專利名稱：一種光聲內(nèi)窺成像方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無(wú)損測(cè)試測(cè)量技術(shù)，特別涉及一種應(yīng)用光聲技術(shù)內(nèi)窺 成像的方法及其裝置。
背景技術(shù)：
內(nèi)窺技術(shù)作為無(wú)損檢測(cè)(NDT)的重要技術(shù)， 一直在工業(yè)探傷、質(zhì)量 控制、產(chǎn)品評(píng)估等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。內(nèi)窺技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、化工、 交通以及航空航天、生物醫(yī)學(xué)等許多需要通過(guò)查看內(nèi)部狀況來(lái)進(jìn)行質(zhì)量控 制、維修和產(chǎn)品評(píng)估的領(lǐng)域。
內(nèi)窺技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它可有效的延長(zhǎng)人類視距，且能任意改變 視線方向，準(zhǔn)確地觀察物體內(nèi)表面的真實(shí)狀況，這是其他檢測(cè)技術(shù)無(wú)法取 代的。例如，在航空航天領(lǐng)域，內(nèi)窺技術(shù)主要用于機(jī)體構(gòu)架的檢查，渦輪 葉片、燃燒室的定期檢查，還可用于航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)和部件的研究開(kāi) 發(fā)；可將窺鏡伸到飛機(jī)、飛船發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，直接觀察運(yùn)行后內(nèi)部的真實(shí)狀 況或設(shè)備零部件內(nèi)部表面狀況；對(duì)比較隱蔽或狡窄部位的表面狀況進(jìn)行有 效的檢測(cè)，而無(wú)需將設(shè)備或部件分解做破壞性檢查。其方法既簡(jiǎn)便又可靠， 可有效避免事故的發(fā)生。
目前的常用的光學(xué)內(nèi)窺鏡主要是是光、機(jī)、電一體的NDT儀器，它 分為三類系列產(chǎn)品第一類，硬性內(nèi)窺鏡系列；第二類，纖維內(nèi)窺鏡系列； 第三類，電子視頻內(nèi)窺鏡系列。硬性內(nèi)窺鏡系列其工作原理是利用轉(zhuǎn)像透 鏡光學(xué)技術(shù)來(lái)傳送影像，并由光導(dǎo)纖維提供傳光照明。纖維內(nèi)窺鏡系列其 工作原理是由高品質(zhì)韻傳像纖維來(lái)傳送圖像，通過(guò)目鏡直接觀察。電子視 頻內(nèi)窺鏡系列是運(yùn)用超小型電荷耦合器件(CCD)技術(shù)制造電子視頻內(nèi)窺鏡 產(chǎn)品。上述三類內(nèi)窺技術(shù)其基本原理都是利用光學(xué)散射或者反射信號(hào)獲取 檢測(cè)圖像，由于受介質(zhì)散射影響大，存在穿透深度淺( mm級(jí))的缺點(diǎn)。 超聲內(nèi)窺成像對(duì)組織的穿透深度可達(dá)30 mm以上，但分辨率只有毫米量級(jí)。
針對(duì)傳統(tǒng)的純光學(xué)和聲學(xué)內(nèi)窺技術(shù)存在的缺陷，光聲內(nèi)窺成像方法與技術(shù)顯示出巨大優(yōu)越性。光聲成像作為近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型成像方 法，結(jié)合了純光學(xué)成像高對(duì)比度和純超聲成像高穿透深度的優(yōu)點(diǎn)，并從原 理上避開(kāi)了光散射對(duì)圖像分辨率的影響，與傳統(tǒng)光學(xué)內(nèi)窺成像相比，可以
實(shí)現(xiàn)更深層范圍內(nèi)( cm級(jí))的內(nèi)窺成像；與傳統(tǒng)聲學(xué)內(nèi)窺成像相比，可 獲得更高分辨率的組織成像(-pm級(jí))。因此，開(kāi)展光聲內(nèi)窺成像方法研 究，研制內(nèi)窺成像系統(tǒng)，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)自主研制新型內(nèi)窺裝置，提高內(nèi)窺 探傷、故障檢測(cè)和醫(yī)療檢測(cè)水平，有著積極的推進(jìn)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有內(nèi)窺檢測(cè)技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種操 作簡(jiǎn)單，檢測(cè)精度高的光聲內(nèi)窺成像檢測(cè)方法；所述光聲內(nèi)窺成像技術(shù)主 要指利用脈沖激光或幅度調(diào)制的連續(xù)光源激發(fā)產(chǎn)生光致熱彈超聲信號(hào)，通 過(guò)測(cè)量該信號(hào)可以重建出檢測(cè)樣品的光吸收分布圖像。所述內(nèi)窺成像主要 適用于管狀腔道等物體內(nèi)部部位的成像。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)上述方法的光聲內(nèi)窺成像裝置。 本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn) 一種光聲內(nèi)窺成像方法，包括 下述步驟
