成像系统

技术领域

本申请涉及影像检查技术领域，特别是涉及一种成像系统。

背景技术

临床医学影像检测通常采用非侵入式成像检测。目前，常用的非侵入式成像检测一般是B超、CT(Computed Tomography电子计算机断层扫描)、核磁共振等。

CT以及核磁共振等具有辐射；而B超虽然具备可以对人体组织、器官进行无损以及无辐射的成像检测的优势，然而，由于B超成像采用的超声换能器阵元的尺寸一般是毫米级，大的阵元尺寸直接限制了成像的分辨率，导致超声成像的空间分辨率不高。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高分辨率且无辐射危害的成像系统。

一种成像系统，包括：声光晶体、激光发射装置、超声波发射装置和光学成像装置，所述激光发射装置和所述光学成像装置分别设置于所述声光晶体的相对两侧，所述超声波发射装置与待成像目标分别设置于所述声光晶体的相对两侧；

所述激光发射装置发射激光至所述声光晶体，所述超声波发射装置发射超声波至所述声光晶体，所述光学成像装置采集射入所述声光晶体的超声波与激光发生Bragg衍射所产生的第一次的衍射光信号，以及采集经过所述声光晶体到达所述待成像目标后反射的超声波与所述声光晶体内的激光发生Bragg衍射所产生的第二次的衍射光信号进行成像，并获取采集所述第一次的衍射光信号和第二次的衍射光信号的时间差，根据所述时间差和预设的超声传播速度得到距离信息，根据成像的图像和所述距离信息得到所述待成像目标的光学图像。

上述成像系统中，采用激光发射装置、超声波发射装置分别发射激光和超声波至声光晶体，由光学成像装置采集激光和超声波发生Bragg衍射产生的第一次的衍射光信号，采集超声波到达待成像目标返回后与激光发生Bragg衍射产生的第二次的衍射光信号并成像，根据两次采集的时间差和预设的超声传播速度得到距离信息，根据距离信息和成像的图像得到光学图像；通过将超声波探测与激光相结合，基于超声波探测待成像目标，无辐射危害，而且通过Bragg衍射将超声波探测所得到的待成像目标的信息传递给衍射光信号，采用光学成像装置进行光学成像，光学成像的阵元尺寸小，成像分辨率高。

在其中一个实施例中，所述声光晶体为二氧化碲制成的声光晶体。

在其中一个实施例中，所述激光与所述超声波的传播方向的夹角等于Bragg衍射角。

在其中一个实施例中，上述成像系统还包括光纤和激光准直器，所述激光准直器设置于所述激光发射装置和所述声光晶体之间，且所述激光发射装置通过所述光纤连接所述激光准直器。

在其中一个实施例中，上述成像系统还包括匀光器和带有窗口的透光组件，所述匀光器设置于所述激光发射装置和所述声光晶体之间，所述透光组件设置于所述匀光器与所述声光晶体之间；

所述激光发射装置发射的激光经过所述匀光器和所述透光组件整形成一束大小与所述超声波形成的超声场匹配的均匀光束入射到所述声光晶体。

在其中一个实施例中，所述窗口为矩形。

在其中一个实施例中，上述成像系统还包括扩束单元，所述扩束单元设置于所述激光发射装置和所述匀光器之间。

在其中一个实施例中，所述扩束单元包括焦距和直径均不相同的第一透镜和第二透镜，所述第一透镜和所述第二透镜依次设置于所述激光发射装置和所述匀光器之间。

在其中一个实施例中，上述成像系统还包括第一偏振片和第二偏振片，所述第一偏振片设置于所述激光发射装置和所述声光晶体之间，所述第二偏振片设置于所述声光晶体和所述光学成像装置之间。

在其中一个实施例中，上述成像系统还包括聚焦透镜，所述聚焦透镜设置于所述声光晶体和所述光学成像装置之间。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一个实施例中成像系统的结构示意图；

图2为另一个实施例中成像系统的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。

在一个实施例中，参考图1，提供了一种成像系统，包括：声光晶体110、激光发射装置120、超声波发射装置130和光学成像装置140，激光发射装置120和光学成像装置140分别设置于声光晶体110的相对两侧，超声波发射装置130与待成像目标200分别设置于声光晶体110的相对两侧。比如，以声光晶体110为立体的六面体为例，包括上面、下面、前面、后面、左面和右面，激光发射装置120设置于声光晶体110的左面一侧，光学成像装置140设置于声光晶体110的右面一侧，超声波发射装置130设置于声光晶体110的后面一侧，待成像目标200设置于声光晶体110的前面一侧。

