多元相控聚焦探測器的方向特性

譚 毅

(陜西理工學(xué)院物理系,陜西漢中723003)

1 引 言

光聲層析成像技術(shù)是近年來迅速發(fā)展的一種非電離化的新興的醫(yī)學(xué)成像技術(shù).當(dāng)用脈沖激光照射生物組織時(shí),組織中的吸收體吸收光能引起溫升,溫升導(dǎo)致組織熱膨脹而產(chǎn)生光聲壓(超聲波),這就是光聲效應(yīng).利用超聲換能器在各個(gè)方向探測從吸收體中傳播出來的光聲壓,通過相應(yīng)的圖像重建算法,可以重建出吸收體的光吸收分布.該方法結(jié)合了純光學(xué)成像和純聲學(xué)成像的優(yōu)點(diǎn),可以得到高分辨率、高對(duì)比度的重建圖像[1].

進(jìn)一步提高光聲重建圖像的質(zhì)量,或者將光聲層析成像推向臨床應(yīng)用研究,在很大程度上取決于探測器的性能,比如探測器的主頻、帶寬[2]、探測靈敏度、探測面積等,所以也形成了不同的研究小組:比如Wang等利用單元探測器旋轉(zhuǎn)掃描進(jìn)行光聲成像[3-4],Beard等利用光的相干性采用光學(xué)探測器進(jìn)行成像[5],Kolkman等利用雙環(huán)探測器進(jìn)行光聲成像[6],Roumeliotis等利用半球形探測器進(jìn)行三維成像[7],邢達(dá)等利用多元線性陣列探測器進(jìn)行快速光聲成像[8-9],唐志列等利用聲透鏡層析成像[10],等等[11-12].

本文研究了多元線性陣列探測器的主頻、陣元個(gè)數(shù)和陣元之間的距離對(duì)探測器方向性的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用主頻為2～5 M Hz,陣元數(shù)為5～15,陣元間距為0.3～0.9 mm的多元線性陣列探測器,其方向性好,有利于光聲信號(hào)的探測與成像.

2 理 論

在利用陣列探測器進(jìn)行快速的二維光聲圖像重建時(shí),由于陣列探測的每個(gè)陣元都有一定的尺寸,在接收信號(hào)時(shí)都有一定的接收范圍,如果探測器的方向性越好,則接收信號(hào)的范圍越小,在反投影成像時(shí),重建圖像的偽跡將減少,從而提高重建圖像的質(zhì)量.

設(shè)陣列探測器由N個(gè)矩形壓電探測器構(gòu)成,單個(gè)陣元的物理尺寸為a×b,陣元的間距為 d,陣列探測器的整體長度為L,則有 L=N d,單個(gè)陣元的指向性函數(shù)[13-15]可以表示為

圖1 探測器陣列的方向特性

3 多元線性陣列探測器的方向特性

為了對(duì)多元線性陣列探測器的方向特性進(jìn)行仿真研究,分別改變式(2)中的主頻 f、振元個(gè)數(shù)N和單個(gè)振元的大小d,可以得到不同探測器的方向特性.

3.1 探測器主頻對(duì)方向性的影響

對(duì)于寬頻帶的光聲信號(hào)來說,探測器的帶寬越寬,信號(hào)失真越少,但對(duì)于有限帶寬的探測器,采用多個(gè)探測陣元組合,探測器具有一定的方向性.圖2取探測陣元的個(gè)數(shù) N=11,探測陣元之間的間距為0.7 mm,改變探測器的主頻,圖2(a)～(l)的探測器主頻分別為1,2,3,…,12 M Hz.由圖2(b)～(e)及(h)～(k)可知,探測器的主頻f分別為2～5 M Hz和8～11 M Hz時(shí),其探測陣列的方向性較好;由圖2(f)和(l)可知,當(dāng)探測器的主頻 f為6 M Hz和12 M Hz時(shí),其探測器的方向性非常差,不利于光聲信號(hào)的探測與成像,所以在探測光聲信號(hào),建議采用主頻在2～5 M Hz,8～11 M Hz范圍的探測器,其探測器的方向性比較好.

3.2 探測器陣元數(shù)對(duì)方向性的影響

探測器的陣元數(shù)目越多,接收到的光聲信號(hào)將越強(qiáng),但探測器的方向性也將受到影響,從而影響光聲重建圖像的質(zhì)量.圖3是采用探測器的主頻為3.5 M Hz,探測陣元的間距為0.7 mm,改變探測陣元數(shù)目對(duì)探測器方向性的影響,圖3(a)～(i)的陣元個(gè)數(shù)分別為3,5,7,…,19.由圖3(b)～(g)可知,當(dāng)探測器的陣元數(shù) N為5～15時(shí),其探測器的方向性較好,由圖3(i)可知,當(dāng) N=19時(shí),其探測器的方向性非常差,所以在探測光聲信號(hào),建議采用陣元數(shù) N為5～15的探測器,其探測器的方向性較好.

圖2 探測器主頻 f對(duì)方向性的影響

3.3 探測器陣元間距對(duì)方向性的影響

圖3 探測器陣元數(shù) N對(duì)方向性的影響

探測器陣元間距越寬,或者探測器陣元面積越大,接收到的光聲信號(hào)將越強(qiáng),但探測器的方向性不一定好,而且重建圖像的分辨率將降低;探測器陣元越小,探測器的方向性也不一定好,而且這樣的探測器價(jià)格貴、不容易制造,所以有必要選擇合適陣元間距的探測器.圖4是采用陣元 N=11,主頻 f=3.5 M Hz的探測器,改變陣元間距 d對(duì)探測器方向性的影響,圖4(a)～(f)其陣元間距分別為0.1,0.3,0.5,…,1.1 mm.由圖4(b)～(e)可知,采用陣元間距 d為0.3～0.9 mm范圍的探測器,其方向性較好;圖4(a)和4(f)探測器的方向性差,將影響光聲信號(hào)的探測.

