一种具有多激光器的光学激发装置以及光声成像系统的制作方法

本实用新型属于光学成像技术领域，更具体地，涉及一种具有多激光器的光学激发装置以及光声成像系统。

背景技术：

光声断层成像(photoacoustictomography，简称pat，有时也称为optoacoustictomography)，是基于材料的光声效应的截面或三维(3d)成像。在光声断层成像过程中，光被生物组织吸收并转换成瞬态的热能，随后由于热弹性膨胀而发出超声波。利用收集到的超声波信号，可以重构出生物组织的光声断层图像。光声断层成像涉及光学激发，超声波探测和图像重构三个部分。短脉冲激光通常可以有效地在生物组织中激发出超声波(光声信号)。光声信号的幅度依赖于激光脉冲的能量，激光对待测组织的有效穿透深度，以及待测组织本身的热性质和机械性质。因为不管是直射光还是散射光都可以激发出光声信号，所以即使是在生物组织内部较深的位置也可以产生光声信号。在生物组织中，超声散射系数比光学散射系数小2-3个数量级，通过检测光声信号可以实现比光学信号高得多的深度组织中的空间分辨率。因此，光声断层成像技术突破了光学扩散极限(皮肤中约1mm)，可用于高分辨率光学对比成像。根据在多个位置记录的超声传播时间信号对光声源进行多点测量，可以重构出光声图像。

光声效应是非线性的，所产生的超声波的能量与光脉冲能量的平方成正比，所以要想要获得高信噪比的光声信号，最重要的一点就是在安全范围内尽可能高地提高照射到物体中的激光脉冲的能量。另外，激光脉冲的宽度对光声信号也有影响；一方面，脉冲宽度不能超过压力驰豫时间。一般常用的纳秒脉冲激光器，比如nd:yag激光器以及以此类激光再激发产生的脉冲宽度是10纳秒左右，远小于光声断层成像中的压力驰豫时间(一般是几百纳秒到一微秒)。另一方面，在相同的脉冲能量下，不同脉冲宽度的激光脉冲所产生的光声信号的频谱也不一样。脉冲激光对点吸收源激发的光声信号具有约等于脉冲激光的宽度。比如说，10纳秒的脉冲激光激发一个点吸收源产生的原始光声脉冲信号也近似于10纳秒宽度，其对应的声信号频谱的中心频率约为其倒数，即100兆赫兹(mhz)。而一个100纳秒的脉冲激光激发的光声信号频谱的中心频率则近似是10兆赫兹(mhz)。在实际的生物组织中，高频的光声脉冲信号的声衰减是远远大于低频的光声脉冲信号。高频的光声脉冲信号在组织和水中传播几厘米之后，会衰减成为低频信号。换句话说，低频光声脉冲信号在生物组织中传播得更远。实际中用于光声断层成像的超声换能器的中心频率一般选择为1到10兆赫兹。因此，适合光声断层成像的激光脉冲的宽度应该在几十到几百纳秒之间。常用的nd:yag激光器虽然能够产生非常强的焦耳量级的光脉冲，但是其具有的脉冲宽度(约10纳秒)并不是最优的，无法有效匹配超声换能器的中心频率，导致超声换能器探测到的光声信号的信噪比较低的问题。

技术实现要素：

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种具有多激光器的光学激发装置以及光声成像系统，该光学激发装置将多个低能量的激光器串联起来，相邻的激光器之间通过触发线进行连接，触发信号根据连接顺序依次由上一个激光器传输至下一个激光器；由于触发信号经过触发线时需要一定时间，因此相邻的激光器根据接收的触发信号产生的激光脉冲之间具有一定的物理延时，将各激光脉冲进行叠加之后即得到展宽的合束光脉冲；其目的在于解决现有技术中使用单个高能量的短脉冲激光器产生的脉冲宽度无法有效匹配超声换能器的中心频率，导致超声换能器探测到的光声信号的信噪比较低的问题。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种具有多激光器的光学激发装置，包括激光器阵列，其中，

