一种基于光程调制结合灵敏度补偿的高速非接触光声成像系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于光程调制结合灵敏度补偿的高速非接触光声成像系统，其特征在于：包括激光发光部分、参考臂、样品端部分、探测端部分以及数据处理部。本发明专利技术通过发出多个等间隔脉冲信号触发激光器发出多个激光脉冲，对样品进行激发，同时对参考臂的光程进行调制，使多个被激发的光声信号至少有一个在低灵敏度区域之外，并选择处于低灵敏度之外的光声信号进行灵敏度补偿，以提高采集速度。

A High-speed Non-contact Photoacoustic Imaging System Based on Optical Path Modulation and Sensitivity Compensation

The invention discloses a high-speed non-contact photoacoustic imaging system based on optical path modulation combined with sensitivity compensation, which is characterized by: a laser light emitting part, a reference arm, a sample end part, a detection end part and a data processing part. The invention triggers the laser to emit multiple laser pulses by sending out multiple equal-interval pulse signals, excites the sample, and modulates the optical path of the reference arm, so that at least one of the photoacoustic signals excited is outside the low sensitivity region, and the photoacoustic signals outside the low sensitivity are selected for sensitivity compensation, so as to improve the acquisition speed.

【技术实现步骤摘要】
一种基于光程调制结合灵敏度补偿的高速非接触光声成像系统
本专利技术涉及运动器材领域，尤其涉及一种基于光程调制结合灵敏度补偿的高速非接触光声成像系统。
技术介绍
光声成像是一种非侵入性的成像方式，它结合了纯光学成像技术的高对比度和纯超声成像技术的高分辨率、高穿透深度等优点。光声成像利用生物组织的光吸收差异性进行成像，它可以给人们提供关于生物组织的结构、代谢、功能、分子对比、血液动力学以及基因表达等多维度的相关信息，为生物医学领域提供了一种新颖的成像方法。目前，根据光声成像中的光声信号探测方式的不同，可以分为非接触式光声成像和接触式光声成像。接触式光声成像是基于声压的探测方法，主要是利用PZT和PVDF压电换能器进行光声信号的探测。接触式测量探测器与样品表面要贴近。另外，还需要考虑换能器与样品间的声阻抗匹配问题。这是因为当压电换能器与样品直接接触时，由于样品表面不平，导致压电换能器与样品之间会存在空气层。空气与换能器的声阻抗差别极大，超声波在两种介质的界面上会产生强烈的反射导致光声信号衰减。因此，接触式测量需要使用耦合剂。与样品接触、需要耦合剂耦合信号这两个特点使接触式光声的信号探测不便，限制了其广泛应用。非接触式光声成像是基于光学干涉的探测方法，通过检测光声信号导致的样品表面的振动速度或位移来进行光声信号检测。在原理上解决了声耦合介质的问题，扩大了光声成像的应用范围。