基于结构光探测的光声成像装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术为基于结构光探测的光声成像装置与方法，包括光声激光器、反射镜、第一扩束器、载物台、样品池、探测激光器、偏振光分束器、耦合传感器、数据采集卡、计算机、第二扩束器、数字微镜器件、凸透镜和光电探测器，耦合传感器为底部涂有石墨烯层或金属膜的棱镜；样品池内含有液体，底部开有窗口并密封透声薄膜，透声薄膜通过超声耦合剂与成像物体接触；数字微镜器件与计算机连接，光电探测器与数据采集卡连接，数据采集卡与计算机连接；光声激光器与计算机连接。本发明专利技术方法无需机械移动，只需要通过改变数字微镜器件的编码多次，再经计算机的图像重建模块即可计算出三维光声图像，从而大大提高成像速度和降低运动伪影与噪声。大提高成像速度和降低运动伪影与噪声。大提高成像速度和降低运动伪影与噪声。

【技术实现步骤摘要】
基于结构光探测的光声成像装置与方法


[0001]本专利技术涉及光声成像技术，具体涉及一种基于结构光探测的光声成像装置与方法。

技术介绍

[0002]近年来，光声成像作为一种新兴的生物成像技术在国内外引起了广泛的兴趣。光声成像结合了光学和超声成像的优势，采集超短脉冲激发光照射生物组织内的吸收体产生的超声信号并进行重建得到生物组织内部的结构和功能信息。光声成像相对于其他成像，它具有无辐射、高灵敏度、高分辨率和高对比度的优点。
[0003]由于成像物体的尺度大小不一，使得激发光激发成像物体产生的超声信号的频率涵盖几MHz到百MHz的范围。然而，传统的压电探测超声的方法带宽有限，不能满足光声信号的宽谱探测要求，导致成像的分辨率较低。因此，研发基于超声信号宽带探测的光声成像装置和方法对高分辨率光声成像具有重要应用价值。现有的基于超声信号宽带探测的光声成像装置和方法采用基于光学探测的光声成像技术，它利用表面等离子体共振原理探测光声成像产生的超声信号，即超声信号引起棱镜底面涂有的石墨烯层或金属膜附近液体折射率变化，聚焦的p偏振光经涂有石墨烯层或金属膜的棱镜底面反射后的光强随液体折射率变化而变化，从而实现探测超声信号。这种方法具有超声信号探测带宽宽(>100MHz)的特点。此方法的p偏振光为单点聚焦光，一次只能采集一个位置点处的超声信号，得到沿深度方向的一维超声信息，需要通过机械移动的方法实现二维扫描，才能实现三维光声成像。这种方法成像速度慢，且机械移动容易带来运动伪影，光声图像质量差。而且单点聚焦一次只采集一个位置点的超声信号，信号强度弱，由于受到环境光和电子噪声等的影响，信噪比低、灵敏度差。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的上述问题，本专利技术提供了一种基于结构光探测的光声成像装置与方法。
[0005]本专利技术解决所述技术问题采用的技术方案是：
[0006]第一方面，本专利技术提供一种基于结构光探测的光声成像装置，包括光声激光器1、反射镜2、第一扩束器3、载物台4、样品池5、探测激光器7、偏振光分束器8、耦合传感器10、数据采集卡14和计算机15，耦合传感器10为底部涂有石墨烯层或金属膜的棱镜；其特征在于，该光声成像装置还包括第二扩束器9、数字微镜器件11、凸透镜12和光电探测器13，样品池5内含有液体，底部开有窗口并密封透声薄膜，透声薄膜通过超声耦合剂与成像物体接触；成像物体放在载物台4上；耦合传感器的棱镜底部的石墨烯层或金属膜浸入到样品池5的液体中；数字微镜器件11与计算机15连接，光电探测器13与数据采集卡14连接，数据采集卡14与计算机15连接；光声激光器1与计算机15连接；
[0007]探测激光器7发出探测激光，经偏振光分束器8分离出p偏振光，p偏振光经第二扩