圖4 探測器陣元間距 d對(duì)方向性的影響

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為了得到寬頻帶的光聲信號(hào),采用針狀的PVDF膜的水聽器(p recision acoustics L TD,探測靈敏度為950 nV/Pa,接收面直徑為1 mm,帶寬為200 k Hz～15 M Hz)進(jìn)行探測.圖5為水聽器探測的點(diǎn)源光聲信號(hào),圖6為點(diǎn)源光聲信號(hào)的歸一化譜,由圖6可以得知信號(hào)的主要頻率在2～9 M Hz,結(jié)合圖2探測器主頻 f對(duì)方向性的影響,建議采用主頻在2～5 M Hz范圍的探測器,其方向性好,有利于光聲信號(hào)的探測與成像.

為測試多元線性陣列探測器的方向特性成像,采用主頻為7.5 M Hz,陣元間距為0.7 mm,陣元個(gè)數(shù)為11的探測器.圖7(a)是在豬肉中豎直插上2根鉛筆芯,直徑為0.7 mm,二鉛筆芯的中心距離為3 mm,長度為2 mm;圖7(b)是在豬肉中埋了2根鉛筆芯所成的光聲像,探測器沿著2根鉛筆芯的方向放置,從重建圖像上可以看出,鉛筆芯的光聲像與樣品的幾何位置能很好地對(duì)應(yīng);但由于多元線性陣列探測器以一定的立體角接收光聲信號(hào),所成的光聲像有些變形.

圖5 點(diǎn)源光聲信號(hào)

圖6 點(diǎn)源光聲信號(hào)的歸一化譜線

圖6 樣品照片及重建圖像

5 結(jié)束語

光聲重建圖像的質(zhì)量,在很大程度上取決于探測器的性能,比如探測器的主頻、帶寬、探測靈敏度、探測面積等.本文研究了多元線性陣列探測器的主頻、陣元個(gè)數(shù)和陣元之間的距離對(duì)探測器方向性的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用主頻為2～5 M Hz,陣元數(shù)為5～15,陣元間距為 0.3～0.9 mm的多元線性陣列探測器,其方向性好,有利于光聲信號(hào)的探測與成像.

[1] 王毅,周紅仙.用脈沖光聲技術(shù)測量吸收系數(shù)[J].物理實(shí)驗(yàn),2009,29(5):9-11.

[2] 譚毅,邢達(dá),王毅,等.超聲換能器帶寬對(duì)光聲成像的影響[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2005,25(1):40-44.

[3] Wang X D,Pang Y J,Ku G,et al.Noninvasive laser-induced photoacoustic tomography for structural and functional in vivo imaging of the brain[J].Nature Biotechnology,2003,21(7):803-806.

[4] Song K H,Stoica G,Wang L V.In vivo three-dimensional photoacoustic tomography of awholemouse head[J].Optics Letters,2006,31(16):2453-2455.

[5] Zhang E,Laufer J,Beard P.Backward-mode multiwavelength photoacoustic scanner using a p lanar Fabry-Perot polymer film ultrasound sensor for high-resolution three-dimensional imaging of biological tissues[J].App lied Op tics,2008,47(4):561-577.

[6] Kolkman R G,M ulder M J,Glade C P,et al.Photoacoustic imaging of po rt-w ine stains[J].Lasers Surge Medical,2008,40(3):178-182.

[7] Roumeliotis M,Epnrat P,Patrick J,et al.Development and characterization of an omni-directional photoacoustic point source for calibration of a staring 3D photoacoustic imaging system[J].Op tics Exp ress,2009,17(17):15228-15238.

[8] 向良忠,邢達(dá),郭華,等.高分辨率快速數(shù)字化光聲CT乳腺腫瘤成像[J].物理學(xué)報(bào),2009,58(7):4610-4617.

[9] 許棟,向良忠,紀(jì)軒榮.基于多道并行采集的光聲成像系統(tǒng)[J].中國激光,2011,38(2):0204002-1-6.

[10] Wei Y D,Tang Z L,Zhang H C,et al.Pho toacoustic tomography imaging using a 4f acoustic lens and peak-hold technology[J].Op tics Exp ress,2008,16(8):5314-5319.

[11] 張弛,汪源源.聲速不均勻介質(zhì)的光聲成像重建算法[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2008,28(12):2296-2301.

[12] 吳丹,陶超,劉曉峻.有限方位掃描的光聲斷層成像分辨率研究[J].物理學(xué)報(bào),2010,59(8):5846-5851.

[13] Ma SB,Yang S H,Xing D.Photoacoustic imaging velocimetry fo r flow-field measurement[J].Op tics Exp ress,2010,18(10):9991-10000.

[14] Yang D W,Xing D,Yang S H,et al.Fast fullview photoacousti imaging by combined scanning w ith a liear transducer array[J].Op tics Exp ress,2007,15(23):15566-15575.

[15] Yang DW,Xing D,Tan Y,et al.Integrative p rototype B-scan photoacoustic tomography system based on a novel hybridized scanning head[J].App lied Physics Letter,2006,88(17):174101-174103.