外差法是一种干涉测量的方法，它通过改变参考信号的频率，使其与测量信号之间产生一个频率差，参考信号与测量信号干涉后，干涉信号相位中包含了相位调制项(载波)与被测量项，通过对干涉信号进行解调即可得到被测量的相位。但是其因结构复杂故并未广泛应用。与外差干涉仪相比零差干涉仪比较简单，易于实现非接触光声信号的采集。但是，为了获得最大灵敏度，零差法需要当干涉信号过零线时触发采集光声信号。干涉信号过零线由外界环境因素决定，不可预测，因此光声成像速度较慢。题为“Invivophotoacousticimagingofbloodvesselsusingahomodyneinterferometerwithzero-crossingtriggering”的期刊公开介绍了一种基于零差法的非接触光声成像系统，该方法基于迈克尔逊干涉仪，利用零差法实现了光声信号的激发与处理。该系统比较简单，系统灵敏度及成像分辨率较好但是采集速度过慢，实用性较差。题为“Phasesensitiveabsoluteamplitudedetectionofsurfacevibrationsusinghomodyneinterferometrywithoutactivestabilization”的期刊公开介绍了一种基于零差法并进行灵敏度补偿的表面振动检测方法。该方法通过测量振动信号所处的相位，计算系统瞬时灵敏度并补偿振动信号的实测幅度，因而无需过零触发采集。但是，该方法未能考虑低灵敏度区域(接近于0)灵敏度计算受噪声干扰大的问题，在该区域容易导致过补偿或欠补偿，导致图像质量下降。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种基于光程调制结合灵敏度补偿的高速非接触光声成像系统，保证图像质，提高采集速度。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种基于光程调制结合灵敏度补偿的高速非接触光声成像系统，包括激光发光部分、参考臂、样品端部分、探测端部分以及数据处理部分；所述激光发光部分包括长相干光源、第一环形器和耦合器，所述长相干光源的光束经第一环形器进入耦合器耦合；耦合器分别与参考臂、样品端部分连接，光束经耦合器后分为两路光，一路进入参考臂，一路进入样品端部分；所述参考臂包括第一透镜、第二透镜和第一反射镜；所述样品端部分依次包括调焦透镜、二色镜、第二反射镜、X-Y扫描振镜、聚焦透镜和样品台；所述探测端部分包括第二环形器和第三环形器，所述第二环形器和第三环形器分别与第一环形器和耦合器相连，所述第一所述第二环形器和第三环形器还连接平衡探测器，所述平衡探测器经高通滤波器连接DAQ高速数据采集卡，所述DAQ高速数据采集卡连接AO模块，所述AO模块的一个通道直接采集平衡探测器输出的信号用于PA灵敏度补偿，另一个采集通道通过利用高通滤波器对平衡探测器输出的信号进行高频光声信号的提取，所述AO模块连接激光器，所述激光器发出的激光经第三反射镜、调焦透镜、聚焦透镜、二色镜与探测光中的样品光合为一束光，然后再经第二反射镜、X-Y扫描振镜聚焦透镜聚焦于样品表面以激发光声信号；所述DAQ高速数据采集卡与数据处理部分连接；其中所述DAQ高速数据采集卡的采集方式是以零差干涉仪为基础并对其进行改进，所述AO控制模块发出多个等间隔脉冲信号触发激光器发出多个激光脉冲，对样品进行激发，同时对参考臂的光程进行调制，使多个被激发的光声信号至少有一个在低灵敏度区域之外，并选择处于低灵敏度之外的光声信号进行灵敏度补偿，具体方法如下：S1：在光声成像系统中，样品由聚焦的短脉冲激光照射，样品内部局部吸收体对激光能量的吸收通过热弹性膨胀产生超声波，超声信号传播到样品表面导致样品表面振动产生位移变化ε(t)，DAQ高速数据采集卡(13)检测位移变化，平衡检测后的信号简化为由公式1可知，为系统检测振动的灵敏度，其中φ(t)为变化量，其余为常量，为求得φ(t)，采用如下方法，通过D(t)波形判断ε(t)到来之前的时间tp，此时公式1中高频信号为0，故可求得同时，公式1经过高通滤波可以得到结合公式2与公式3可以求得光声信号导致的表面振动求得的ε(t)为光声信号导致表面振动的原始信号，与灵敏度无关；S2：在S1中公式3为高通滤波