本發(fā)明屬于非線性光聲檢測與成像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用光聲諧振的物理現(xiàn)象來進(jìn)行傳感與成像的方法及裝置。

背景技術(shù)：

光聲檢測與成像技術(shù)是最近快速發(fā)展起來的一種新的混合成像方法。光聲成像技術(shù)的基本原理是當(dāng)激光脈沖照射在被測物體以后，被測物體會(huì)吸收一部分光能量，導(dǎo)致瞬態(tài)的溫度升高，從而發(fā)生熱脹冷縮的瞬態(tài)振動(dòng)。這樣的振動(dòng)可以激發(fā)出超聲波即光聲信號(hào)，由于光聲信號(hào)的幅值線性正比于被測物體的光學(xué)吸收系數(shù)，因此傳統(tǒng)的光聲檢測與成像技術(shù)可以用來檢測和重構(gòu)出生物組織對(duì)特定/多個(gè)波長激光的吸收分布，從而進(jìn)行醫(yī)學(xué)檢測。關(guān)于光聲技術(shù)的綜述性總結(jié)可以在最近幾年的學(xué)術(shù)論文中找到(Nature Photonics 3,503-509(2009)；Science 335,1458-1462(2012))。

如上所述，傳統(tǒng)的光聲技術(shù)是基于對(duì)被測物體線性吸收特性的表征：光聲信號(hào)大小與被測物體光吸收大小或者激發(fā)的激光功率大小呈線性變化。然而，這種傳統(tǒng)的光聲檢測與成像的方法通常會(huì)面臨兩個(gè)難點(diǎn)。第一，要激發(fā)足夠強(qiáng)的光聲信號(hào)，一般需要利用高功率的脈沖激光器，比如Q-switched Nd:YAG激光器。這種激光器價(jià)格昂貴，不利于光聲成像設(shè)備的成本控制和商業(yè)化。為了解決這個(gè)問題，一些研究小組提出了利用低功率的激光二極管來代替高脈沖激光器，但是相應(yīng)的脈沖光聲信號(hào)卻會(huì)非常微弱。第二，在很多重要的應(yīng)用中，比如早期腫瘤檢測，由于其光吸收特性跟周圍正常生物組織非常類似，以至于背景信號(hào)會(huì)很大從而導(dǎo)致光聲成像的對(duì)比度會(huì)很小。在這種情況下，只依靠光吸收特性的傳統(tǒng)光聲成像方法將無法實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度的成像。雖然一些研究也有通過光聲來檢測被測物體粘彈性來進(jìn)行成像(CN 102879335B)，但其圖像對(duì)比度的增強(qiáng)效果依舊有限。

如上所述，現(xiàn)在商業(yè)化的光聲成像設(shè)備(比如Endra和iTheraMedical公司)都是利用昂貴的脈沖激光器，并且僅用來檢測被測物體的光學(xué)吸收特性。到目前為止，還沒有利用低功率激光二極管并且通過光聲諧振的方式來提高信噪比和圖像對(duì)比度的研究報(bào)道和產(chǎn)品。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供的非線性光聲譜諧振傳感與成像的方法及裝置，能夠利用低成本的連續(xù)激光二極管來實(shí)現(xiàn)光聲諧振譜傳感與成像，并進(jìn)一步通過差值成像的方式達(dá)到更好的信噪比和圖像的對(duì)比度。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：

第一方面，本發(fā)明提供了一種利用可調(diào)制的連續(xù)激光二極管來進(jìn)行光聲諧振譜傳感與成像的方法。首先，本發(fā)明是基于光聲諧振現(xiàn)象。首先，將多個(gè)脈沖且強(qiáng)度可調(diào)制的連續(xù)激光聚焦于一被測物體，由于被測物體對(duì)激光的吸收，將導(dǎo)致溫度的周期性升高和熱彈性效應(yīng)，從而激發(fā)出非線性光聲諧振信號(hào)。

所述的光聲諧振信號(hào)的波動(dòng)方程，其數(shù)學(xué)表達(dá)式將表述如下：

采用如下第一公式可以得到第一個(gè)非線性光聲諧振信號(hào)的波動(dòng)方程，所述第一公式為：

其中，a是光聲信號(hào)的傳播相位常數(shù)，ρ是被測物體的密度，η是所述被測物體的剪切粘性，ξ是所述被測物體的體粘性，c是聲速。Γ＝βc²/c_p是Grüneisen常數(shù)，其中β是被測物體的熱膨脹系數(shù)，c_p被測物體單位質(zhì)量的熱容量。H(t)＝μ_aΦ(t)是可調(diào)制激光的強(qiáng)度函數(shù),其中μ_a被測物體的光吸收系數(shù),Φ(t)是光強(qiáng)度。