其中，激光发射装置120是可以发射激光的装置，超声波发射装置130是可以发射超声波的装置；声光晶体110是一种声光耦合介质，当超声波通过声光耦合介质时引起弹性形变，会使得声光耦合介质的介电系数和折射率发生周期性变化，相当于形成一个相位光栅；此时，当激光以与超声传播方向呈一定角度入射到声光耦合介质，并且超声波频率较高、相干作用长度较长，激光在声光耦合介质中会产生Bragg衍射，产生+1或-1级衍射光信号，从而将超声波携带的振幅、相位信息传递给衍射光信号。

光学成像装置140是一种可以探测光信号并成像的装置。激光发射装置120发射激光至声光晶体110，超声波发射装置130发射超声波至声光晶体110，光学成像装置140采集射入声光晶体110的超声波与激光发生Bragg衍射所产生的第一次的衍射光信号，以及采集经过声光晶体110到达待成像目标后反射的超声波与声光晶体内的激光发生Bragg衍射所产生的第二次的衍射光信号进行成像，并获取采集第一次的衍射光信号和第二次的衍射光信号的时间差，根据时间差和预设的超声传播速度得到距离信息，根据成像的图像和距离信息得到待成像目标的光学图像。即，激光发射装置120发射激光至声光晶体110、超声波发射装置130发射超声波至声光晶体110后，激光与超声波在声光晶体110内发生Bragg衍射产生衍射光信号作为第一次的衍射光信号，超声波经过声光晶体110后到达待成像目标200后反射，在声光晶体110内再次与激光发生Bragg衍射产生衍射光信号作为第二次的衍射光信号；光学成像装置140采集第一次的衍射光信号和第二次的衍射光信号、根据第二次的衍射光信号成像，以及获取两次采集衍射光信号的时间差。具体地，光学成像装置140采集在一个脉冲超声周期内的两次衍射光信号。

超声波入射到待成像目标200时，比如待成像目标200可以是人体组织、器官，到达待成像目标200后由于声阻抗发生变化，超声波将经待成像目标200表面产生反射，不同的声阻抗引起的反射程度不一样，产生反射的同时也有一部分超声波进入待成像目标200的内部继续向前传播，不同的目标的密度结构不一样，引起的衰减也不一样，同时在继续向前传播，当遇见声阻抗变化的时候，也会在两种不同声阻抗界面引起超声波反射，衰减以及反射造成超声回波的振幅变化携带了待成像目标200形貌和结构的信息，超声回波对应的传播时间则携带了目标的距离信息。超声回波的强度经过待成像目标200的调节，其强度分布与成像对象的结构直接相关，同时，在Bragg衍射中，超声强度与衍射效率的关系满足如下公式：

式中，M是声光晶体110的品质因素，n是声光晶体110的折射率，ρ是声光晶体110的密度，P是声光晶体110的弹光系数，V

由公式可以看出，超声强度与声光晶体110的高和长度有光有关。Bragg衍射效率越高，对应的衍射光信号光强越强，也就是说某一块区域由于其声阻抗大，超声回波的振幅与声阻抗成正比，即超声回波对应的超声强度越大，那么引起的Bragg衍射效率越高，对应的衍射光信号越强；通过超声强度与衍射效率的关系，完成超声波携带信息的传递；根据Bragg衍射效率的不同，超声回波强弱携带待成像目标200的形貌与结构信息传递给了衍射光信号，通过收集衍射光信号进行成像结合距离信息可以得到高分辨率光学图像。具体地，光学成像装置140可以根据衍射光信号得到灰度值，将灰度值与距离信息对应起来，生成光学图像。

以待成像目标200为人体组织、器官为例，对人体组织、器官进行超声波扫描，超声波经人体组织、器官反射，超声波的波前经过人体组织、器官调制，从而携带了人体组织、器官形貌与结构信息；经人体组织、器官反射的超声波返回通过声光晶体110时，会在声光晶体110中形成超声光栅；激光通过有超声场存在的声光晶体110时，在合适条件下以Bragg衍射的方式与超声波作用，产生+1级或者-1级衍射光信号，超声波波前所携带的人体组织、器官的形貌与结构信息传递给+1级或者-1级衍射光信号中；由于超声波波前图形会与衍射光信号所成的图像形成一一对应的关系，通过收集衍射光信号所成的图像可以得到经由人体组织、器官反射的波前图信息，从而得到人体组织、器官的图像。