器消除低频分量后结果；S3：对参考臂进行调制：由S1推导可知光声信号到达样品之前的相位即φ(tp)决定系统灵敏度，而整个系统的最灵敏点在干涉信号的零点处即所谓的正交点(QPs)，为保证三个光声信号有一个离开低灵敏度区域，需要对参考臂进行调制，调制通过压电陶瓷位移台PZT(29)的移动来实现，反射镜(3)固定于压电陶瓷位移台PZT(29)上，AO模块(15)输出模拟电压控制压电陶瓷位移台PZT(29)的移动，压电陶瓷位移台PZT(29)的移动速度是根据激励脉冲频率决定的，在三次光声激发时间内与压电陶瓷位移台PZT(29)固定连接的反射镜(3)被控制移动330nm(λ/4)的距离,由于长相干光源(1)的波长是1300nm，根据干涉原理光程差改变一个波长对应相位改变2π，参考臂移动330nm后，参考光往返使参考臂光程改变660nm，660nm对应1300nm的一半，这将使φ(tp)引入π相位变化，故此，三个被激发的光声信号中至少有一个PA振荡可以避免低灵敏度区域，选取该光声信号并通过S1中所述算法补偿灵敏度。总之，在每一个扫描位置三次激发同时配合参考臂调制，结合相应算法可在不降低探测灵敏度的同时实现光声成像的快速扫描。进一步的，所述AO模块对激光器与DAQ高速数据采集卡进行同时触发，进而做到多路信号的快速采集。还公布了一种基于光程调制结合灵敏度补偿的高速非接触光声成像系统的成像方法，包括如下步骤：a，相干光检测光声信号：长相干光源发出相干光，经第一环形器并通过耦合器分为两路光，一路光经调焦透镜、二色镜、第二反射镜、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光程调制结合灵敏度补偿的高速非接触光声成像系统，其特征在于：包括激光发光部分、参考臂、样品端部分、探测端部分以及数据处理部分；所述激光发光部分包括长相干光源(1)、第一环形器(2)和耦合器(6)，所述长相干光源(1)的光束经第一环形器(2)进入耦合器(6)耦合；耦合器(6)分别与参考臂、样品端部分连接，光束经耦合器(6)后分为两路光，一路进入参考臂，一路进入样品端部分；所述参考臂包括第一透镜(5)、第二透镜(4)和第一反射镜(3)；所述样品端部分依次包括第二调焦透镜(20)、二色镜(21)、第二反射镜(22)、X‑Y扫描振镜(23)、第二聚焦透镜(28)和样品台(24)；所述探测端部分包括第二环形器(7)和第三环形器(8)，所述第二环形器(7)和第三环形器(8)分别与第一环形器(2)和耦合器相连，所述第二环形器(7)和第三环形器(8)还连接平衡探测器(12)，所述平衡探测器(12)经高通滤波器(14)连接DAQ高速数据采集卡(13)，所述DAQ高速数据采集卡(13)的一个通道直接采集平衡探测器(12)输出的信号用于PA灵敏度补偿，另一个采集通道采集高通滤波器(14)对平衡探测器输出(12)滤波后的信号用于高频光声信号的提取，所述AO模块(15)连接激光器(16)与DAQ高速数据采集卡(13)，所述AO模块(15)发出触发脉冲信号同步触发激光器(16)发出激光脉冲与DAQ高速数据采集卡(13)采集。所述激光器(16)发出的激光经第三反射镜(17)、第一调焦透镜(18)、第一聚焦透镜(19)、二色镜(21)与探测光中的样品光合为一束光，然后再经第二反射镜(22)、X‑Y扫描振镜(23)第二聚焦透镜(28)聚焦于样品表面以激发光声信号；所述DAQ高速数据采集卡(13)与数据处理部分连接；其中所述DAQ高速数据采集卡(13)的采集方式是以零差干涉仪为基础并对其进行改进，所述AO控制模块(15)发出多个等间隔脉冲信号触发激光器发出多个激光脉冲，对样品进行激发，同时对参考臂的光程进行调制，使多个被激发的光声信号至少有一个在低灵敏度区域之外，并选择处于低灵敏度之外的光声信号进行灵敏度补偿，具体方法如下：S1：在光声成像系统中，样品由聚焦的短脉冲激光照射，样品内部局部吸收体对激光能量的吸收通过热弹性膨胀产生超声波，超声信号传播到样品表面导致样品表面振动产生位移变化ε(t)，DAQ高速数据采集卡(13)检测位移变化，平衡检测后的信号简化为...