(1)光聲內(nèi)窺探頭置于一根導(dǎo)管內(nèi)，插入待測(cè)管腔內(nèi)；
(2 )內(nèi)窺探頭中光聲激發(fā)光源產(chǎn)生脈沖激光或幅度調(diào)制的連續(xù)光源，
通過(guò)入射光纖耦合，經(jīng)錐面反射鏡側(cè)向入射到管腔壁或者直接由光纖側(cè)向
散射至管腔壁，激發(fā)待測(cè)部位產(chǎn)生光聲信號(hào)；
(3) 內(nèi)窺探頭中光聲探測(cè)器接收光聲信號(hào)，經(jīng)前置信號(hào)放大器放大 后采集，采集的數(shù)據(jù)傳輸并儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)中；
(4) 對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到管腔內(nèi)待測(cè)部位的光聲圖像。 步驟(1)中，所述光聲內(nèi)窺探頭集入射光纖、光聲探測(cè)器、錐面反
射鏡、支架和導(dǎo)管于一體，導(dǎo)管內(nèi)有聲耦合劑。
步驟(2)中，所述光聲激發(fā)光源是激光器或是普通光源；所述脈沖 激光或幅度調(diào)制的連續(xù)光源由入射光纖輸出，波長(zhǎng)范圍為400 2500nm。
步驟(3)中，所述光聲探測(cè)器為多元線性陣列探測(cè)器或者環(huán)狀陣列 探測(cè)器，光聲探測(cè)器主頻為20KHz 100MHz。
步驟(3)中，所述數(shù)據(jù)采集采用基于LABVIEW控制平臺(tái)的自制多通道并行實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，其作用是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
步驟(4)中對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，是指通過(guò)MATLAB程序利用濾 波反投影算法進(jìn)行圖像重建，從而得到待測(cè)部位的光聲圖像。
一種利用光聲內(nèi)窺成像技術(shù)無(wú)損在位檢測(cè)管腔內(nèi)缺陷的裝置包括光 聲激發(fā)光源發(fā)生組件、光聲信號(hào)采集組件、計(jì)算機(jī)組件；光聲激發(fā)光源發(fā) 生組件、光聲信號(hào)采集組件、計(jì)算機(jī)依次電氣連接。
所述光聲激發(fā)光源發(fā)生組件包括激光器、入射光纖和錐面反射鏡；激 光器產(chǎn)生激發(fā)光通過(guò)入射光纖輸出，經(jīng)錐面反射鏡反射均勻側(cè)向入射到管 腔壁。
所述光聲信號(hào)采集組件由光聲探測(cè)器、前置信號(hào)放大器、多通道并行 實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)和高速數(shù)據(jù)采集卡依次電氣連接而成；光聲探測(cè)器通過(guò)支架 與三維掃描平臺(tái)相連。光聲探測(cè)器通過(guò)支架固定在導(dǎo)管內(nèi)。
所述光聲探測(cè)器置于聲耦合劑中，聲耦合劑為水。所述光聲探測(cè)器為 多元線性陣列探測(cè)器或者環(huán)狀陣列探測(cè)器。
所述計(jì)算機(jī)內(nèi)有自編的LABVIEW數(shù)據(jù)采集控制平臺(tái)和圖像重建的 MATLAB程序。
所述光聲內(nèi)窺成像裝置不僅適用于管狀腔道等物體內(nèi)部部位的無(wú)損 檢測(cè)，而且還可應(yīng)用于肛腸、陰道、耳鼻、口腔、食道、胃、小腸、心臟 及血管等腔道的檢查。
本發(fā)明的作用原理是光聲激發(fā)光源產(chǎn)生脈沖激光(波長(zhǎng)、脈寬和重 復(fù)頻率可根據(jù)需要選擇)或者幅度調(diào)制的連續(xù)激光，經(jīng)入射光纖耦合側(cè)向 均勻入射到管腔內(nèi)壁或者直接由光纖側(cè)向散射至管腔壁，管腔內(nèi)部缺陷
