Способ лазерной оптико-акустической томографии и устройство для его реализации (варианты)

Изобретение относится к области неразрушающих методов контроля биологических объектов. Способ заключается в генерировании акустического импульса как с помощью распределенного оптико-акустического преобразователя, так и непосредственно неоднородностями исследуемого объекта. При этом регистрация отраженных, рассеянных и прошедших сигналов осуществляется единой решеткой пьезоэлементов, которая может быть расположена либо между оптико-акустическим преобразователем и исследуемым материалом, либо с обратной стороны преобразователя. Изобретение позволяет получать лазерные ультразвуковые и оптико-акустические изображения неоднородностей исследуемого объекта в режиме реального времени с высоким разрешением и высоким контрастом получаемых изображений. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области неразрушающих методов диагностики биологических объектов и может быть использовано для выявления в исследуемых объектах структурных неоднородностей и определения их геометрических размеров.

Известен способ лазерно-акустического контроля, в котором изображение исследуемого объекта строится по рассеянным и отраженным от неоднородностей акустическим сигналам (1). Устройство, реализующее упомянутый способ содержит: импульсно-модулированный лазер, соединенный с оптическим волокном, торец которого через расширяющую линзу направлен на оптико-акустический преобразователь, а пьезоприемник выполнен в виде решетки из локальных пьезоэлементов, каждый из которых соединен через предусилитель и аналого-цифровой преобразователь с компьютером. Недостатками данного способа и устройства являются: низкий оптический контраст получаемых изображений структуры биологических объектов, а также небольшая глубина расположения неоднородностей внутри биологических объектов, для которой возможно получение изображений. Преимуществом данного способа является высокое разрешение изображений структуры исследуемого объекта за счет контролируемой формы акустического зондирующего импульса от оптико-акустического преобразователя.

Известен способ диагностики патологической биологической ткани внутри здоровой биологической ткани при использовании оптико-акустической томографии, заключающийся в облучении лазерным импульсом поверхности здоровой биологической ткани, генерации, таким образом, акустических сигналов (волн давления), регистрации этих акустических сигналов с помощью акустического приемника, записи амплитуды и временного профиля волны давления и анализе их с помощью программного обеспечения на компьютере (2).

Устройство для реализации упомянутого способа содержит: импульсный лазер, систему доставки лазерного излучения, по крайней мере, один акустический приемник, электронную систему для записи и обработки сигналов и компьютер со специальным программным обеспечением, позволяющим восстанавливать изображения биологической ткани. В данном устройстве изображение исследуемого объекта строится по акустическим сигналам, произведенным неоднородностями исследуемого объекта после поглощения ими лазерного излучения. Преимуществами упомянутого выше способа (2) являются: высокий оптический контраст получаемых изображений структуры биологических объектов и большая глубина расположения неоднородностей внутри биологических объектов, для которой возможно получение изображений. Недостатком данного устройства является невысокое разрешение изображений структуры исследуемого объекта.

Целью настоящего изобретения является совмещение функциональных возможностей изложенных способов в одном устройстве, а именно получение лазерной ультразвуковой и оптико-акустической информации об исследуемом биологическом объекте. Сочетание такой информации, получаемой единовременно, в одном устройстве имеет неоспоримые преимущества.

Для решения поставленной задачи в способе, заключающемся в генерации оптического импульса, преобразовании его в акустический сигнал, излучении этого сигнала в исследуемую среду и приеме отраженного акустического сигнала пьезоэлементом, акустический импульс генерируется как с помощью двухстороннего распределенного оптико-акустического преобразователя, так и непосредственно неоднородностями исследуемого объекта, регистрация отраженных и рассеянных сигналов в первом случае и прошедших сигналов во втором случае, осуществляется решеткой пьезоэлементов, которая может быть расположена либо между оптико-акустическим преобразователем и исследуемым материалом, либо с обратной стороны преобразователя, при этом сигналы, зарегистрированные решеткой пьезоэлементов, обрабатываются в режиме реального времени.