【技术特征摘要】
1.一种基于光程调制结合灵敏度补偿的高速非接触光声成像系统，其特征在于：包括激光发光部分、参考臂、样品端部分、探测端部分以及数据处理部分；所述激光发光部分包括长相干光源(1)、第一环形器(2)和耦合器(6)，所述长相干光源(1)的光束经第一环形器(2)进入耦合器(6)耦合；耦合器(6)分别与参考臂、样品端部分连接，光束经耦合器(6)后分为两路光，一路进入参考臂，一路进入样品端部分；所述参考臂包括第一透镜(5)、第二透镜(4)和第一反射镜(3)；所述样品端部分依次包括第二调焦透镜(20)、二色镜(21)、第二反射镜(22)、X-Y扫描振镜(23)、第二聚焦透镜(28)和样品台(24)；所述探测端部分包括第二环形器(7)和第三环形器(8)，所述第二环形器(7)和第三环形器(8)分别与第一环形器(2)和耦合器相连，所述第二环形器(7)和第三环形器(8)还连接平衡探测器(12)，所述平衡探测器(12)经高通滤波器(14)连接DAQ高速数据采集卡(13)，所述DAQ高速数据采集卡(13)的一个通道直接采集平衡探测器(12)输出的信号用于PA灵敏度补偿，另一个采集通道采集高通滤波器(14)对平衡探测器输出(12)滤波后的信号用于高频光声信号的提取，所述AO模块(15)连接激光器(16)与DAQ高速数据采集卡(13)，所述AO模块(15)发出触发脉冲信号同步触发激光器(16)发出激光脉冲与DAQ高速数据采集卡(13)采集。所述激光器(16)发出的激光经第三反射镜(17)、第一调焦透镜(18)、第一聚焦透镜(19)、二色镜(21)与探测光中的样品光合为一束光，然后再经第二反射镜(22)、X-Y扫描振镜(23)第二聚焦透镜(28)聚焦于样品表面以激发光声信号；所述DAQ高速数据采集卡(13)与数据处理部分连接；其中所述DAQ高速数据采集卡(13)的采集方式是以零差干涉仪为基础并对其进行改进，所述AO控制模块(15)发出多个等间隔脉冲信号触发激光器发出多个激光脉冲，对样品进行激发，同时对参考臂的光程进行调制，使多个被激发的光声信号至少有一个在低灵敏度区域之外，并选择处于低灵敏度之外的光声信号进行灵敏度补偿，具体方法如下：S1：在光声成像系统中，样品由聚焦的短脉冲激光照射，样品内部局部吸收体对激光能量的吸收通过热弹性膨胀产生超声波，超声信号传播到样品表面导致样品表面振动产生位移变化ε(t)，DAQ高速数据采集卡(13)检测位移变化，平衡检测后的信号简化为由公式1可知，为系统检测振动的灵敏度，其中φ(t)为变化量，其余为常量，为求得φ(t)，采用如下方法，通过D(t)波形判断ε(t)到来之前的时间tp，此时公式1中高频信号为0，故可求得同时，公式1经过高通滤波可以得到结合公式2与公式3可以求得光声信号导致的表面振动求得的ε(t)为光声信号导致表面振动的原始信号，与灵敏度无关；S2：在S1中公式3为高通滤波器(14)消除低频分量后结果；S3：对参考臂进行调制：由S1推导可知光声信号到达样品之前的相位即φ(tp)决定系统灵敏度，而整个系统的最灵敏点在干涉信号的零点处即所谓的正交点(QPs)，为保证三个光声信号有一个离开低灵敏度区域，需要对参考臂进行调制，调制通过压电陶瓷位移台PZT(29)的移动来实现，反射镜(3)固定于...

【专利技术属性】
技术研发人员：马振鹤，孟祥和，于孟含，罗树卓，赵玉倩，刘健，于瑶，刘箫笛，王毅，
申请(专利权)人：东北大学秦皇岛分校，
类型：发明
国别省市：河北,13