進(jìn)一步的，可以看出第一公式是一個(gè)被可調(diào)制激光驅(qū)動(dòng)的二階差分方程，類似于一個(gè)二階震蕩系統(tǒng)，比如阻尼彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，或者電阻-電感-電容震蕩電路。

進(jìn)一步的，通過一些數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得到上述二階震蕩系統(tǒng)的諧振頻率ω_r和品質(zhì)因子Q，其數(shù)學(xué)表達(dá)式將表述如下：

采用如下第二公式可以得到非線性光聲諧振信號(hào)的諧振頻率和品質(zhì)因子，所述第二公式為：

如上述第二公式所示，不論是諧振頻率還是品質(zhì)因子，它們都跟被測物體除了光吸收系數(shù)意外的很多物理參數(shù)有關(guān)，比如聲速，粘彈性等。

進(jìn)一步的，當(dāng)激光二極管的調(diào)制頻率與被測物體的共振頻率匹配的時(shí)候，光聲諧振信號(hào)的信噪比會(huì)相應(yīng)的增大Q倍。另外，不同的被測物體由于具有不同的物理參數(shù)，其光聲諧振譜也會(huì)不同，從而可以實(shí)現(xiàn)光身譜的傳感檢測。

進(jìn)一步的，可以將光聲諧振譜發(fā)展成為一種高對(duì)比度的非線性光聲諧振成像的方法，具體步驟如下：

1.首先利用單脈沖調(diào)制的激光源，進(jìn)行一次傳統(tǒng)的線性光聲成像，從圖像上大概找出被測物體和背景的區(qū)域。

2.在被測物體和背景區(qū)域分別掃頻調(diào)制激光的調(diào)制頻率，得到這兩個(gè)區(qū)域的光聲諧振譜信息。

3.選擇被測物體的諧振頻率為激光的調(diào)制頻率，掃描得到第一幅光聲諧振圖像。然后選擇背景的諧振頻率為激光的調(diào)制頻率，掃描得到第二幅光聲諧振圖像。

4.最后，將第一幅光聲諧振圖像減去第二幅光身諧振圖像，然后將圖像小于零的像素點(diǎn)設(shè)置為零，就得到了差值光聲諧振圖像。

如上所述，差值光聲諧振圖像將凸顯出被測物體的信號(hào)，同時(shí)將抑制背景信號(hào)。

另一方面，本發(fā)明還提供了一種實(shí)現(xiàn)非線性光聲諧振傳感與成像的裝置，包括：

一個(gè)可調(diào)制的激光二極管及其驅(qū)動(dòng)電路，其用于激發(fā)頻率可調(diào)制的多脈沖激光信號(hào)；

FPGA(可編程邏輯門陣列)，其用于產(chǎn)生不同頻率的調(diào)制信號(hào)，從而得到非線性光聲諧振譜的信息；

光纖耦合器，將激光二極管輸出的光束聚合進(jìn)入一根多模光纖中；

光纖，其用于方便的傳輸激光束，光纖長度可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整；

錐形透鏡，用于將光纖末端輸出的光束聚焦并調(diào)整為環(huán)狀光斑；

環(huán)形聚合反射鏡，其用于將發(fā)散開的環(huán)狀光束松散的聚焦到被測物體，類似于黑場輻射；

超聲傳感器，其放置于所述環(huán)形聚合反射鏡的中間，與激光聚焦點(diǎn)同軸同心。所述超聲傳感器用于檢測所述被測物體由激光脈沖誘導(dǎo)產(chǎn)生的非線性光聲諧振信號(hào)。超聲傳感器可以為單點(diǎn)水浸式傳感器，也可以為多點(diǎn)陣列式傳感器；

去離子水，其設(shè)置在所述環(huán)形聚合反射鏡和所述被測物體之間，用于耦合激光照射和超聲，所述去離子水設(shè)置在一個(gè)由透明聚乙烯薄膜制成的腔體中；