束器9扩束形成探测光面光源，入射至耦合传感器10底部，调整入射方向使耦合传感器底部的石墨烯层或金属膜发生表面等离子体共振现象，探测光面光源在耦合传感器底部的照射区域作为探测窗口；光声激光器1发出脉冲激发光经反射镜2反射，进入第一扩束器3扩束后形成激发光面光源照射到载物台上的成像物体上；成像物体发出超声信号，超声信号透过样品池5的透声薄膜后经样品池中液体的传播到达耦合传感器10底部探测窗口，引起探测窗口处石墨烯层或金属膜附近液体的折射率随时间变化；探测窗口的石墨烯层或金属膜附近液体的折射率变化会引起探测窗口处p偏振光的反射率变化；从耦合传感器10的探测窗口反射出的探测光面光源经数字微镜器件11编码调制形成结构光后反射至凸透镜后聚焦至光电探测器13中；光电探测器将光信号转为电信号后由数据采集卡14采集至计算机15中进行图像重建。
[0008]所述计算机内设置图像重建模块，所述图像重建模块用于计算三维光声图像，包括探测窗口反射光强的解调、利用探测窗口反射光强得到超声信号强度以及光声图像的重建三部分；a)探测窗口反射光强的解调：
[0009]设置棱镜底面探测窗口S所在平面为z坐标为0的xy平面，探测窗口S的中心为xy平面的坐标原点，垂直于棱镜底面探测窗口S所在平面方向向下为z的正方向；
[0010]光电探测器13获得的光强信号是探测光面光源经探测窗口的反射光经过数字微镜器件编码调制后形成的结构光的光强总和，将探测窗口S离散成N
×
N个点反射单元，数据采集卡在时刻t采集到的经数字微镜器件第m次编码的结构光光强对应的电信号记为y(m,t)；时刻t耦合传感器的棱镜底面探测窗口S内的点反射单元反射的反射光强为q(x,y,t)，其中(x,y)为点反射单元的位置坐标；时刻t第m次数字微镜器件的编码调制矩阵记为A(m,x,y,t)，t为数据采集卡采集信号时间相对于光声激光器发出激光的时间差；
[0011]电信号y(m,t)、编码调制矩阵A(m,x,y,t)、反射光强q(x,y,t)三者的关系为式(1)：
[0012]y(m,t)＝A(m,x,y,t)*q(x,y,t)(1)
[0013]通过采集m次光电探测器的时序电信号得到m个已知的y(m,t)，t＝t0,t1,
…
,ti,
…
tn，n为整数，y(m,t)为一个时序序列，t的最大值tn大于光声成像的成像物体的三维成像区域中的体素与探测窗口S内的点反射单元距离中的最大值除以成像物体中的声速，t的取值间隔遵循采样定理，对于百MHz的信号，应小于5ns；A(m,x,y,t)为已知的数字微镜器件的编码调制矩阵，利用ti时刻m次光电探测器的电信号y(m,ti)，求解式(1)得到ti时刻的q(x,y,ti)，依此利用不同t时刻m次光电探测器的电信号y(m,t)，得到所有t时刻的q(x,y,t)，此过程即为探测窗口反射光强的解调；
[0014]b)利用探测窗口反射光强得到超声信号强度：
[0015]探测窗口中每个点反射单元的反射光强q(x,y,t)与光声激光器激发成像物体发出的超声信号强度p(x,y,t)呈线性关系，即满足式(2)：
[0016]p(x,y,t)＝a*q(x,y,t)+b(2)
[0017]其中，a，b为常数，通过设置两个以上已知强度的p(x,y,t)和测得的q(x,y,t)，求解式(2)即得到a、b的值；再利用已知a、b值时的式(2)，通过反射光强q(x,y,t)能获得超声信号强度p(x,y,t)；
[0018]c)光声图像的重建：
[0019]利用经过步骤a)和步骤b)后得到的所有t时刻的超声信号p(x,y,t)，其中t为步骤a)中数据采集卡采集信号时间相对于光声激光器发出激光的时间差，利用p(x,y,t)进行滤波反投影重建即能得到三维光声图像。
[0020]第二方面，本专利技术提供一种基于结构光探测的光声成像方法，其特征在于，该成像方法的具体步骤是：
