[发明专利]一种具有多激光器的光学激发装置以及光声成像系统

说明书

本发明公开了一种具有多激光器的光学激发装置以及光声成像系统，该光学激发装置包括激光器阵列，该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，该触发信号可根据激光器的连接顺序通过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；各激光器可根据接收到的该触发信号产生激光脉冲，且相邻激光器产生的激光脉冲之间具有物理延时；本发明使用多个低能量激光器发出的短脉冲激光合成一个高能量的长脉冲激光，且利用各短脉冲激光之间的物理延时对长脉冲激光的脉冲宽度进行展宽，使其脉冲宽度能够匹配超声换能器的中心频率。

技术领域

本发明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(Photoacoustic tomography，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。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明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。