(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210828957.X (22)申请日 2022.07.14 (71)申请人 天津医科 大学 地址 300070 天津市和平区气象台路2 2号 (72)发明人 王国鹤　于春水　李长辉　张希　 张雪君　孙少凯　张雁琦　 (74)专利代理 机构 天津翰林知识产权代理事务 所(普通合伙) 12210 专利代理师 付长杰 (51)Int.Cl. G01N 21/17(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 基于结构光探测的光声成像装置与方法 (57)摘要 本发明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。 权利要求书2页 说明书8页 附图1页 CN 115201115 A 2022.10.18 CN 115201115 A 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×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,t)  (1) 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的取值间权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115201115 A 2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； b)利用探测窗口反射 光强得到超声信号强度： 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)： p(x,y,t)＝a*q(x,y,t)+b  (2) 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)； c)光声图像的重建： 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。 5.一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： 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， 使之产生表面等离子体共振现象后反射出棱镜， 反射出棱镜的探测 光面光 源经数字微镜器件编码调制形成结构光后经凸透 镜汇聚至光电探测器中； 2)计算机控制数字微镜器件实现一次编码并保持不变， 数字微镜器件的编码保持时长 应大于光声成像对成像物体的三维成像区域中的体素与探测窗口的点反射单元距离中的 最大值除以成像物体中的声速得到的时间长度； 3)光声激光器发出激发光脉冲， 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， 透过样品池的薄膜后再经过 样品池中液体的传播作用于耦合传感器探测窗口处石墨烯层或金属膜附近液体， 引起液体 的折射率随时间的变化， 再引起经耦合传感器探测窗口处石墨烯层或金属膜反射的探测光 面光源光 强变化， 从而最 终引起经数字微镜器件编 码调制形成的结构光被凸透镜汇聚至光 电探测器后产生的电信号变化； 4)与光声激光器发出激发光脉冲的同时， 数据采集卡开始采集光电探测器的电信号并 传入计算机， 采集时长等于所述数字微镜器件的编码保持时长； 5)重复2)到4)多次； 6)利用上述多次采集的电信号依次进行探测窗口反射光强的解调， 根据 得到的探测窗 口每一个点反射单元的反射光强， 结合反射光强与超声信号 强度的线性关系获得超声信号 强度， 最后经 滤波反投影重建获得三维光声图像。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115201115 A 3