[0021]1)探测激光器发出探测激光，经偏振光分束器分离出p偏振光后，p偏振光经第二扩束器扩束形成探测光面光源，入射至耦合传感器的棱镜底面石墨烯层或金属膜上，照射区域作为探测窗口，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于结构光探测的光声成像装置，包括光声激光器、反射镜、第一扩束器、载物台、样品池、探测激光器、偏振光分束器、耦合传感器、数据采集卡和计算机，耦合传感器为底部涂有石墨烯层或金属膜的棱镜；其特征在于，该光声成像装置还包括第二扩束器、数字微镜器件、凸透镜和光电探测器，样品池内含有液体，底部开有窗口并密封透声薄膜，透声薄膜通过超声耦合剂与成像物体接触；成像物体放在载物台上；耦合传感器的棱镜底部的石墨烯层或金属膜浸入到样品池的液体中；数字微镜器件与计算机连接，光电探测器与数据采集卡连接，数据采集卡与计算机连接；光声激光器与计算机连接；探测激光器发出探测激光，经偏振光分束器分离出p偏振光，p偏振光经第二扩束器扩束形成探测光面光源，入射至耦合传感器底部，调整入射方向使耦合传感器底部的石墨烯层或金属膜发生表面等离子体共振现象，探测光面光源在耦合传感器底部的照射区域作为探测窗口；光声激光器发出脉冲激发光经反射镜反射，进入第一扩束器扩束后形成激发光面光源照射到载物台上的成像物体上；成像物体发出超声信号，超声信号透过样品池的透声薄膜后经样品池中液体的传播到达耦合传感器底部探测窗口，引起探测窗口处石墨烯层或金属膜附近液体的折射率随时间变化；探测窗口的石墨烯层或金属膜附近液体的折射率变化会引起探测窗口处p偏振光的反射率变化；从耦合传感器的探测窗口反射出的探测光面光源经数字微镜器件编码调制形成结构光后反射至凸透镜后聚焦至光电探测器中；光电探测器将光信号转为电信号后由数据采集卡采集至计算机中进行图像重建。2.根据权利要求1所述的基于结构光探测的光声成像装置，其特征在于，所述光电探测器为单像素光电探测器，光电探测器对光强变化的响应速度应带宽应大于百MHz，以满足对百MHz以上频率超声信号快速变化的响应。3.根据权利要求1所述的基于结构光探测的光声成像装置，其特征在于，所述数字微镜器件编码采用傅里叶编码、者哈达玛编码或格雷编码。4.根据权利要求1所述的基于结构光探测的光声成像装置，其特征在于，所述计算机内设置图像重建模块，所述图像重建模块用于计算三维光声图像，包括探测窗口反射光强的解调、利用探测窗口反射光强得到超声信号强度以及光声图像的重建三部分；a)探测窗口反射光强的解调：设置棱镜底面探测窗口S所在平面为z坐标为0的xy平面，探测窗口S的中心为xy平面的坐标原点，垂直于棱镜底面探测窗口S所在平面方向向下为z的正方向；光电探测器获得的光强信号是探测光面光源经探测窗口的反射光经过数字微镜器件编码调制后形成的结构光的光强总和，将探测窗口S离散成N
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N个点反射单元，数据采集卡在时刻t采集到的经数字微镜器件第m次编码的结构光光强对应的电信号记为y(m,t)；时刻t耦合传感器的棱镜底面探测窗口S内的点反射单元反射的反射光强为q(x,y,t)，其中(x,y)为点反射单元的位置坐标；时刻t第m次数字微镜器件的编码调制矩阵记为A(m,x,y,t)，t为数据采集卡采集信号时间相对于光声激光器发出激光的时间差；电信号y(m,t)、编码调制矩阵A(m,x,y,t)、反射光强q(x,y,t)三者的关系为式(1)：y(m,t)＝A(m,x,y,t)*q(x,y,...

【专利技术属性】
技术研发人员：王国鹤，于春水，李长辉，张希，张雪君，孙少凯，张雁琦，
申请(专利权)人：天津医科大学，
类型：发明
国别省市：