三維機(jī)械掃描平臺(tái)及其驅(qū)動(dòng)電路，其用于掃描被測物體，實(shí)現(xiàn)二維和三維的成像顯示；以上所述光纖、錐形透鏡、環(huán)形聚合反射鏡、超聲傳感器都與所述三維機(jī)械掃描平臺(tái)相連，并與其一起運(yùn)動(dòng)；

低噪聲放大器，其連接所述超聲傳感器，所述超聲傳感器收集到的光聲諧振信號(hào)經(jīng)過所述低噪聲放大器進(jìn)行信號(hào)放大；

數(shù)據(jù)采集卡，其連接所述低噪聲放大器，所述低噪聲放大器放大的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；

電腦，其連接所述數(shù)據(jù)采集卡，用于接收所述數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

本發(fā)明提供的利用可調(diào)制激光二極管來實(shí)現(xiàn)的非線性光聲諧振傳感與成像的裝置：由于利用了光聲信號(hào)的諧振現(xiàn)象，可以極大的提高光聲信號(hào)的信噪比。另外，通過掃描激光器的調(diào)制頻率，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)除了光吸收之外的物理參數(shù)的檢測表征。進(jìn)一步的，通過差值成像的方法，可以壓制背景噪聲的信號(hào)，顯著的提高非線性光聲諧振成像的對(duì)比度。這項(xiàng)技術(shù)可以降低光聲成像系統(tǒng)的總體成本，并且可以利用光聲諧振譜的差值成像方法，提高成像的對(duì)比度。這種利用可調(diào)制激光二極管來實(shí)現(xiàn)的非線性光聲諧振傳感與成像的方法可以用在大部分的光聲成像應(yīng)用中，以及早期腫瘤檢測(比如黑色素瘤，乳腺癌等)，皮下血管成像與血糖血脂檢測等。

附圖說明

圖1是非線性光聲諧振譜傳感與成像的系統(tǒng)示意圖；

圖2是基于非線性光聲諧振譜傳感來實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度差值成像的示意圖；

圖3是基于寬帶掃頻方式來實(shí)現(xiàn)光聲諧振譜成像的示意圖

圖4是仿體實(shí)驗(yàn)的結(jié)果；

圖5是在體外生物組織進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果；

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖,對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

為使本發(fā)明技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施提供了一種基于可調(diào)制激光二極管的非線性光聲諧振成像系統(tǒng)的裝置，包括：

一個(gè)大功率驅(qū)動(dòng)電路2，和與之相連的激光二極管3，用于產(chǎn)生激發(fā)光聲諧振信號(hào)的多脈沖光源。

其中，激光二極管的波長可以在可見光和近紅外范圍內(nèi)進(jìn)行選擇，根據(jù)不同的被測物體選擇不同的測試波長。比如，測量血液血氧含量的話，可以選擇波長在550-650nm之間，這樣血液有較強(qiáng)的光吸收。對(duì)于脂類檢測，可以選擇1210nm附近的波長，可以最大化脂類相對(duì)于血液的吸收強(qiáng)度。激光強(qiáng)度可以選擇在保證安全的情況下，盡量大的功率來增強(qiáng)信噪比。

進(jìn)一步的，上述激光器所需的輸入掃頻調(diào)制信號(hào)由FPGA(可編程邏輯門陣列)1產(chǎn)生，其用于產(chǎn)生多脈沖(3～10個(gè)脈沖)且頻率可調(diào)的輸入信號(hào)。

進(jìn)一步的，上述激光二極管發(fā)出的激光4被一個(gè)光纖耦合器5耦合進(jìn)入一根光纖6。

其中，上述光纖可為多模光纖或者單模光纖，在此不做具體的限定。

進(jìn)一步的，從上述的光纖出來的光束通過錐形透鏡7聚焦并調(diào)整為環(huán)狀光斑。并通過環(huán)形聚合反射鏡聚8焦于被測物體15。

需要說明的是，環(huán)狀光斑的大小和深度取決于預(yù)先設(shè)定的成像深度。

進(jìn)一步的，超聲傳感器9置于上述環(huán)形聚合反射鏡中間，與光束聚焦同軸同心。

需要說明的是，超聲傳感器可以選擇單個(gè)聚焦超聲單元，或者由多個(gè)非聚焦超聲單元組成的陣列?？梢愿鶕?jù)實(shí)際情況來決定。根據(jù)不同的應(yīng)用，超聲頻率可以選擇1～20MHz。