Для решения поставленной задачи в известном устройстве, содержащем многоканальную томографическую систему, выполненную в виде единого блока и содержащую распределенный оптико-акустический генератор, а также набор пьезоэлементов, каждый из которых соединен через многоканальный усилитель с многоканальным аналого-цифровым преобразователем и компьютером, акустическую линзу, с помощью которой осуществляется фокусировка, и импульсно-модулированный лазер, излучение лазера подводится как к многоканальной томографической системе, так и непосредственно к исследуемому объекту.

Для различных вариантов устройства могут использоваться либо два импульсно-модулированных лазера, либо один импульсно-модулированный лазер совместно с делителем излучения.

Имеются варианты устройства, в которых решетка приемников и оптико-акустический излучатель выполнены криволинейными с возможностью фокусировки излучения и приема при отсутствии акустической линзы.

Возможность реализации.

Способ лазерной оптико-акустической томографии и устройство для его осуществления иллюстрируются Фиг.1-3.

На чертеже Фиг.1 показана многоканальная система для лазерной ультразвуковой и оптико-акустической томографии. Она содержит:

1 - лазер с модуляцией добротности и высокой частотой повторения импульсов;

2 - систему доставки лазерного излучения, содержащую на выходе делитель излучения;

3 - комбинированный многофункциональный блок питания, обеспечивающий электропитание лазера, оптико-акустического преобразователя и аналого-цифрового преобразователя;

4 - скоростной многоканальный прецизионный аналого-цифровой преобразователь, обеспечивающий перевод электрических сигналов оптико-акустического преобразователя в цифровую форму, его временное запоминание и передачу по скоростной линии в компьютер;

5 - систему обработки данных, включающую компьютер, связанный скоростной линией передачи данных с аналого-цифровым преобразователем и программным обеспечением, обеспечивающим прием цифровых данных, их спектральную и временную обработку и построение изображения исследуемого объекта на экране монитора, а также интерактивное управление процессом передачи и обработки данных;

6 - многоканальную томографическую систему, содержащую оптико-акустический преобразователь и решетку широкополосных пьезоэлементов, для преобразования лазерных импульсов в акустические, передачи их в исследуемую среду, регистрации отраженных и рассеянных акустических сигналов и восстановления по ним изображения исследуемого объекта в случае лазерной ультразвуковой томографии и для регистрации акустических сигналов от исследуемого объекта и восстановления по ним его изображения в случае оптико-акустической томографии.

Управление и работа системы осуществляются от компьютера 5, а синхронизация работы лазера производится специальными сигналами, вырабатываемыми в блоке аналого-цифрового преобразователя 4. Старт-считывание сигнала осуществляется по импульсу фотодиода, согласованному с лазерным импульсом.

Схема многоканальной томографической системы 6 приведена на Фиг.2. Она содержит: оптическую систему - 8, звукопровод - 9, оптико-акустический преобразователь - 10, решетку пьезэлементов - 11, акустическую линзу - 12, исследуемый объект - 13, усилитель - 14. На Фиг.3 приведена схема многоканальной томографической системы 6 для случая криволинейных пьезоприемников и оптико-акустического преобразователя. Она содержит те же элементы, только позиции исследуемого объекта - 13, усилителя - 14 и оптического излучения - 15 меняются соответственно на 12,13 и 14.

Система томографии работает следующим образом.

