本實用新型涉及光聲成像系統(tǒng)，具體地是涉及一種柔性基底MEMS器件曲面陣列光聲成像系統(tǒng)。

背景技術：

在為疾病診斷的光聲成像技術中，成像覆蓋面積、成像速度和空間分辨率都是非常重要的。大的成像覆蓋面積有助于對成像組織的全局進行觀察，高的空間分辨率能分辨更為精細的生物組織和功能改變，進而實現(xiàn)對疾病的早期診斷。高的成像速度使得光聲成像減少由于機體運動，如呼吸、脈動和器官蠕動等所造成的假象，降低費用和病人的不適持續(xù)時間，實現(xiàn)手續(xù)前大通量成像，同時還可以減少侵入性治療，比如內窺鏡所帶來的風險。當前，光聲成像系統(tǒng)通常由單個光源或單個聲換能器或分立式器件組裝成的簡單陣列構成，這種系統(tǒng)通常還需要復雜機械運動裝置輔助成像探頭的掃描，實現(xiàn)大面積區(qū)域成像。這種光聲成像裝置結構大且復雜，實現(xiàn)大面積區(qū)域成像的過程耗時長，且不適合曲面成像。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型是為避免上述現(xiàn)有技術存在的不足之處，提供一種柔性基底MEMS器件曲面陣列光聲成像系統(tǒng)，實現(xiàn)大面積、高分辨率、高對比度、快速成像，避免傳統(tǒng)光聲成像中復雜的機械運動裝置，減小光聲成像頭的體積，適合在柱面、球面或復雜曲面上布置光聲成像陣列，以適用于人體自然腔道內表面以及人體外體表快速大面積高性能成像。

本實用新型為解決技術問題采用如下技術方案：

本實用新型柔性基底MEMS器件曲面陣列光聲成像系統(tǒng)的結構特點是：所述系統(tǒng)包括光源模塊、光聲模塊、信號采集模塊、圖像模塊和控制模塊；

所述光聲模塊為層結構，所述層結構自下而上依次疊加為MEMS微鏡陣列及光纖通道層、柔性印刷電路版互聯(lián)層、MEMS聲換能器陣列層和聲阻抗匹配層；所述MEMS聲換能器陣列層通過焊接方式固定在柔性印刷電路版互聯(lián)層的上表面焊腳上；所述MEMS微鏡陣列及光纖通道層的主體為柔性聚合物結構，在所述柔性聚合物結構上制作有通道及凹槽，MEMS微鏡陣列和光纖嵌入在柔性聚合物結構的通道和凹槽內；所述MEMS微鏡陣列及光纖通道層中設置有光纖和MEMS微鏡陣列的一面與柔性印刷電路版互聯(lián)層的下表面采用粘結劑鍵合，形成固定聯(lián)結；在所述柔性印刷電路版互聯(lián)層上制作有微孔陣列，光纖中的激光經過MEMS微鏡反射后，通過柔性印刷電路版互聯(lián)層上的微孔陣列照射被成像組織；所述聲阻抗匹配層為是以透明、且有彈性的聚合物為材質，所述聲阻抗匹配層制作在柔性印刷電路版互聯(lián)層的上表面，并將所述MEMS聲換能器陣列層全覆蓋，形成主體為柔性、可以貼裝在圓柱面、球面或其它曲面上的柔性光聲模塊；

所述光聲模塊由各成像單元陣列構成，每個成像單元中有一個激光輸入光纖，一個兩自由度MEMS微鏡，在激光出射孔的周邊的圓周方向上均勻分布多個MEMS聲換能器，以成像單元構建一個獨立的小區(qū)域光聲成像系統(tǒng)；

所述MEMS微鏡能夠在鏡面平面內二自由度調節(jié)激光反射角，實現(xiàn)激光在成像單元對應的小區(qū)域內二維掃描，完成小區(qū)域內的三維成像；

所述光源模塊包括激光源和1×N光開關；1×N光開關的輸入端連在激光源，輸出端連到光纖；

利用控制模塊控制所述1×N光開關，使激光源在成像單元陣列中依次掃描并停留，由信號采集模塊采集獲得對應成像單元的聲換能器輸出信號，利用圖像模塊獲得成像單元的光聲圖像，對所述各成像單元的光聲圖像通過拼接，獲得完整的全區(qū)域圖像。

本實用新型柔性基底MEMS器件曲面陣列光聲成像系統(tǒng)的結構特點也在于：所述光聲模塊的工作模式為：入射激光和出射激光相垂直，入射激光從激光輸入光纖引入成像單元，經過MEMS微鏡反射，MEMS微鏡的反射角能夠在兩個水平旋轉軸上調節(jié)，使得出射激光在生物組織的表面小區(qū)域內二維掃描；