進(jìn)一步的，上述聚合光纖、錐形透鏡、環(huán)形聚合反射鏡、超聲傳感器都連接于三維機(jī)械掃描平臺(tái)10，并由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器11進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

需要說明的是，上述三維機(jī)械掃描平臺(tái)的掃描速度，步長和掃描范圍可根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境調(diào)整。

進(jìn)一步的，裝滿去離子水12的小型容器13置于超聲探頭和被測物體之間。超聲探頭浸沒于去離子水中，以便接收來自被測物體的光聲諧振信號(hào)。聚焦光束也穿過去離子水聚焦于被測物體。

進(jìn)一步的，上述小型容器的底部由一層透明的塑料薄膜14構(gòu)成，其用于耦合來自被測物體的光聲信號(hào)。

進(jìn)一步的，上述超聲傳感器采集到的光聲諧振信號(hào)連接于低噪聲放大器16進(jìn)行信號(hào)放大；數(shù)據(jù)采集卡17，其連接所述低噪聲放大器16，將所述低噪聲放大器放大的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；電腦18，其連接所述數(shù)據(jù)采集卡，用于接收所述數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析。

需要說明的是，上述電腦為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，同時(shí)控制激光器觸發(fā)，三維掃描平臺(tái)移動(dòng)，以及數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)。

整個(gè)裝置的具體工作過程為：

由FPGA(可編程邏輯門陣列FPGA)1產(chǎn)生的多脈沖頻率可調(diào)制的控制信號(hào)輸入到驅(qū)動(dòng)電路2中。上述驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)而驅(qū)動(dòng)一個(gè)激光二極管3來發(fā)射出激光束4，然后通過光纖耦合器5將激光耦合進(jìn)光纖6中。從上述光纖發(fā)出的光束通過錐形透鏡7聚合并調(diào)整為環(huán)狀光斑，并進(jìn)一步由環(huán)形聚合反射鏡8將其聚焦于被測物體15。另外，超聲傳感器9置于環(huán)形聚合反射鏡的中間，并與光束同軸同心。上述6-9均固定于三維機(jī)械掃描平臺(tái)10，隨其一起掃描運(yùn)動(dòng)，并由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器11為其驅(qū)動(dòng)。另一方面，裝滿去離子水12的小型容器13置于超聲探頭和被測物體之間用來耦合光聲諧振信號(hào)。由超聲傳感器接收到的光聲諧振信號(hào)通過低噪聲信號(hào)放大器16進(jìn)行放大，并通過數(shù)據(jù)采集卡17進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)被電腦18采集與處理。

進(jìn)一步的，差值非線性光聲諧振成像如圖2所示，具體過程為：

1.首先利用單脈沖調(diào)制的激光源，進(jìn)行一次傳統(tǒng)的線性光聲成像，從圖像上大概找出被測物體和背景的區(qū)域(圖2a)。

2.在被測物體和背景區(qū)域分別掃頻調(diào)制激光的調(diào)制頻率，得到這兩個(gè)區(qū)域的光聲諧振譜信息(圖2b)。

3.選擇被測物體的諧振頻率為激光的調(diào)制頻率，掃描得到第一幅光聲諧振圖像。然后選擇背景的諧振頻率為激光的調(diào)制頻率，掃描得到第二幅光聲諧振圖像(圖2c)。

4.最后，將第一幅光聲諧振圖像減去第二幅光身諧振圖像，然后將圖像小于零的像素點(diǎn)設(shè)置為零，就得到了差值光聲諧振圖像(圖2c)。

進(jìn)一步的，基于寬帶掃頻方式來實(shí)現(xiàn)光聲諧振譜成像如圖3所示，具體過程為：

1.選擇寬帶掃描信號(hào)的開始頻率，結(jié)束頻率，以及時(shí)間寬度(圖3a)。

2.在每一個(gè)掃描點(diǎn)處，可以得到掃頻的寬帶光聲信號(hào)如圖3b。其包絡(luò)在各個(gè)頻率處的幅值反映了被測物體的光聲諧振特性。

3.利用匹配濾波器運(yùn)算，可以得到被測物體的深度信息，便于后期進(jìn)行三維圖像重構(gòu)(圖3c)。

4.利用包絡(luò)檢波器，可以得到原始寬帶掃頻光聲諧振信號(hào)的包絡(luò)信息。如上所述，反映了被測物體的諧振信息，是跟光吸收強(qiáng)度無關(guān)的物理參數(shù)。