(如厚度不均，裂縫等)與周圍正常組織對(duì)光吸收差異導(dǎo)致光致熱彈超聲 信號(hào)，經(jīng)聲耦合劑被光聲探測(cè)器接受；接收的信號(hào)經(jīng)前置信號(hào)放大器預(yù)處 理后，再由高速數(shù)據(jù)采集卡采集并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)做后處理；通過(guò)濾波反投 影成像算法重建出管腔內(nèi)缺陷的光聲圖像。本發(fā)明適用于常規(guī)檢測(cè)方法無(wú) 法到達(dá)的管狀腔道等物體內(nèi)部部位的成像，如發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部等部位提供無(wú)損 在位檢測(cè)等等，從而可以對(duì)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組分和質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。
本發(fā)明的方法和裝置與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果 (1)本發(fā)明利用反映光吸收分布原理的內(nèi)窺成像系統(tǒng)對(duì)管狀腔道內(nèi) 部缺陷進(jìn)行成像。由于光聲信號(hào)不僅僅反映材料的光學(xué)吸收差異，還反映組織的聲學(xué)特性的變化，因此可得到高分辨率、高對(duì)比度的材料缺陷信息。
(2)本發(fā)明的關(guān)鍵部件為光聲內(nèi)窺探頭，集入射光纖、聲探測(cè)器、 錐面反射鏡、支架和導(dǎo)管于一體，適于內(nèi)窺成像，使用方便。
(3 )本發(fā)明可適用于常規(guī)檢測(cè)方法無(wú)法到達(dá)的管狀腔道等物體內(nèi)部 缺陷的無(wú)損檢測(cè)，無(wú)需破壞管狀腔道結(jié)構(gòu)。
(4)本發(fā)明裝置的各組件的造價(jià)較低，所以整體裝置的造價(jià)亦相對(duì) 較低，沒(méi)有特殊限制，應(yīng)用廣泛。


圖1是實(shí)施例1所述光聲內(nèi)窺成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是實(shí)施例1所述光聲內(nèi)窺成像裝置用于模擬管腔橫截面的斷層圖 像；其中-
a為模擬管腔結(jié)構(gòu)b為管腔壁黑膠帶的光聲截面圖。
圖3是實(shí)施例1所述光聲內(nèi)窺成像裝置用于模擬管腔縱向?qū)游鰣D像；其
中
a為模擬管腔結(jié)構(gòu)b為管腔壁瓊脂條的光聲圖像；
c為管腔壁的沿軸線方向的層析圖像。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí) 施方式不限于此。
實(shí)施例l本發(fā)明的裝置
圖l為本發(fā)明一個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明裝置包括光聲激發(fā)光源 發(fā)生組件、光聲信號(hào)采集組件、計(jì)算機(jī)組件；光聲激發(fā)光源發(fā)生組件、光 聲信號(hào)采集組件、計(jì)算機(jī)依次電氣連接。其中光聲激發(fā)光源發(fā)生組件中激 光器l-l通過(guò)入射光纖l-2輸出入射到錐面反射鏡2-4反射的激光束均勻入 射到與光聲探測(cè)器3-2平行的管腔壁，激發(fā)組織產(chǎn)生光聲信號(hào)。光聲探測(cè)器 3-2接收的信號(hào)通過(guò)聲耦合劑2-3耦合，經(jīng)過(guò)前置信號(hào)放大器3-l，再經(jīng)電纜傳送至多通道并行實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)3-3，接著，信號(hào)被高速數(shù)據(jù)采集卡3-4采 集儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)5中。信號(hào)采集由控制器4-l同步觸發(fā)激光器l-l，控制器4-l 控制信號(hào)由原始時(shí)鐘4-2經(jīng)分頻器4-3分頻得到，同時(shí)控制多通道并行實(shí)時(shí) 采集系統(tǒng)3-3;光聲內(nèi)窺探頭組件最外層是有機(jī)玻璃導(dǎo)管2-l，光聲探測(cè)器 3-2由探測(cè)器支架2-2固定在導(dǎo)管內(nèi)，管內(nèi)充滿聲耦合劑2-3。其中，激光器
1- l選用Nd: YAG泵浦的OPO激光器(Vibrant 532 I, Opotek， Carlsbad, Calif.)， 輸出激光波長(zhǎng)為690 960 nm，脈寬為10ns，重復(fù)頻率是10HZ，通過(guò)入射 光纖l-2導(dǎo)入管腔內(nèi)；入射光纖l-2、錐面反射鏡2-4和光聲探測(cè)器3-2及支架
2- 2集成在管腔內(nèi)形成一個(gè)細(xì)巧的光聲內(nèi)窺探頭。光聲探測(cè)器3-2為多元環(huán) 形陣列探測(cè)器，由64個(gè)振元組成。多通道并行實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)3-3由64通道并 行采集信號(hào)；采集控制程序用LABVIEW軟件實(shí)現(xiàn)，數(shù)字圖形信號(hào)處理用 MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)。成像時(shí)利用小角度濾波反投影得到光聲二維圖像，可 方便快速的對(duì)待管狀腔道實(shí)現(xiàn)橫向和縱向的掃描光聲層析成像。