具体地，光学成像装置140可以是记录接收第一次的衍射光信号的时间以及接收第二次的衍射光信号的时间，计算记录的两次时间的时间差。可以理解，光学成像装置140还可以是采用其他方式得到时间差，比如在接收到第一次的衍射光信号时开始计时，到接收到第二次的衍射光信号时停止计时，得到时间差。距离信息是指与待成像目标200的距离；光学成像装置140可以是采用预设的计算模型计算得到距离信息。

以记录两次采集的时间为例，接收第一次的衍射光信号并记录时间得到第一时刻，接收第二次的衍射光信号并记录时间得到第二时刻，根据第一时刻、第二时刻和超声传播速度计算得到距离信息，计算公式如下：

S＝1/2V*(T2-T1)

其中，S为距离信息，V为超声传播速度，T

一方面，考虑到成像系统中，阵元尺寸的大小会直接影响成像的横向分辨率，传统超声成像使用的超声换能器的阵元尺寸远大于光学成像装置140的阵元尺寸，对应的超声成像的横向分辨率低；本申请通过采用光学成像装置140对第二次的衍射光信号进行光学成像，可以提高成像的横向分辨率。另一方面，由于传统的超声成像是根据超声波的飞行时间来获得待成像目标200的距离信息，距离信息的精确对应着轴向分辨率；考虑到超声成像中由于要接收一整个包络才可以获得相应的信息，超声成像的轴向分辨率的极限值是λ/2，不仅会导致检测过程中距离信息会有一定误差同时也会影响空间的轴向分辨率；基于此考虑，本申请通过以超声波与激光发生第一次Bragg衍射得到的衍射光信号为参考光，同时经由待成像目标200反射的超声波与激光第二次Bragg衍射得到衍射光作为信号光，通过参考光与信号光的时间差(飞行时间)可以精确获得待成像目标200的距离信息，获得的飞行时间的精度要高于传统的超声成像使用的超声换能器，因此可以提高成像的轴向分辨率。

上述成像系统中，采用激光发射装置120、超声波发射装置130分别发射激光和超声波至声光晶体110，由光学成像装置140采集激光和超声波发生Bragg衍射产生的第一次的衍射光信号，采集超声波到达待成像目标200返回后与激光发生Bragg衍射产生的第二次的衍射光信号并成像，根据两次采集的时间差和预设的超声传播速度得到距离信息，根据距离信息和成像的图像得到光学图像；通过将超声波探测与激光相结合，基于超声波探测待成像目标200，无辐射危害，而且通过Bragg衍射将超声波探测所得到的待成像目标200的信息传递给衍射光信号，采用光学成像装置140进行光学成像，光学成像的阵元尺寸小，成像分辨率高。

在其中一个实施例中，声光晶体110为二氧化碲制成的声光晶体。二氧化碲制成的声光晶体品质高；使用具有较高品质因子的声光晶体，可以提高Bragg衍射效率，同时增加声光相互作用的稳定性。可以理解，在其他实施例中，声光晶体110还可以采用其他具有较高品质因子的材料制成，比如铌酸锂、钼酸铅、溴化铅、氯化亚汞等。

在其中一个实施例中，激光发射装置120为红外激光器。红外激光器为发射红外激光的器件，红外激光光束的发散角小、亮度高，使用效果好。

在其中一个实施例中，超声波发射装置130可以包括激励信号控制器和超声换能器，激励信号控制器连接超声换能器，超声换能器设置于声光晶体110的与待成像目标200相对的一侧。

激励信号控制器发送脉冲信号至超声换能器，超声换能器接收脉冲信号并发射超声波至声光晶体110。具体地，激励信号控制器可以根据设置的控制参数完成对高压激励信号即脉冲信号的控制。通过采用激励信号控制器控制超声换能器发射超声波，结构简单。

具体地，超声换能器可以采用一种可以在脉冲信号作用下发射频率在2MHz-15MHz的超声波的换能器探头，探头有较好的吸声衬底，以减小一个脉冲包络内的周期数。

在其中一个实施例中，光学成像装置140包括CCD(Charge-coupled Device电荷耦合元件)，CCD设置于声光晶体110的与激光发射装置120相对的一侧。采用CCD进行光学成像，成像效果好，分辨率高。