所述激光器阵列包括若干个通过触发控制线串联连接的激光器，其中的任一个或多个所述激光器与用于发出触发信号的控制盒相连以接收该控制盒发出的触发信号，所述触发信号可根据激光器的连接顺序通过所述触发控制线从与控制盒直接连接的激光器依次传递到与之串联的其他激光器，以此方式，各激光器可根据接收到的该触发信号产生激光脉冲，且相邻的所述激光器产生的所述激光脉冲之间具有物理延时。

优选的，上述光学激发装置，其物理延时的大小可通过改变触发控制线的长度进行调节。

优选的，上述光学激发装置，相邻激光器产生的激光脉冲之间的物理延时相等。

优选的，上述光学激发装置，其激光器阵列中首部或尾部的激光器通过触发控制线与控制盒相连。

优选的，上述光学激发装置，其激光器阵列中第一个接收触发信号与最后一个接收触发信号的激光器产生的激光脉冲之间的物理延时小于预设的空间分辨率与声速之商和超声换能器所需带宽的倒数之中的较小者。

按照本实用新型的第二个方面，还提供了另一种具有多激光器的光学激发装置，包括激光器阵列，其中，

所述激光器阵列包括若干个激光器，各个所述激光器通过触发控制线与用于发出触发信号的控制盒相连且各条触发控制线的长度互不相等或部分相等；以此方式，各激光器以非同步的方式接收控制盒发出的触发信号并根据所述触发信号产生激光脉冲，且所述触发控制线的长度不等的激光器产生的所述激光脉冲之间具有物理延时。

优选的，上述光学激发装置，触发控制线的长度最长与最短的激光器产生的激光脉冲之间的物理延时小于预设的空间分辨率与声速之商和超声换能器所需带宽的倒数之中的较小者。

优选的，上述光学激发装置，其激光器输出的单个脉冲能量不高于1焦耳，该激光器采用nd:yag或基于q开关的纳秒脉冲激光器。

按照本实用新型的第三个方面，还提供了一种光声成像系统，包括上述任一项所述的光学激发装置。

优选的，上述光声成像系统还包括合束器、扩束装置、超声换能阵列和图像重构装置；所述合束器、扩束装置与激光器阵列处于同一光路中，该合束器将激光器阵列输出的多个激光脉冲进行叠加后得到展宽的合束光脉冲；扩束装置将合束器输出的合束光脉冲进行扩束和均匀化处理以使所述合束光脉冲均匀照射在待测物体上；所述超声换能阵列采集所述待测物体发出的光声信号并将其转化为图像重构装置可处理的电信号，便于图像重构装置根据所述电信号进行图像重构，生成待测物体的光声图像。

优选的，上述光声成像系统，其图像重构装置包括数据采集器和上位机；所述数据采集器分别与超声换能阵列和上位机相连，将超声换能阵列输出的电信号转换为数字信号并传输给上位机。

优选的，上述光声成像系统，其超声换能阵列包括多个环形排列的超声探测器。

优选的，上述光声成像系统，其合束器包括与激光器的数量相等的多个合束镜，一个合束镜对应一个激光器；所述合束镜为反射镜或棱镜。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本实用新型提供的具有多激光器的光学激发装置以及光声成像系统，使用多个低能量的激光器发出的短脉冲激光合成一个高能量的长脉冲激光，来替代传统技术中使用单个高能量的短脉冲激光器来提高激光脉冲能量；并且利用各短脉冲激光之间存在的物理延时对合成的长脉冲激光的脉冲宽度进行展宽，使长脉冲激光的脉冲宽度能够匹配超声换能器的中心频率，解决了单个高能量的短脉冲激光器虽然能够产生非常强的焦耳量级的光脉冲，但是其具有的脉冲宽度无法有效匹配超声换能器的中心频率，导致超声换能器对待测物体产生的光声信号的探测效率和信噪比低的问题；

(2)本实用新型提供的具有多激光器的光学激发装置以及光声成像系统，利用具有一定长度的触发控制线在多激光器阵列中产生物理延时，这种物理延时相对基于电子电路控制的延时更精准；通过调节触发控制线的长度即可调节物理延时的大小，不仅结构简单而且调节方便，易于操作；