實(shí)施例2應(yīng)用實(shí)施例1的裝置實(shí)現(xiàn)模擬管腔橫截面的光聲內(nèi)窺成像 用上述光聲內(nèi)窺成像裝置實(shí)現(xiàn)模擬管腔橫截面的光聲成像。預(yù)先將3 條寬度分別為8mm、 12mm禾n 17mm的具有吸收性質(zhì)的黑膠帶圖2 (a)黏 貼在伺一個(gè)塑料管腔外部的，沿著同一圓周黏貼，每?jī)蓷l之間留有空隙。 實(shí)驗(yàn)中激光器l-l的重復(fù)頻率為15Hz，脈寬10ns，激光器通過(guò)入射光纖l-2 發(fā)射532nm波長(zhǎng)的激光，通過(guò)錐面反射鏡2-4均勻的照射在黏貼在管腔壁的 樣品上。激光激發(fā)的光聲信號(hào)由環(huán)狀超聲探測(cè)器3-2接收，再多通道并行實(shí) 時(shí)采集系統(tǒng)3-3濾波和放大之后，被高速數(shù)據(jù)采集卡3-4采集并且儲(chǔ)存到計(jì) 算機(jī)5。對(duì)采集的數(shù)據(jù)利用自編的MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)圖像重建，可以快速 的得到如圖2 (b)所示的圖像。圖2 (b)給出了樣品圖2 (a)的橫向?qū)游?圖像，并且能夠很好與樣品照片吻合?？梢钥闯霰景l(fā)明的方法和裝置能夠 得到高分辨率和高對(duì)比度的光聲橫向?qū)游鰣D像。
實(shí)施例3應(yīng)用實(shí)施例l的裝置實(shí)現(xiàn)模擬管腔的縱向?qū)游龉饴暢上?將l條瓊脂樣品用無(wú)色膠帶黏貼到塑料管腔壁外部，瓊脂的厚度為 5mm。實(shí)驗(yàn)中激光器l-l的重復(fù)頻率為15Hz，脈寬10ns，激光器通過(guò)入射 光纖l-2發(fā)射532nm波長(zhǎng)的激光，通過(guò)錐面反射鏡2-4均勻的照射在樣品上。激光激發(fā)的光聲信號(hào)由環(huán)狀超聲探測(cè)器3-2接收，再通過(guò)多通道并行實(shí)時(shí)采 集系統(tǒng)3-3濾波和放大之后，被高速數(shù)據(jù)采集卡3-4采集并且儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī) 5。對(duì)采集的數(shù)據(jù)利用自編的MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)圖像重建(如圖3b所示)， 并且重建出樣品的光聲層析圖像，從而得到了瓊脂樣品不同斷層處的信息 (如圖3c所示)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出本發(fā)明的方法和裝置能夠重建出樣 品不同厚度處光聲圖像(圖3a為樣品圖片)，實(shí)現(xiàn)縱向?qū)游龀上瘛?br> 上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上 述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改 變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)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)。
權(quán)利要求
1、一種光聲內(nèi)窺成像方法，其特征在于，包括下述步驟(1)光聲內(nèi)窺探頭置于一根導(dǎo)管內(nèi)，插入待測(cè)管腔內(nèi)；(2)內(nèi)窺探頭中光聲激發(fā)光源產(chǎn)生脈沖激光或幅度調(diào)制的連續(xù)光源，通過(guò)入射光纖耦合，經(jīng)錐面反射鏡側(cè)向入射到管腔壁或者直接由光纖側(cè)向散射至管腔壁，激發(fā)待測(cè)部位產(chǎn)生光聲信號(hào)；(3)內(nèi)窺探頭中光聲探測(cè)器接收光聲信號(hào)，經(jīng)前置信號(hào)放大器放大后采集，采集的數(shù)據(jù)傳輸并儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)中；(4)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到管腔內(nèi)待測(cè)部位的光聲圖像。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光聲內(nèi)窺成像方法，其特征在于步驟(1) 中，所述光聲內(nèi)窺探頭集入射光纖、光聲探測(cè)器、錐面反射鏡、支架和導(dǎo) 管于一體，導(dǎo)管內(nèi)有聲耦合劑。