多元相控聚焦探测器的方向特性

谭 毅

(陕西理工学院物理系,陕西汉中723003)

1 引 言

光声层析成像技术是近年来迅速发展的一种非电离化的新兴的医学成像技术.当用脉冲激光照射生物组织时,组织中的吸收体吸收光能引起温升,温升导致组织热膨胀而产生光声压(超声波),这就是光声效应.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[1].

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,在很大程度上取决于探测器的性能,比如探测器的主频、带宽[2]、探测灵敏度、探测面积等,所以也形成了不同的研究小组:比如Wang等利用单元探测器旋转扫描进行光声成像[3-4],Beard等利用光的相干性采用光学探测器进行成像[5],Kolkman等利用双环探测器进行光声成像[6],Roumeliotis等利用半球形探测器进行三维成像[7],邢达等利用多元线性阵列探测器进行快速光声成像[8-9],唐志列等利用声透镜层析成像[10],等等[11-12].

本文研究了多元线性阵列探测器的主频、阵元个数和阵元之间的距离对探测器方向性的影响.实验结果表明,采用主频为2～5 M Hz,阵元数为5～15,阵元间距为0.3～0.9 mm的多元线性阵列探测器,其方向性好,有利于光声信号的探测与成像.

2 理 论

在利用阵列探测器进行快速的二维光声图像重建时,由于阵列探测的每个阵元都有一定的尺寸,在接收信号时都有一定的接收范围,如果探测器的方向性越好,则接收信号的范围越小,在反投影成像时,重建图像的伪迹将减少,从而提高重建图像的质量.

设阵列探测器由N个矩形压电探测器构成,单个阵元的物理尺寸为a×b,阵元的间距为 d,阵列探测器的整体长度为L,则有 L=N d,单个阵元的指向性函数[13-15]可以表示为

图1 探测器阵列的方向特性

3 多元线性阵列探测器的方向特性

为了对多元线性阵列探测器的方向特性进行仿真研究,分别改变式(2)中的主频 f、振元个数N和单个振元的大小d,可以得到不同探测器的方向特性.

3.1 探测器主频对方向性的影响

对于宽频带的光声信号来说,探测器的带宽越宽,信号失真越少,但对于有限带宽的探测器,采用多个探测阵元组合,探测器具有一定的方向性.图2取探测阵元的个数 N=11,探测阵元之间的间距为0.7 mm,改变探测器的主频,图2(a)～(l)的探测器主频分别为1,2,3,…,12 M Hz.由图2(b)～(e)及(h)～(k)可知,探测器的主频f分别为2～5 M Hz和8～11 M Hz时,其探测阵列的方向性较好;由图2(f)和(l)可知,当探测器的主频 f为6 M Hz和12 M Hz时,其探测器的方向性非常差,不利于光声信号的探测与成像,所以在探测光声信号,建议采用主频在2～5 M Hz,8～11 M Hz范围的探测器,其探测器的方向性比较好.

3.2 探测器阵元数对方向性的影响

探测器的阵元数目越多,接收到的光声信号将越强,但探测器的方向性也将受到影响,从而影响光声重建图像的质量.图3是采用探测器的主频为3.5 M Hz,探测阵元的间距为0.7 mm,改变探测阵元数目对探测器方向性的影响,图3(a)～(i)的阵元个数分别为3,5,7,…,19.由图3(b)～(g)可知,当探测器的阵元数 N为5～15时,其探测器的方向性较好,由图3(i)可知,当 N=19时,其探测器的方向性非常差,所以在探测光声信号,建议采用阵元数 N为5～15的探测器,其探测器的方向性较好.

图2 探测器主频 f对方向性的影响

3.3 探测器阵元间距对方向性的影响

图3 探测器阵元数 N对方向性的影响

探测器阵元间距越宽,或者探测器阵元面积越大,接收到的光声信号将越强,但探测器的方向性不一定好,而且重建图像的分辨率将降低;探测器阵元越小,探测器的方向性也不一定好,而且这样的探测器价格贵、不容易制造,所以有必要选择合适阵元间距的探测器.图4是采用阵元 N=11,主频 f=3.5 M Hz的探测器,改变阵元间距 d对探测器方向性的影响,图4(a)～(f)其阵元间距分别为0.1,0.3,0.5,…,1.1 mm.由图4(b)～(e)可知,采用阵元间距 d为0.3～0.9 mm范围的探测器,其方向性较好;图4(a)和4(f)探测器的方向性差,将影响光声信号的探测.

图4 探测器阵元间距 d对方向性的影响

4 实验结果与讨论

为了得到宽频带的光声信号,采用针状的PVDF膜的水听器(p recision acoustics L TD,探测灵敏度为950 nV/Pa,接收面直径为1 mm,带宽为200 k Hz～15 M Hz)进行探测.图5为水听器探测的点源光声信号,图6为点源光声信号的归一化谱,由图6可以得知信号的主要频率在2～9 M Hz,结合图2探测器主频 f对方向性的影响,建议采用主频在2～5 M Hz范围的探测器,其方向性好,有利于光声信号的探测与成像.

为测试多元线性阵列探测器的方向特性成像,采用主频为7.5 M Hz,阵元间距为0.7 mm,阵元个数为11的探测器.图7(a)是在猪肉中竖直插上2根铅笔芯,直径为0.7 mm,二铅笔芯的中心距离为3 mm,长度为2 mm;图7(b)是在猪肉中埋了2根铅笔芯所成的光声像,探测器沿着2根铅笔芯的方向放置,从重建图像上可以看出,铅笔芯的光声像与样品的几何位置能很好地对应;但由于多元线性阵列探测器以一定的立体角接收光声信号,所成的光声像有些变形.

图5 点源光声信号

图6 点源光声信号的归一化谱线

图6 样品照片及重建图像

5 结束语

光声重建图像的质量,在很大程度上取决于探测器的性能,比如探测器的主频、带宽、探测灵敏度、探测面积等.本文研究了多元线性阵列探测器的主频、阵元个数和阵元之间的距离对探测器方向性的影响.实验结果表明,采用主频为2～5 M Hz,阵元数为5～15,阵元间距为 0.3～0.9 mm的多元线性阵列探测器,其方向性好,有利于光声信号的探测与成像.

[1] 王毅,周红仙.用脉冲光声技术测量吸收系数[J].物理实验,2009,29(5):9-11.

[2] 谭毅,邢达,王毅,等.超声换能器带宽对光声成像的影响[J].光学学报,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,邢达,郭华,等.高分辨率快速数字化光声CT乳腺肿瘤成像[J].物理学报,2009,58(7):4610-4617.

[9] 许栋,向良忠,纪轩荣.基于多道并行采集的光声成像系统[J].中国激光,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] 张弛,汪源源.声速不均匀介质的光声成像重建算法[J].光学学报,2008,28(12):2296-2301.

[12] 吴丹,陶超,刘晓峻.有限方位扫描的光声断层成像分辨率研究[J].物理学报,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.