所述光聲模塊的工作模式或為：入射激光和出射激光相平行，入射激光從激光輸入光纖引入成像單元，經過固定微鏡一次反射后，再經過MEMS微鏡二次反射，MEMS微鏡的反射角可在兩個水平旋轉軸上調節(jié)，使得出射激光在生物組織的表面小區(qū)域內二維掃描。

本實用新型柔性基底MEMS器件曲面陣列光聲成像系統(tǒng)的結構特點也在于：所述信號采集模塊包括信號放大與預處理電路、數(shù)據采集器件；由所述信號放大與預處理電路將聲換能器的輸出信號放大，并供數(shù)據采集器件轉化成數(shù)字信號。

本實用新型柔性基底MEMS器件曲面陣列光聲成像系統(tǒng)的結構特點也在于：所述控制模塊包括中央控制器、延時控制器和數(shù)據采集通道切換電路；由所述中央控制器控制1×N光開關，確定激光的輸出通道；激光切換到輸出通道的同時，經過延時控制器的延時，數(shù)據采集通道切換電路將數(shù)據采集器件的輸入端切換到激光輸出通道對應成像單元的聲換能器，完成成像單元的聲波采集。

本實用新型柔性基底MEMS器件曲面陣列光聲成像系統(tǒng)的結構特點也在于：所述圖像模塊由數(shù)據處理計算機、圖像重構與顯示；數(shù)據處理計算機接收數(shù)據采集器件輸出的數(shù)字信號，經過圖像重構算法的運算，獲得成像單元的光聲圖像；控制模塊完成成像單元的全區(qū)域掃描后，將各個成像單元的光聲圖像進行拼接，獲得完成的全區(qū)域圖像，并進行顯示。

與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有如下的有益效果：

本實用新型的光聲模塊為柔性結構，在柔性結構上嵌入有成像單元陣列，成像單元中采用了尺寸微小的MEMS微鏡，多個大帶寬、高性能的聲換能器，通過激光在成像單元中逐個掃描，MEMS微鏡控制激光在成像單元內小區(qū)域二維掃描，控制數(shù)據采集器同步延時采集激勵的聲波信號，實現(xiàn)大面積區(qū)域三維精細成像。本實用新型消除了傳統(tǒng)光聲成像系統(tǒng)中的機械機構掃描裝置，簡化了結構，加快了成像速度，大量采用的MEMS器件大大減小了整個裝置的體積。柔性結構方便光聲模塊貼附在曲面上，極適合構建人體自然腔道內表面或體表曲面的大面積、快速成像裝置。

附圖說明

圖1為本實用新型中系統(tǒng)原理框圖；

圖2為本實用新型中光聲模塊層狀結構示意圖；

圖3為本實用新型中成像單元示意圖；

圖4為本實用新型中成像單元剖面示意圖；

圖5為本實用新型中成像單元模式一原理圖；

圖6為本實用新型中成像單元模式二原理圖；

圖7為本實用新型具體實施為柱面陣列結構圖；

圖中標號：1聲阻抗匹配層，2為MEMS聲換能器陣列層；3柔性印刷電路版互聯(lián)層；4為MEMS微鏡陣列及光纖通道層；5為MEMS聲換能器；6激光出射孔；7成像單元；8入射激光；9激光輸入光纖；10為MEMS微鏡；11聲波信號；12生物組織；13出射激光；14固定微鏡；15光聲模塊載體；16光聲模塊。

具體實施方式

參見圖1，本實施例中柔性基底MEMS器件曲面陣列光聲成像系統(tǒng)包括光源模塊、光聲模塊、信號采集模塊、圖像模塊和控制模塊。

如圖2、圖3、圖4和圖7所示，光聲模塊16為層結構，層結構自下而上依次疊加為MEMS微鏡陣列及光纖通道層4、柔性印刷電路版互聯(lián)層3、MEMS聲換能器陣列層2和聲阻抗匹配層1；其中，MEMS聲換能器陣列層2通過焊接方式固定在柔性印刷電路版互聯(lián)層3的上表面焊腳上；MEMS微鏡陣列及光纖通道層4的主體為柔性聚合物結構，在柔性聚合物結構上制作有通道及凹槽，MEMS微鏡陣列和光纖嵌入在柔性聚合物結構的通道和凹槽內；MEMS微鏡陣列及光纖通道層4中設置有光纖和MEMS微鏡陣列的一面與柔性印刷電路版互聯(lián)層3的下表面采用粘結劑鍵合，形成固定聯(lián)結；在柔性印刷電路版互聯(lián)層3上制作有微孔陣列，光纖中的激光經過MEMS微鏡反射后，通過柔性印刷電路版互聯(lián)層3上的微孔陣列照射被成像組織；聲阻抗匹配層1為是以透明、且有彈性的聚合物為材質，聲阻抗匹配層1制作在柔性印刷電路版互聯(lián)層3的上表面，并將MEMS聲換能器陣列層2全覆蓋，形成主體為柔性、可以貼裝在圓柱面、球面或其它曲面上的柔性光聲模塊；