(3)本实用新型提供的具有多激光器的光学激发装置以及光声成像系统，采用多个低能量的激光器发出的激光脉冲合成一个高能量脉冲，能够减小高激光能量的波动，提高成像质量；

(4)本实用新型提供的具有多激光器的光学激发装置以及光声成像系统，采用多台低能量的激光器合成一个高能量的激光，比直接用一台产生相同高能量的激光器，整个激发装置的失效率降低，使用寿命更长；并且价格和尺寸都得到远远的降低。

附图说明

图1是本实用新型实施例一的具有多激光器的光学激发装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的激光器阵列输出的光脉冲序列的示意图；

图3是本实用新型实施例二的具有多激光器的光学激发装置的结构示意图；

图4是本实用新型实施例三提供的光声成像系统的组成结构示意图；

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-控制盒；2-激光器阵列；3-合束器；4-扩束器；5-光束均匀器；6-超声换能阵列；7-数据采集器；8-上位机。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例一

图1是本实施例提供的具有多激光器的光学激发装置的结构示意图，如图1所示，该光学激发装置包括控制盒和激光器阵列；其中，激光器阵列由n个激光器串联连接而成，n为大于等于2的自然数；n的大小取决于单个激光器的脉冲能量以及检测所需的总脉冲能量；相邻的激光器之间通过具有一定长度的触发控制线相连；该激光器阵列中的任一个激光器与控制盒相连以接收该控制盒发出的触发信号，该触发信号根据激光器的连接次序依次由上一个激光器传输至下一个激光器；

本实施例以包含四个激光器的激光器阵列为例进行说明，四个激光器可以选择线性排列或者堆叠排列等形式；相邻的激光器之间通过长度为l的触发控制线相连；其中，第一个激光器与控制盒相连来接收控制盒发出的触发信号，根据该触发信号产生激光脉冲并通过触发控制线将该触发信号传输给第二个激光器；同样的，第二个激光器根据该触发信号产生激光脉冲并通过触发控制线将该触发信号传输给第三个激光器；第三个激光器根据该触发信号产生激光脉冲并通过触发控制线将该触发信号传输给第四个激光器；

如图1所示，由于触发信号从上一个激光器传输至下一个激光器时需要经过两者之间的触发控制线，触发信号在触发控制线上的传输时间即为两个激光器产生的激光脉冲之间的物理延时δt；该物理延时δt的大小取决于触发控制线的长度l和信号传播速度v，例如：触发信号在触发控制线上的传输速度v为20cm/ns，则该触发信号在长度l为1m的触发控制线上的传输时间为5ns，即相邻两个激光器产生的激光脉冲之间的物理延时δt为5ns；当触发控制线的类型确定后，可以通过改变触发控制线的长度来调节物理延时δt的大小。本实施例优选各触发控制线的长度相等，即相邻激光器产生的激光脉冲之间的物理延时相等，如果各激光脉冲之间的物理延时差别太大，会导致合成后的长激光脉冲是离散脉冲并且脉冲能量分布不均匀，有可能影响光声信号和成像后的图像质量。

另外需要指出的时，控制盒可以与第一个或第四个激光器相连，也可以与第二个或第三个激光器相连；当与第一个激光器相连时，触发信号依次从第一个激光器传输至第四个激光器，产生的四个脉冲激光之间具有三个物理延时；当与第二个激光器相连时，触发信号同时从第二个激光器传输至第一个激光器和第三个激光器，然后由地单个激光器传输至第四个激光器；依次第一个激光器和第三个激光器产生的脉冲激光不具有物理延时，四个激光器产生的四个脉冲激光之间具有两个物理延时。本实施例优选控制盒与激光器阵列中首部或尾部的激光器相连，因为这种连接方式对脉冲激光上的展宽效果更好。