在其中一个实施例中，激光与超声波的传播方向的夹角等于Bragg衍射角。其中，Bragg衍射角是一个预先可以确定的角度。使用超声换能器发射一束脉冲超声波，超声波直接耦合进声光晶体110造成声光晶体110折射率呈周期性分布产生相位光栅，此时入射激光与超声波的传播方向的夹角满足Bragg衍射角，Bragg衍射角公式如下：

其中，λ

在满足Bragg衍射角、超声波频率高以及超声波和激光的相干作用长度较长时，在声光晶体110中超声波与激光光束发生的耦合作用满足Bragg衍射条件，Bragg衍射只产生+1级或者-1级衍射光信号。

在其中一个实施例中，参考图2，上述成像系统还包括光纤151和激光准直器152，激光准直器152设置于激光发射装置120和声光晶体110之间，且激光发射装置120通过光纤151连接激光准直器152。光纤151传导激光，方便调整激光入射角度，激光准直器152用于对光纤151出射的激光进行准直成平行光。

在其中一个实施例中，上述成像系统还包括匀光器和带有窗口的透光组件，匀光器设置于激光发射装置120和声光晶体110之间，透光组件设置于匀光器与声光晶体110之间。激光发射装置120发射的激光经过匀光器和透光组件整形成一束大小与超声波形成的超声场匹配的均匀光束入射到声光晶体。

其中，匀光器用于保证入射到声光晶体110中激光光束的光强分布均匀；激光光束通过匀光器，使得激光光束横截面的光强分布变的均匀。带有窗口的透光组件用于采用窗口调整激光光束的尺寸；光场强度均匀的激光光束经过窗口，具体地，窗口的尺寸大小可调，通过调节窗口的大小调整激光光束的形状与大小，使得光束尺寸可以根据需求进行调整，具体调整至入射激光光束的大小匹配超声声束。如果激光光束过大，多余的部分会充当背景噪声，影响衍射光信号的成像，如果激光光束过小，那么超声回波就有一部分没有参与Bragg衍射，造成信息的缺失。因此，通过调整激光光束的尺寸，使得入射激光与超声声束匹配，提高成像精度。

具体地，如图2所示，成像系统包括匀光器和带有窗口的透光组件，匀光器和透光组件组合成整体170。匀光器可以是设置于激光准直器152之后、声光晶体110之前。

在其中一个实施例中，窗口为矩形。由于在声光效应中有一个相互作用长度，并且超声场跟激光光束是垂直作用的，如果是圆形光斑，那么超声场经过圆形光束直径和边缘就会不均匀，尤其是当圆形光斑服从高斯分布，其边缘强度更低，衍射效率与光场强度正相关。通过采用矩形窗口，将激光发射装置120发射的激光变为矩形光束，可以确保边缘的光场强度以增加衍射效率，同时矩形光束也可以更好的与超声声束进行匹配。

在其中一个实施例中，上述成像系统还包括扩束单元，扩束单元设置于激光发射装置120和匀光器之间。通过扩束单元，将激光光束的直径进行扩束，具体地，扩束单元将激光光束的直径扩束到与匀光器的孔径相一致，提高匀光效果。

在其中一个实施例中，如图2所示，扩束单元包括焦距和直径均不相同的第一透镜161和第二透镜162，第一透镜161和第二透镜162依次设置于激光发射装置110和匀光器之间。通过采用两个具有不同焦距以及直径的透镜组成扩束单元，第一透镜161将激光进行扩散，第二透镜对扩散后的激光进行准直，从而达到激光光束扩束的目的，使出射的激光光斑放大合适的倍数。

具体地，如图2所示，第一透镜161和第二透镜162依次设置于激光准直器152和匀光器之间，激光发射装置120发射的激光通过光纤151到达激光准直器152后，依次经过第一透镜161、第二透镜162、匀光器和透光组件的窗口。

在其中一个实施例中，请继续参考图2，上述成像系统还包括第一偏振片181和第二偏振片182，第一偏振片181设置于激光发射装置120和声光晶体110之间，第二偏振片182设置于声光晶体110和光学成像装置140之间。

