阵列式传感器；去离子水，其设置在所述环形聚合反射镜和所述被测物体之间，用于耦合激光照射和超声，所述去离子水设置在一个由透明聚乙烯薄膜制成的腔体中；三维机械扫描平台及其驱动电路，其用于扫描被测物体，实现二维和三维的成像显示；以上所述光纤、锥形透镜、环形聚合反射镜、超声传感器都与所述三维机械扫描平台相连，并与其一起运动；低噪声放大器，其连接所述超声传感器，所述超声传感器收集到的光声谐振信号经过所述低噪声放大器进行信号放大；数据采集卡，其连接所述低噪声放大器，所述低噪声放大器放大的模拟信号转换为数字信号；电脑，其连接所述数据采集卡，用于接收所述数据采集卡传输的数字信号并进行数据分析。本专利技术提供的利用可调制激光二极管来实现的非线性光声谐振传感与成像的装置：由于利用了光声信号的谐振现象，可以极大的提高光声信号的信噪比。另外，通过扫描激光器的调制频率，可以实现对除了光吸收之外的物理参数的检测表征。进一步的，通过差值成像的方法，可以压制背景噪声的信号，显著的提高非线性光声谐振成像的对比度。这项技术可以降低光声成像系统的总体成本，并且可以利用光声谐振谱的差值成像方法，提高成像的对比度。这种利用可调制激光二极管来实现的非线性光声谐振传感与成像的方法可以用在大部分的光声成像应用中，以及早期肿瘤检测(比如黑色素瘤，乳腺癌等)，皮下血管成像与血糖血脂检测等。附图说明图1是非线性光声谐振谱传感与成像的系统示意图；图2是基于非线性光声谐振谱传感来实现高对比度差值成像的示意图；图3是基于宽带扫频方式来实现光声谐振谱成像的示意图图4是仿体实验的结果；图5是在体外生物组织进行实验的结果；具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图,对本专利技术实施例中的技术方案进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用可调制的连续激光二极管来进行光声谐振谱传感与成像的方法。首先，本专利技术是基于光声谐振现象。首先，将多个脉冲且强度可调制的连续激光聚焦于一被测物体，由于被测物体对激光的吸收，将导致温度的周期性升高和热弹性效应，从而激发出非线性光声谐振信号。

【技术特征摘要】
1.一种利用可调制的连续激光二极管来进行光声谐振谱传感与成像的方法。首先，本发明是基于光声谐振现象。首先，将多个脉冲且强度可调制的连续激光聚焦于一被测物体，由于被测物体对激光的吸收，将导致温度的周期性升高和热弹性效应，从而激发出非线性光声谐振信号。2.如权利要求1所述的利用可调制的连续激光二极管来进行光声谐振谱传感与成像的方法，其特征在于，所述的光声谐振信号的波动方程，其数学表达式将表述如下：采用如下第一公式可以得到第一个非线性光声谐振信号的波动方程，所述第一公式为：其中，a是光声信号的传播相位常数，ρ是被测物体的密度，η是所述被测物体的剪切粘性，ξ是所述被测物体的体粘性，c是声速。Γ＝βc2/cp是Grüneisen常数，其中β是被测物体的热膨胀系数，cp被测物体单位质量的热容量。H(t)＝μaΦ(t)是可调制激光的强度函数,其中μa被测物体的光吸收系数,Φ(t)是光强度。3.如权利要求1所述的利用可调制的连续激光二极管来进行光声谐振谱传感与成像的方法，其特征在于，第一公式是一个被可调制激光驱动的二阶差分方程，类似于一个二阶震荡系统，比如阻尼弹簧质量系统，或者电阻-电感-电容震荡电路。4.如权利要求1所述的利用可调制的连续激光二极管来进行光声谐振谱传感与成像的方法，其特征在于，通过一些数学推导，可以得到上述二阶震荡系统的谐振频率ωr和品质因子Q，其数学表达式将表述如下：采用如下第二公式可以得到非线性光声谐振信号的谐振频率和品质因子，所述第二公式为：5.如权利要求1所述的利用可调制的连续激光二极管来进行光声谐振谱传感与成像的方法，其特征在于，不论是谐振频率还是品质因子，它们都跟被测物体除了光吸收系数意外的很多物理参数有关，比如声速，粘弹性等。当激光二极管的调制频率与被测物体的共振频率匹配的时候，光声谐振信号的信噪比会相应的增大Q倍。另外，不同的被测物体由于具有不同的物理参数，其光声谐振谱也会不同，从而可以实现光身谱的传感检测。6.如权利要求1所述的利用可调制的连续激光二极管来进行光声谐振谱传感与成像的方法，其特征在于，可以进一步将光声谐振谱发展成为一种高对比度的非线性光声谐振成像的方法，具体步骤如下：首先利用单脉冲调制的激光源，进行一次传统的线性光声成像，从图像上大概找出被测物体和背景的区域。在被测物体和背景区域分别扫...

【专利技术属性】
技术研发人员：高飞，段丽莎，张若冲，
申请(专利权)人：高飞，
类型：发明
国别省市：山西;14