将四个激光器产生的激光脉冲并进行叠加，得到展宽的合束光脉冲；如图2所示，该合束光脉冲的脉冲能量为四个激光器产生的脉冲能量之和，并且由于物理延时的存在，脉冲宽度被展宽；以单个激光器发出的激光脉冲宽度为10ns进行计算，经过展宽后的合束光脉冲的脉冲宽度约为55ns，满足用于光声断层成像的超声换能器所需的脉冲宽度；对于光声断层成像采用的较低频的超声换能器，在相同脉冲能量下，较长脉宽的光脉冲产生光声信号会更佳匹配超声换能器的带宽，因此可以有效的提高光声信号的探测效率和信噪比，提升光声断层成像的图像的质量。并且由于来自不同激光器的激光光束彼此不相干，所以重叠后的激光光束有效地减小了物体表面上光点的强度对比，因此可以减少图像重构后的成像伪影，进一步提升成像质量。

实施例二

图3是本实施例提供的具有多激光器的光学激发装置的结构示意图，如图3所示，该光学激发装置包括控制盒和激光器阵列；其中，激光器阵列包括n个激光器，n为大于等于2的自然数；n的大小取决于单个激光器的脉冲能量以及检测所需的总脉冲能量；n个激光器均通过触发控制线与控制盒相连，并且n根触发控制线的长度互不相等或至少部分不等；如此，n个激光器可以非同步的方式接收控制盒发出的触发信号，根据该触发信号产生的激光脉冲之间具有物理延时；

本实施例以包含四个激光器的激光器阵列为例进行说明，四个激光器可以选择线性排列或者堆叠排列等形式；四个激光器均通过触发控制线与控制盒相连，其中，第一、二、三、四个激光器与控制盒之间的触发控制线的长度分别为l1、l2、l3、l4，并且l1＜l2＜l3＜l4；

如图3所示，由于触发信号从控制盒传输至激光器时需要经过两者之间的触发控制线，则触发信号从控制盒传输至激光器的传输时间取决于触发控制线的长度和对信号的传播速度v；当触发控制线的类型确定后，该传输时间与触发控制线的长度呈正相关，触发控制线的长度越长，传输时间越长；由于激光器与控制盒之间的触发控制线的长度不等，因此触发信号从控制盒传输至各激光器的时间不等；本实施例中，触发控制线的长度最短的第一个激光器最先接收到触发信号，触发控制线的长度最长的第四个激光器最先接收到触发信号；各激光器产生的激光脉冲之间存在物理延时δt，该物理延时δt的大小取决于两个激光器与控制盒相连的两条触发控制线的长度，例如：触发信号在触发控制线上的传输速度v为20cm/ns，则该触发信号在长度为1m的触发控制线上的传输时间为5ns，在长度为2m的触发控制线上的传输时间为10ns，对应的两个激光器产生的激光脉冲之间的物理延时δt为5ns；当触发控制线的类型确定后，可以通过改变触发控制线的长度来调节物理延时δt的大小。本实施例优选相邻激光器产生的激光脉冲之间的物理延时相等，如果各激光脉冲之间的物理延时差别太大，会导致合成后的长激光脉冲是离散脉冲并且脉冲能量分布不均匀，有可能影响光声信号和成像后的图像质量。

将四个激光器产生的激光脉冲并进行叠加，得到展宽的合束光脉冲；如图2所示，该合束光脉冲的脉冲能量为四个激光器产生的脉冲能量之和，并且由于物理延时的存在，脉冲宽度被展宽；以单个激光器发出的激光脉冲宽度为10ns进行计算，经过展宽后的合束光脉冲的脉冲宽度约为55ns，满足用于光声断层成像的超声换能器所需的脉冲宽度；对于光声断层成像采用的较低频的超声换能器，在相同脉冲能量下，较长脉宽的光脉冲产生光声信号会更佳匹配超声换能器的带宽，因此可以有效的提高光声信号的探测效率和信噪比，提升光声断层成像的图像的质量。并且由于来自不同激光器的激光光束彼此不相干，所以重叠后的激光光束有效地减小了物体表面上光点的强度对比，因此可以减少图像重构后的成像伪影，进一步提升成像质量。

