光声耦合液的研制方法(图文)

论文导读：为了进一步提高光声重建图像的质量，或者将光声层析成像推向临床应用研究，很多研究者提出了各种各样的光声信号采集与光声成像系统以及与之相适用的各种图像重建算法，或者报道了一些模拟生物样品或者活体组织功能的光声成像检测。本文提出了利用与组织声速匹配的耦合液进行光声成像，并配置了几种适合于组织声速的超声耦合液：调节水温、调节盐水浓度、调节甘油溶度等。在水槽中通过移动、测量水听器(PrecisionAcousticsLTD，灵敏度为950nv/pa，接收面积直径为1mm)的位置，由示波器(TDS3032,Tektronix，最高采样率2.5G，带宽300MHz)、GPIB采集卡和计算机采集光声信号，记下光声信号的传播时间(实验中脉冲激光和示波器由同一触发源同时触发,探测器接收到的光声信号相对触发信号的延迟时间就是光声信号从光声激发位置到探测器的传播时间)，可以计算出光声信号在水中的传播速度，由实验测量得，当水温为22℃时，声速为1492m/s，再将水温降低或升高，可以得到水的声速随温度的变化关系，如图2(a)所示。
关键词：光声成像，光声信号，耦合液
 

1 引言

光声层析成像技术是近年来发展的一种新型的无损伤的医学成像技术，它是用时变的光束照射吸收体膨胀而产生超声压，利用超声换能器在各个方向探测从吸收体中传播出来的光声压，通过相应的图像重建算法，可以重建出吸收体的光吸收分布。该方法结合了纯光学成像和纯声学成像的优点，可以得到高分辨率高对比度的重建图像。

为了进一步提高光声重建图像的质量，或者将光声层析成像推向临床应用研究，很多研究者提出了各种各样的光声信号采集与光声成像系统以及与之相适用的各种图像重建算法，或者报道了一些模拟生物样品或者活体组织功能的光声成像检测。

本文提出了利用与组织声速匹配的耦合液进行光声成像，并配置了几种适合于组织声速的超声耦合液：调节水温、调节盐水浓度、调节甘油溶度等。由研究表明，通过耦合液进行声速匹配后，重建图像的对比度和空间分辨率得到明显提高。论文发表。

2 理论分析

光声重建就是对光吸收的空间分布的反演。在空间某一位置接收到的光声压p(r,t)和光吸收系数的分布A(r)的关系可以表达为

（1）

其中是等压膨胀系数，c0是声速，cp为比热，I0为光强，r表示光声压的场点位置，表示光声源的位置，表示场点到源点的距离。由于探测器接收后的信号不是实际的光声信号p(r,t)，而是光声压和探测器的脉冲响应h(t)的卷积。论文发表。为了滤去探测器的脉冲响应，把光声压和脉冲响应信号都变换到频域处理，然后再逆变换得到：

（2）

其中和分别是探测器接收到的光声信号和探测器的脉冲响应的傅立叶变换，为截止频率，是滤波的窗函数。探测器的脉冲响应是通过聚焦透镜把弱激光聚焦到一块黑胶带上产生的光声信号，水听器在黑胶带后面接收到的光声信号作为探测器的脉冲响应信号。

光声信号在不同声速组织中会产生声的反射和折射，当光声信号从组织中以入射角为传播出组织时，其折射角与光声信号在组织中声速和耦合液中的声速有关，具体表达式如下：

（3）

式中λ1、λ2分别为超声波在组织和耦合液中的波长；、分别为超声波在组织和耦合液中的声速。当声速，则，即不存在声的折射。表1为超声在各种组织中传播声速。论文发表。

表1 各种组织的声速

3 超声耦合液的配置与声速测量

将脉冲激光(波长为1064nm,脉宽为8ns，脉冲重复频率为20Hz)均匀照射在样品上，产生光致超声。在水槽中通过移动、测量水听器(PrecisionAcoustics LTD，灵敏度为950nv/pa，接收面积直径为1mm)的位置，由示波器(TDS3032, Tektronix，最高采样率2.5G ，带宽 300MHz)、GPIB采集卡和计算机采集光声信号，记下光声信号的传播时间(实验中脉冲激光和示波器由同一触发源同时触发, 探测器接收到的光声信号相对触发信号的延迟时间就是光声信号从光声激发位置到探测器的传播时间)，可以计算出光声信号在水中的传播速度，由实验测量得，当水温为22℃时，声速为1492m/s，再将水温降低或升高，可以得到水的声速随温度的变化关系，如图2(a)所示。在一个自制的玻璃槽(宽度为2.00cm)中首先装满水，将超声换能器放在玻璃槽的后面，记下光声信号的传播时间；再将玻璃槽中的水换成已经配好的各种比例的耦合液，再次记下光声信号的传播时间，通过延时计算出各种耦合液的声速，如图2(b)、(c)所示。图2(b)为在22℃下，光声信号在甘油与水的不同体积比下的声速，从曲线上可以看出，通过调节水与甘油的体积比，可以获得光声信号的声速与各种组织的声速相同。图2(c)为在22℃下不同浓度盐水中的声速，通过调节盐水的浓度，可以获得与各种组织相同的声速。

(a)

(b)(c)

图2 声速的关系曲线：(a)水温；(b)甘油浓度；(c)盐水浓度

4 结 论

本文提出了利用与组织声速匹配的耦合液进行光声成像，并配置了几种适合于组织声速的超声耦合液：调节水温、调节盐水浓度、调节甘油溶度等。由研究表明，通过耦合液进行声速匹配后，重建图像的对比度和空间分辨率得到明显提高这对于将光声成像技术应用于肿瘤的临床医学检测具有重要意义。

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