5.類似于圖2中的差值光聲諧振成像方法，寬帶掃頻光聲諧振信號(hào)也可以通過選擇不同頻率和帶寬的匹配濾波器，來實(shí)現(xiàn)選擇性的對(duì)被測物體和背景的信號(hào)放大，從而通過差值運(yùn)算來壓制背景噪聲。

下面，本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例以黑線仿體成像來對(duì)本發(fā)明實(shí)施例所提供的方法和裝置進(jìn)行說明。本實(shí)施例的結(jié)果如圖4所示。實(shí)驗(yàn)檢測到的時(shí)域單脈沖光聲信號(hào)和光聲諧振信號(hào)如圖4a所示?？梢钥闯觯饴曋C振信號(hào)具有更大的信號(hào)幅度和更窄的帶寬。進(jìn)一步的，對(duì)激光調(diào)制頻率進(jìn)行掃頻(840kHz～1340kHz)，從圖4b中的結(jié)果可以觀察到，被測物體和背景具有不同的光聲諧振譜特性，并可以分別拿到各自的諧振峰值頻率(920kHz,1140kHz)。進(jìn)一步的，利用諧振頻率920kHz進(jìn)行三維光聲諧振成像，會(huì)最大化背景的光聲信號(hào)，成像結(jié)果如圖4c所示。利用諧振頻率1140kHz進(jìn)行三維光聲諧振成像，會(huì)最大化被測目標(biāo)的信號(hào)，成像結(jié)果如圖4d所示。進(jìn)一步的，對(duì)上述兩幅成像結(jié)果進(jìn)行差值運(yùn)算，可以得到差值成像結(jié)果，如圖4e所示。可以看出，差值成像的圖像對(duì)比度要遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的直接光聲成像結(jié)果。

本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例是以體外生物組織為成像目標(biāo)來對(duì)本發(fā)明實(shí)施例所提供的方法和裝置進(jìn)行說明。如圖5a所示是被測豬肉肌肉和肝臟組織的照片。圖5b是對(duì)其進(jìn)行的光聲諧振譜測試?？梢钥闯觯∪夂透闻K具有不同的諧振峰。類似于上一個(gè)實(shí)施例，分別進(jìn)行了傳統(tǒng)的單激光脈沖成像(圖5c)，利用肌肉諧振峰頻率的光聲諧振成像(圖5d)，利用肝臟諧振峰頻率的光聲諧振成像(圖5e)，以及光聲諧振差值成像(圖5f)?？梢钥闯?，圖5c反映了原本的光吸收對(duì)比度，圖5d增強(qiáng)了肌肉光聲諧振圖像的對(duì)比度，圖5e增強(qiáng)了肝臟光聲諧振圖像的對(duì)比度。最后，圖5f通過差值成像的方式突出了肝臟的信號(hào)，壓制了背景肌肉信號(hào)，從而極大的提高了圖像對(duì)比度。

本發(fā)明實(shí)施例所提出的利用可調(diào)制激光二極管的非線性光聲諧振譜傳感與成像方法及裝置可適用于現(xiàn)有光聲成像系統(tǒng)的絕大多數(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)利用低成本連續(xù)激光器來進(jìn)行光聲諧振譜成像。進(jìn)一步的，本發(fā)明還提出了利用光聲諧振譜來進(jìn)行差值光聲諧振成像的方法，進(jìn)而可以達(dá)到高對(duì)比度的成像效果，尤其適用于在傳統(tǒng)光聲成像中光吸收特性差異不明顯的情況。最后，本發(fā)明還提出了利用寬帶掃頻的方式進(jìn)行光聲諧振成像，并利用仿體和體外組織進(jìn)行了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。然而，本發(fā)明的具體實(shí)施方式和應(yīng)用范圍并不局限于以上實(shí)例。任何利用到本發(fā)明的基本原理所作的改變，修飾，替代，組合，簡化，均為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

盡管本發(fā)明的實(shí)施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實(shí)施方式中所列運(yùn)用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域，對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實(shí)現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細(xì)節(jié)和這里示出與描述的圖例。