声光晶体110出射的光束实际上除了有+1级或者-1级衍射光信号外，也有未经调制的零级衍射光，零级衍射光是作为成像的主要噪声，由于与衍射光信号波长几乎一致，因而无法通过滤光片进行滤光；同时由于+1级或-1级衍射光信号与零级衍射光的夹角为2倍Bragg衍射角，Bragg衍射角较小，同时由于光束具有一定的发散角，因此，从声光晶体110中出射激光光束中射角较小，+1级或-1级衍射光信号与零级衍射光会夹杂在一起，在近距离很难通过传统的光阑将两者分开，零级衍射光很容易作为噪声进入CCD作为噪声，从而降低+1级或者-1级衍射光信号的成像质量。当衍射效率较低时，零级衍射光作为噪声的光强甚至会超过+1或-1级衍射光信号的强度，从而无法得到待成像目标200的光学影像。

通过在激光入射进声光晶体110前加一个第一偏振片181，采用第一偏振片181使入射激光光束起偏，使得进入声光晶体110的激光是一个线偏振；在衍射光信号出射被收集进光学成像装置140前加一个第二偏振片182，第二偏振片182对起偏的入射光进行检偏，要求第二偏振片182的偏振方向与第一偏振片181的偏振方向垂直，+1级或者-1级衍射光经过Bragg衍射，其偏振方向有一定的改变，因此可以通过第二偏振片182，而零级衍射光由于没有经过调制，由于第二偏振片182的偏振方向与第一偏振片181垂直，则不能通过第二偏振片182，从而达到对零级衍射光的滤光效果，确保+1级或者-1级衍射光进入光学成像装置140，滤掉零级衍射光，提高Bragg衍射成像的信噪比以提高成像质量。

具体地，如图2中，第一偏振片181设置于匀光器和带有窗口的透光组件的整体170和声光晶体110之间，激光通过匀光器和窗口整形为矩形光束后，经过第一偏振片181射入声光晶体110。

在其中一个实施例中，如图2，上述成像系统还包括聚焦透镜190，聚焦透镜190设置于声光晶体110和光学成像装置140之间。聚焦透镜190收集衍射光信号，并将衍射光信号聚焦进光学成像装置140。具体地，聚焦透镜190设置于第二偏振片182和光学成像装置140之间。

以使用红外激光器为例，结合图2对成像系统的使用进行详细介绍，红外激光光源由红外激光器出来后，依次通过光纤151、激光准直器152、第一透镜161、第二透镜162、匀光器、矩形窗口、第一偏振片181，确保激光光束是以矩形的形状并且具有一定的偏振方向均匀入射到声光晶体110中。操作包括如下步骤：

S1：将红外激光器发出的激光经光纤151通过光纤准直器152变为平行激光光束，依次通过第一透镜161、第二透镜162进行激光光束扩束，然后通过匀光器、矩形窗口将激光光束变为大小可调的矩形激光光束，激光光束横切面的光强分布均匀，矩形光束通过第一偏振片181变为具有一定偏振方向的激光光束入射到声光晶体110中。

S2：从声光晶体110中出射的激光经第二偏振片182，通过聚焦透镜190，进入CCD进行成像，调整第二偏振片182，使得在没有超声波通过声光晶体110时，CCD所能接收到的激光强度处于最低。

S3：启动超声换能器发射脉冲超声波，调整激光光束与超声声束方向，确保两者之间夹角满足Bragg衍射条件。

S4：由超声换能器发出的超声波向待成像目标200传播，在声光晶体8中与矩形光束发生Bragg衍射，由于Bragg衍射，出射的激光有零级跟+1级或者-1级衍射光信号，两束光夹角为2倍Bragg角，微调第二偏振片182使得+1级或者-1级衍射光信号的光强达到最大，同时保证零级衍射光强度最小，通过CCD记录+1级或者-1级衍射光信号以及采集时间T1。

Bragg衍射光信号通过偏振方向与第一偏振片181偏振方向垂直的第二偏振片182，没有发生衍射的激光无法通过第二偏振片182而被滤光，发生Bragg衍射的衍射光信号通过第二偏振片182，进入CCD。

S5：超声波到达待成像目标200时，反射回的超声波再次通过声光晶体110，并与超声波发生Bragg衍射，由CCD收集衍射光信号，并记录采集时间T2。

S6：通过CCD成像得到待成像目标200的表面形貌以及结构的图像，同时根据记录的时间T1、T2，并且根据超声传播速度得到待成像目标200的轴向的距离信息。

以红外激光与超声波的Bragg衍射为基本原理对待成像目标进行高分辨率光学成像，将在医学影像检测领域发挥积极作用，以高分辨率的成像替换掉目前传统的超声成像检测，将成像分辨率大幅提高，减少因B超成像分辨率不足引起的误诊、漏诊等问题。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。