基于脉冲二极管的光声显微成像系统的设计与实现

发布时间：2020-07-22 09:56

【摘要】：自20世纪末期,光声效应再次进入人们的视线以来,光声成像技术得到了迅猛的发展,其主要是因为随着各类激光器的革命性研究成果的出现。之所以光声技术引起如此高的关注度,首先是由于光声成像技术是基于吸收的一种成像手段,它依赖于组织对不同波长的吸收强度,以形成图像的对比度;其次,光声成像技术涉及了两个领域,包括光学和声学,其中,组织对光的散射使得纯光学成像的成像深度远小于超声成像,而超声成像的对比度依赖于不同组织之间的密度差异,其通过超声发射装置产生超声波,并射入组织内部,通过检测超声回波,反演算信号的分布,得到组织内的信息;对于光声成像来说,由于其是依赖组织吸收光能所产生的超声波,故它有效的避开了上述两种成像方式的短板,其结合了纯光成像的高对比度(依赖吸收分布)以及纯声学成像的成像深度(依赖组织密度差异),正是光声成像的高对比度且依赖于光吸收分布的特点,已经成为国内外医疗成像技术研究的热点之一,该技术有望成为分析与研究、监测与诊断皮下甚至体内病因机理的强有力手段。本文简述了光声成像技术的研究背景及基本原理,分析时域以及频域特性,介绍了几种常见的光声成像技术的构建方式、系统结构,并介绍了几种典型的基于半导体激光器的光声成像系统的结构、构建模式以及其机制,阐述了半导体激光器相对于传统固体激光器的优势,例如体积紧凑、价格低廉、稳定性好、可靠性高等优势,目前将半导体激光器作为光声成像系统的激发源已经逐渐成为光声成像技术研究的热点方向之一,并引申出本文所研究的内容的出发点,本文正是基于良好的半导体激光器的性能,搭建了一套基于血管组成物质强吸收波段蓝光波段的半导体激光器的光声显微成像系统,在实验平台搭建部分,使用了LabVIEW作为整个成像系统的控制软件平台、MATLAB编写光声图像重建程序,完成了三维电动位移平台与PCI8520数据采集卡数据采集系统协同工作的光声显微成像系统的设计与实现,通过对碳纤维原丝及头发等实验,验证了系统的可行性以及稳定性,同时验证了该系统对小鼠腹部皮下血管的光声成像的能力,为本课题组开展利用基于蓝光波段半导体激光器的光声成像技术实现高对比度的人体皮下毛细血管的快速检测等研究,做出了理论以及实验可行性方面的验证工作。
【学位授予单位】：江西科技师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41;TN248.4
【图文】：

变化曲线,吸收系数,图案,波段

声波传输位置幅值与传播时间的关系可以用光 222 21,, ,ppH tp t p tc t C t rr r c 为声速，pC 为溶液比热容，p 为等压膨胀系数，H( r , t )质中沉积的热量的函数， p r ,t 依赖于各种力学、热力学取决于 Gr u neisen系数 (r)和组织的吸收系数。在光声成像中，通常认为不同组织类型之间的力学和热力可以近似认为它们是空间不变的。可以假设图像对比度是射特性所决定的。事实上，光学吸收往往占主导地位，因为“基于吸收”的成像方式。然而，重要的是要认识到这与吸收系数成正比。如式（2.1）可得知，产生的超声波在紧密的联系，即组织对光的吸收系数一定程度上决定了

空间分布,光声层析,脑成像,小动物

这些因素并不会影响光声信号的频率特性，声换能器的空间分布会直接影响系统的频域信息，对信号的频域分析是目前光声技术的术的主要实现方式声成像技术的不断发展，主要分为了两类典显微，其中光声层析成像技术系统结构如下二维圆柱形检测几何结构在实际中很少用于方式，只需在圆形或圆弧上记录，就可以以人员欢迎，源于其易于实现性和能获得高保样品，可以轻松实现对整个 360°角度孔径的高帧速率运行，它也可以实现为使用单个机的光声成像实验系统。虽然其被广泛使用，求。

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如图2-2（c）所示，声学分辨率的光束斑大于声焦点，其导致横向分辨率由声学焦斑尺寸决定。（a）（b）（c）图 2-2 几点典型的光声显微成像系统的实现方式[82]2.3.1 几种基于半导体激光器的光声成像系统的典型结构本文基于半导体激光器搭建光声显微成像系统，故介绍几种基于半导体激光器的光声成像系统的典型呈现方式。基于半导体激光器的光声成像技术的主要实现方式包括两种，但是其所使用的光源能量更低，得到的图像信噪比较小，使得图像的对比度较差，这也是近几年光声显微成像技术的研究热点之一。关于使用半导体激光器的系统实现，其一典型的系统结构如图2-3所示[74][75]，该系统为基于半导体激光的光声断层成像系统，开发了一种基于圆周扫描的LD-PAT 系统，该系统包含四个 905nm 脉冲激光二极管，可实现 175W 峰值输出功率、0.1%占空比和 500ns 脉冲持续时间。每一个半导体激光器输出光耦合到光纤中，以照射到样品表面。采用了脉冲宽度为 500ns 的激光二极管对光声信号进行激励，一个 3.5 MHz 聚焦的传感器围绕样品旋转

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