多元相控聚焦探測器的方向特性

譚 毅

(陜西理工學院物理系,陜西漢中723003)

1 引 言

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

進一步提高光聲重建圖像的質量,或者將光聲層析成像推向臨床應用研究,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掃描進行光聲成像[3-4],Beard等利用光的相干性采用光學探測器進行成像[5],Kolkman等利用雙環探測器進行光聲成像[6],Roumeliotis等利用半球形探測器進行三維成像[7],邢達等利用多元線性陣列探測器進行快速光聲成像[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、陣元個數和陣元之間的距離對探測器方向性的影響.實驗結果表明,采用主頻為2～5 M Hz,陣元數為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,有利于光聲信號的探測與成像.

2 理 論

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

設陣列探測器由N個矩形壓電探測器構成,單個陣元的物理尺寸為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,單個陣元的指向性函數[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

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

3.1 探測器主頻對方向性的影響

對于寬頻帶的光聲信號來說,探測器的帶寬越寬,信號失真越少,但對于有限帶寬的探測器,采用多個探測陣元組合,探測器具有一定的方向性.圖2取探測陣元的個數 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,其探測陣列的方向性較好;由圖2(f)和(l)可知,當探測器的主頻 f為6 M Hz和12 M Hz時,其探測器的方向性非常差,不利于光聲信號的探測與成像,所以在探測光聲信號,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 探測器陣元數對方向性的影響

探測器的陣元數目越多,接收到的光聲信號將越強,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,改變探測陣元數目對探測器方向性的影響,圖3(a)～(i)的陣元個數分別為3,5,7,…,19.由圖3(b)～(g)可知,當探測器的陣元數 N為5～15時,其探測器的方向性較好,由圖3(i)可知,當 N=19時,其探測器的方向性非常差,所以在探測光聲信號,建議采用陣元數 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對方向性的影響

3.3 探測器陣元間距對方向性的影響

圖3 探測器陣元數 N對方向性的影響

探測器陣元間距越寬,或者探測器陣元面積越大,接收到的光聲信號將越強,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,將影響光聲信號的探測.

圖4 探測器陣元間距 d對方向性的影響

4 實驗結果與討論

為了得到寬頻帶的光聲信號,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)進行探測.圖5為水聽器探測的點源光聲信號,圖6為點源光聲信號的歸一化譜,由圖6可以得知信號的主要頻率在2～9 M Hz,結合圖2探測器主頻 f對方向性的影響,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,陣元個數為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應;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,所成的光聲像有些變形.

圖5 點源光聲信號

圖6 點源光聲信號的歸一化譜線

圖6 樣品照片及重建圖像

5 結束語

光聲重建圖像的質量,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、陣元個數和陣元之間的距離對探測器方向性的影響.實驗結果表明,采用主頻為2～5 M Hz,陣元數為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,有利于光聲信號的探測與成像.

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