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光聲內(nèi)窺成像方法，其特征在于步驟(2) 中，所述光聲激發(fā)光源是激光器或是普通光源；所述脈沖激光或幅度調(diào)制 的連續(xù)光源由入射光纖輸出，波長(zhǎng)范圍為400 2500nm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光聲內(nèi)窺成像方法，其特征在于步驟(3) 中，所述數(shù)據(jù)采集采用基于LABVIEW控制平臺(tái)的自制多通道并行實(shí)時(shí)采 集系統(tǒng)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光聲內(nèi)窺成像方法，其特征在于步驟(4) 中對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，是通過(guò)MATLAB程序利用濾波反投影算法進(jìn) 行圖像重建，得到待測(cè)部位的光聲圖像。
6、 一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1 5任一項(xiàng)所述光聲內(nèi)窺成像方法的裝置，其 特征在于，包括光聲激發(fā)光源發(fā)生組件、光聲信號(hào)采集組件、計(jì)算機(jī)組件; 光聲激發(fā)光源發(fā)生組件、光聲信號(hào)采集組件、計(jì)算機(jī)依次電氣連接。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光聲內(nèi)窺成像裝置，其特征在于所述光聲 激發(fā)光源發(fā)生組件包括激光器、入射光纖和錐面反射鏡；激光器產(chǎn)生激發(fā) 光通過(guò)入射光纖輸出，經(jīng)錐面反射鏡反射均勻側(cè)向入射到管腔壁；所述光聲信號(hào)采集組件由光聲探測(cè)器、前置信號(hào)放大器、多通道并行 實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)和高速數(shù)據(jù)采集卡依次電氣連接而成；光聲探測(cè)器通過(guò)支架與三維掃描平臺(tái)相連；光聲探測(cè)器通過(guò)支架固定在導(dǎo)管內(nèi)；所述計(jì)算機(jī)內(nèi)有自編的LABVIEW數(shù)據(jù)采集控制平臺(tái)和圖像重建的 MATLAB程序。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的光聲內(nèi)窺成像裝置，其特征在于所述光聲 探測(cè)器為多元線性陣列探測(cè)器或者環(huán)狀陣列探測(cè)器，光聲探測(cè)器主頻為 20KHz 100MHz。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的光聲內(nèi)窺成像裝置，其特征在于所述 光聲探測(cè)器置于聲耦合劑中。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的光聲內(nèi)窺成像裝置，其特征在于所述聲耦合劑為水。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)精度高的光聲內(nèi)窺成像檢測(cè)方法及其裝置。所述光聲內(nèi)窺成像方法主要指利用脈沖激光或幅度調(diào)制的連續(xù)光源激發(fā)產(chǎn)生光致熱彈超聲信號(hào)，通過(guò)測(cè)量該信號(hào)可以重建出檢測(cè)樣品的光吸收分布圖像。所述光聲內(nèi)窺成像裝置，包括光聲激發(fā)光源發(fā)生組件、光聲信號(hào)采集組件和計(jì)算機(jī)；光聲激發(fā)光源發(fā)生組件、光聲信號(hào)采集組件和計(jì)算機(jī)依次電氣連接。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)技術(shù)不便于檢測(cè)管狀腔道和無(wú)法到達(dá)的物體內(nèi)部等缺點(diǎn)，結(jié)合了聲學(xué)和光學(xué)成像的優(yōu)點(diǎn)，可提供新的反映組織光吸收分布的內(nèi)窺組織圖像，具有定位準(zhǔn)確，分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的裝置造價(jià)較為低廉，易于推廣。
文檔編號(hào)G01N29/36GK101539515SQ20091003909
公開(kāi)日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2009年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月29日
發(fā)明者向良忠, 毅 袁, 達(dá) 邢 申請(qǐng)人:華南師范大學(xué)