В случае лазерной ультразвуковой томографии импульсы оптического излучения 7 от лазера поступают через оптическую систему 8, формирующую необходимый размер пучка, и звукопровод 9, прозрачный для оптического излучения 7, на оптико-акустический преобразователь 10, где за счет нестационарного теплового расширения происходит формирование широкополосного акустического импульса. При работе многоканальной томографической системы происходит регистрация акустических сигналов от исследуемого объекта, находящегося в фокусе. Для того чтобы форма зарегистрированного акустического сигнала от исследуемого объекта не искажалась, необходимо обеспечить временное окно задержки между приходом акустического сигнала от исследуемого объекта и приходом акустических сигналов, отраженных от границ элементов многоканальной томографической системы. Для этих целей многоканальная томографическая система содержит звукопровод 9, который обеспечивает должное временное окно задержки прихода последующих отраженных акустических импульсов от границ элементов томографической системы. Оптико-акустический преобразователь 10 представляет собой плоскопараллельную пластину, выполненную из материала, хорошо поглощающего лазерное излучение, имеющего высокое значение коэффициента теплового расширения и согласованного по акустическому импедансу с материалом звукопровода 9. Акустический сигнал от оптико-акустического преобразователя 10 распространяется к решетке пьезоприемников 11 и регистрируется системой как опорный. Акустические импульсы от каждого пьезоприемника распространяются через акустическую фокусирующую линзу 12, согласованную по акустическому импедансу как с материалом пьезоприемников, так и со средой, в которой находится исследуемый объект, к исследуемому объекту 13. Акустические импульсы, проходя в структуре исследуемого объекта, отражаются и рассеиваются от искомых неоднородностей и, пройдя обратно через акустическую фокусирующую линзу 12, регистрируются решеткой пьезоприемников 11. Электрические сигналы с пьезоприемников, пройдя усилитель 14, попадают на аналого-цифровой преобразователь 4 (Фиг.1). Для построения изображений используется компьютер, работающий в режиме реального времени.

В случае оптико-акустической томографии импульсы оптического излучения 15 поступают непосредственно на исследуемый объект 13. В результате поглощения лазерного излучения происходит нагрев и неоднородное расширение исследуемого объекта, что приводит к формированию акустических импульсов. Акустические импульсы, пройдя через акустическую фокусирующую линзу 12, регистрируются решеткой пьезоприемников 11. Звукопровод 9 обеспечивает должное временное окно задержки прихода последующих отраженных акустических импульсов от границ элементов томографической системы. Электрические сигналы с пьезоприемников, пройдя усилитель 14, попадают на аналого-цифровой преобразователь 4. Для построения изображений также используется компьютер, работающий в режиме реального времени.

Пример зарегистрированного одним из пьезоприемников сигнала от точечного источника приведен на Фиг.4.

Для получения изображений исследуемого объекта с помощью обоих методов можно, например, посылать импульсы оптического излучения от лазера и регистрировать решеткой пьезоприемников пришедшие сигналы поочередно.

Источники информации, использованные при составлении заявки.

1. Патент россии №2232983

2. Патент США №5840023

1. Способ лазерной, оптико-акустической томографии, заключающийся в генерации оптического импульса, преобразовании его в акустический сигнал, излучении этого сигнала в исследуемую среду и приеме отраженного акустического сигнала пьезоэлементом с одной стороны, и облучении исследуемого объекта лазерным излучением, генерации акустического сигнала от этого объекта за счет оптико-акустического эффекта, и приеме акустического сигнала с другой стороны пьезоэлемента, отличающийся тем, что акустический импульс генерируется как с помощью распределенного оптико-акустического преобразователя, так и непосредственно неоднородностями исследуемого объекта, а регистрация отраженных, рассеянных и прошедших сигналов осуществляется единой решеткой пьезоэлементов.

2. Устройство для лазерной оптико-акустической томографии, содержащее многоканальную томографическую систему, выполненную в виде единого блока и содержащую оптическую систему, оптико-акустический преобразователь, а также решетку пьезоэлементов, каждый из которых соединен через многоканальный усилитель с многоканальным аналого-цифровым преобразователем и компьютером, акустическую линзу и импульсно-модулированный лазер, отличающееся тем, что в устройство введен делитель лазерного излучения, первый выход которого соединен с исследуемым объектом, а второй - с оптической системой.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что решетка пьезоэлементов и оптико-акустический преобразователь выполнены криволинейными.

4. Устройство для лазерной оптико-акустической томографии, содержащее многоканальную томографическую систему, выполненную в виде единого блока и содержащую оптическую систему, оптико-акустический преобразователь, а также решетку пьезоэлементов, каждый из которых соединен через многоканальный усилитель с многоканальным аналого-цифровым преобразователем и компьютером, акустическую линзу и импульсно-модулированный лазер, отличающееся тем, что оно содержит второй лазер.