需要注意的是，上述两个实施例中，合束光脉冲的脉宽不能被无限展宽，多个激光器必须在一定时间精度内同步，具体取决于希望达到的空间分辨率和超声换能器的带宽；具体考量两个指标，其一是空间分辨率除以声速，其二是超声换能器带宽的倒数；多激光器同步的时间精度，即第一个接收触发信号与最后一个接收触发信号的激光器产生的激光脉冲之间的物理延迟应该小于以上两个指标中的较小者；空间分辨率是光声图像上能够识别的两个相邻目标的最小距离，空间分辨率除以声速即为声音信号经过该最小距离的传播时间；如果多激光器同步的时间精度大于该传播时间，则实际探测到的两个相邻目标的超声波信号将成为分离的两个信号，反映在光声图像上将导致图像重影；因此，多激光器同步的时间精度必须小于空间分辨率与声速之商这一指标。

上述两个实施例钟，优选采用同一型号的激光器串联构成激光器阵列，同一型号的激光器的激光模式、脉宽、脉冲能量和能量分布等指标相同，有利于后续的多个激光脉冲的叠加和合束；激光器可采用nd:yag激光器或基于q开关(q-switching)的纳秒脉冲激光器，如ruby激光，alexandrite激光等，单个激光器的能量优选不高于1焦耳。

本方案利用具有一定长度的触发控制线在多激光器阵列中产生物理延时，这种物理延时相对基于电子电路控制的延时更精准；通过调节触发控制线的长度即可调节物理延时的大小，不仅结构简单而且调节方便，易于操作。

另外，采用多个低能量的激光器发出的激光脉冲合成一个高能量脉冲，能够减小高激光能量的波动；如果n个激光器同步触发，则信号随激光器的数量n线性增加，而总激光能量波动仅随线性增加。因此，对于3d图像重建和成像质量而言很重要的相对波动(定义为激光能量波动与总激光能量之比)与成比例减小；

如果单个激光器在一定时间段内的失效率为r，则单激光成像系统以相同的速率r失效。假设具有n台激光器的多激光系统可以继续用n-1台激光器(n个激光器中的一个失效)正常工作，经过计算，该多激光系统的失效率为1-n(1-r)^n-1r-(1-r)ⁿ，大大低于单激光系统的失效率。其中，前面公式中的第二项表示只有一个激光器失效而其余激光器正常工作的概率，第三项表示所有激光器都正常工作的概率。例如，如果n＝4，r＝10％/年，那么系统故障率为5.2％；如果n＝4，r＝5％/年，那么系统故障率为1.4％。更重要的是，当一个激光器发生故障时，我们有时间修复激光而不至于使整个设备瘫痪。此外，一般来说，低能激光器比高能激光器更坚固，换句话说就是，单个高能激光器比单个低能激光器具有更高的失效率。因此，采用本实施例提供的多激光系统能够提高装置的使用寿命。

对于市场上现有的nd:yag或类似的脉冲激光器，激光器的价格和尺寸随着脉冲能量的增加是一个近似平方的关系。本实施例采用多台低能量的激光器合成一个高能量的激光，比直接用一台产生相同高能量的激光器，其价格和尺寸都得到远远的降低。

实施例三

本实施例还提供了一种光声成像系统，包括控制盒1、由四个激光器2串联连接构成的激光器阵列；还包括合束器3、扩束器4、光束均匀器5、超声换能阵列6、数据采集器7和上位机8；

其中，控制盒1由上位机8控制，主要作用是为激光器阵列提供触发信号；激光器阵列、合束器3和扩束器4处于同一光路上，合束器与四个激光器2处于同一光路上，接收四个激光器2产生的激光脉冲并进行叠加，得到展宽的合束光脉冲；合束器3包括四个合束镜，可以采用反射镜或棱镜将四个激光器发出的激光叠加至一处进行合束；扩束器4和光束均匀器5的作用是将合束后的激光扩展并均匀化，使激光均匀并能完全覆盖地照射到待测物体上；超声换能阵列6用于采集待测物体发出的各个方向上的光声信号并将其转化为图像重构装置可处理的电信号；本实施例中超声换能阵列6由多个超声探测器环形排列组成。

数据采集器7将超声换能阵列6输出的电信号转换为数字信号并传送到上位机8；上位机8中安装有图像重构软件，能够根据数据采集器7传送的数字信号将其对应的光声信号重构为光声图像并进行显示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。