如圖4和圖7所示，光聲模塊16由各成像單元陣列構成，每個成像單元7中有一個激光輸入光纖9，一個兩自由度MEMS微鏡10，在激光出射孔6的周邊的圓周方向上均勻分布多個MEMS聲換能器5，以成像單元構建一個獨立的小區(qū)域光聲成像系統(tǒng)；MEMS微鏡10能夠在鏡面平面內二自由度調節(jié)激光反射角，實現(xiàn)激光在成像單元對應的小區(qū)域內二維掃描，完成小區(qū)域內的三維成像。

光源模塊包括激光源和1×N光開關；1×N光開關的輸入端連在激光源，輸出端連到光纖；

利用控制模塊控制1×N光開關，使激光源在成像單元陣列中依次掃描并停留，由信號采集模塊采集獲得對應成像單元的聲換能器輸出信號，利用圖像模塊獲得成像單元的光聲圖像，對各成像單元的光聲圖像通過拼接，獲得完整的全區(qū)域圖像。

圖1所示，本實施例中信號采集模塊包括信號放大與預處理電路和數(shù)據采集器件；由信號放大與預處理電路將聲換能器的輸出信號放大，并供數(shù)據采集器件轉化成數(shù)字信號；控制模塊包括中央控制器、延時控制器和數(shù)據采集通道切換電路；由中央控制器控制1×N光開關，確定激光的輸出通道；激光切換到輸出通道的同時，經過延時控制器的延時，數(shù)據采集通道切換電路將數(shù)據采集器件的輸入端切換到激光輸出通道對應成像單元的聲換能器，完成成像單元的聲波采集；圖像模塊由數(shù)據處理計算機和圖像重構與顯示單元構成，數(shù)據處理計算機接收數(shù)據采集器件輸出的數(shù)字信號，經過圖像重構算法的運算，獲得成像單元的光聲圖像；控制模塊完成成像單元的全區(qū)域掃描后，將各個成像單元的光聲圖像進行拼接，獲得完成的全區(qū)域圖像，并進行顯示。

如圖4、圖5和圖6所示，本實用新型MEMS器件陣列光聲成像系統(tǒng)將大面積成像區(qū)域分成多個成像單元，每個成像單元由一個光纖、一個MEMS微鏡和以光源為中心的周邊圓周分布的數(shù)個聲換能器構成。1×N光開關通過控制模塊控制激光源激光在成像單元陣列中依次掃描并停留，同時，控制器也同步控制數(shù)據采集通道切換電路，經過時間延遲后，將數(shù)據采集器件輸入端口切換到對應成像單元的聲換能器輸出信號。當成像單元的光纖中有激光通入時，激光經過MEMS微鏡反射后照射在被成像生物組織12上，生物組織12發(fā)生光聲效應，激發(fā)出聲波信號11，產生的聲波信號11經過MEMS聲換能器5轉化成電信號，該電信號經過放大與預處理后，被數(shù)據采集器件轉化成數(shù)字信號，提供給數(shù)據處理計算機。數(shù)據處理計算機完成圖像重構算法，獲得成像單元對應區(qū)域的生物組織光聲圖像。數(shù)據處理計算機將成像單元采集的光聲圖像拼接，獲得MEMS器件陣列全覆蓋區(qū)域的生物組織圖像。

如圖4所示，入射激光8從激光輸入光纖9中引入到MEMS微鏡10的表面，經MEMS微鏡10反射，穿透光透明材料制作的聲阻抗匹配層1，照射在生物組織12上，生物組織發(fā)生光聲效應，發(fā)射出聲波信號11，聲波信號11被聲換能器5收集。

如圖5所示，MEMS器件曲面陣列光聲成像系統(tǒng)的光聲模塊工作模式一為入射激光8和出射激光13相垂直，入射激光8從激光輸入光纖9引入成像單元7，經過MEMS微鏡10反射，MEMS微鏡10的反射角可在兩個水平旋轉軸上調節(jié)，使得出射激光13在生物組織12的表面小區(qū)域內二維掃描。

如圖6所示，MEMS器件曲面陣列光聲成像系統(tǒng)的光聲模塊工作模式二為入射激光8和出射激光13相平行，入射激光8從激光輸入光纖9引入成像單元7，經過固定微鏡14一次反射后，再經過MEMS微鏡10二次反射，MEMS微鏡10的反射角可在兩個水平旋轉軸上調節(jié)，使得出射激光13在生物組織12的表面小區(qū)域內二維掃描。

如圖7所示，光聲模塊16的一種安裝方式是粘貼在柱狀光聲模塊載體15的柱形表面上，這種安裝方式可應用于人體自然腔道內表面光聲成像。