一种测量非透明流场的光声粒子图像测速系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种测量非透明流场的光声粒子图像测速系统和方法，所述光声粒子图像测速系统包括注射装置、光声造影剂、激光器、超声换能器、超声数据采集装置、计算机，所述的注射装置可向流体中添加光声造影剂作为流场示踪粒子，利用光声效应，激光激发光声造影剂产生光声信号，由超声换能器接收光声造影剂的光声信号，得到时间序列的光声粒子图像，通过计算机对相邻两帧光声粒子图像进行粒子图像测速分析，得到非透明流场的速度向量和流体力学信息。本发明专利技术结合了光学成像的高特异性和超声成像的大穿透深度特点，拥有高时间、高空间分辨能力，可用于测量二维乃至三维的空间速度分布，而且能够测量微尺度乃至宏观尺度的非透明流体。流体。流体。

【技术实现步骤摘要】
一种测量非透明流场的光声粒子图像测速系统和方法


[0001]本专利技术涉及一种流场的光声测速领域，尤其涉及一种测量非透明流场的光声粒子图像测速系统和方法。

技术介绍

[0002]湍流和涡流在自然界中无处不在，是流体运动所特有的存在形式，如涡轮内的高压气体流动、水流和血液流动。近几十年来流体力学中关于流体测速的研究有了较快的发展，使得人类能够模拟显示和测量涡流或者湍流运动。目前，流场诊断中粒子图像测速法(Particle Image Velocimetry，简称PIV)应用最广泛，该方法是一种瞬态、多点、无接触式的流体测速方法，能够高速动态的显示二维或者三维的流场速度分布。近几十年来得到了不断完善与发展，PIV技术的特点是超出了单点测速技术(如LDV)的局限性，能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性。PIV技术除向流场散布示踪粒子外，所有测量装置并不介入流场，同时PIV具有较高的测量精度。然而，以PIV为代表的传统光学测速方法对非透明流体运动的测量基本失效。
[0003]目前研究较多的非透明流体检测技术主要有磁共振成像测速技术、超声散斑技术以及脉冲超声多普勒技术。但是，磁共振成像技术价格昂贵、体积较大、实时性较差；脉冲超声多普勒技术在测量过程中存在很多影响空间和速度测量的误差；超声散斑技术的强噪声以及散射微粒固有的高浓度需求等造成的影响，制约了该技术在血液等非透明流场中的研究。并且这三项技术一般用来测量流速，对于涡流的形态、方向、分布缺少直观的认识，也无法测量出能量的损耗，不能全面细致的了解非透明涡流的状态。因此，需要一种更加可靠的非透明流场的速度诊断方法。
[0004]针对非透明介质，传统光学失效，超声成像技术对于非透明流场的测量应用广泛，而单纯的超声成像技术的对不同物质的特异性不够，成像对比度不够。因此，需要将光学和超声技术结合来测量非透明流体，即光声成像技术。光声成像技术是近十年来兴起的一种新型的成像技术。它以激光为激发源，利用内源性吸收体或外源性吸收体吸收激光能量并产生超声信号，再利用超声换能器接收超声信号，经过分析处理超声信号最终达到对吸收体的进行结构和功能成像。经过诸多学者的不断发展，该技术已经被推广至血管结果显示、检测乳腺癌细胞、测量血氧饱和度、测量血液流速等应用领域。然而，在医学研究和医学检测时，光声成像用于血液等流场诊断大利用多普勒技术、光声相关谱法等来实现的 [ 潘柳华, 张向阳, 等. 基于光声相关谱法的血液流速测量[J]. 中国激光, 2018, 45(11): 1107001.]。目前光声成像技术并不能有效的获得血液等非透明流体的动态信息，而血液的动态流动信息的获得能够深化我们对某些病理的了解，这决定了需要有一种更加有效的流场动态测量方法。
[0005]传统的光学粒子图像测速技术对于非透明流体基本失效，因此，发展了一种既有光学成像的高对比度，较高的分辨率；又有超声成像的大穿透深度，可测量非透明流场的技术是非常必要的。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种测量非透明流场的光声粒子图像测速系统和方法。
[0007]该方法是通过激光器包含连续激光器或者脉冲激光器，利用光声效应，用于激发光声造影剂产生光声信号；所述超声换能器接收光声造影剂的光声信号；所述超声数据采集装置将超声换能器接收的光声信号进行放大和滤波处理，并处理和存储光声造影剂的光声信号，得到时间序列的光声粒子图像；所述计算机对相邻两帧光声粒子图像进行粒子图像测速分析，得到非透明流场的速度向量和流体力学信息。
[0008]一种测量非透明流场的光声粒子图像测速系统包括：第一激光器、第一反射镜、第一扩束镜、第一注射装置、光声造影剂、第一被测流体、超声换能器、第一超声数据采集装置和第一计算机；所述第一反射镜接收第一激光器发射的激光后偏转方向，反射至第一扩束镜上，进而照射第一被测流体；所述第一扩束镜接收反射镜反射后的激光光斑直径变大，扩大激光照射区域测量更大区域内的流体；所述的第一注射装置用于向第一被测流体中添加光声造影剂作为流场示踪粒子；所述光声造影剂能够增强光声信号同时作为示踪颗粒显示第一被测流体的运动；所述第一激光器为连续激光器或者脉冲激光器，利用光声效应使激发光声造影剂产生光声信号；所述超声换能器为单个或者阵列若干个，用于接收光声造影剂的光声信号；所述第一超声数据采集装置包括信号发生器、功率放大器、保护电路、衰减器、带通滤波器、前置放大器和数据采集卡，将超声换能器接收的光声信号进行放大和滤波处理，并处理和存储光声造影剂的光声信号，得到时间序列的光声粒子图像；所述第一计算机接收第一超声数据采集装置得到时间序列的光声粒子图像，对其中相邻两帧光声粒子图像进行粒子图像测速分析，得到非透明流场的速度向量和流体力学信息。
[0009]进一步地，所述的光声造影剂包含但不限于小分子有机染料、贵金属纳米颗粒、碳纳米材料、有机纳米多聚物、基因编辑的生色团和半导体聚合物纳米颗粒。
[0010]进一步地，所述的光声造影剂在流场中的粒子浓度为1~2
×
103个/mL，且在流场内分布均匀。
[0011]进一步地，所述的第一激光器与光声造影剂的吸收光谱对应，应对不同的流体场景可选用不同波段的激光。
[0012]进一步地，所述的超声换能器为多通道超声换能器阵列线性阵列、多通道超声换能器环形阵列、多通道扇扫超声换能器、线扫超声换能器和微型超声换能器中的任意一种。
[0013]进一步地，所述的超声换能器的频率范围是20 MHz~100 MHz。
[0014]进一步地，所述第一超声数据采集装置的得到时间序列的光声粒子图像，具体为：信号发生器在第一计算机的控制下产生激励信号，同时触发激光器和超声换能器同步工作，激励信号经功率放大器放大后经保护电路传送至超声换能器，光声造影剂激发产生的超声信号经过衰减器、带通滤波器和前置放大器处理后由数据采集卡再传送至第一计算
机。
[0015]一种测量非透明流场的光声粒子图像测速方法，包括如下步骤：（1）触发激光器和超声换能器：向待测非透明流场中的流体添加光声造影剂；信号发生器同步触发激光器和超声换能器，激光器开启的同时超声环能器接收光声信号。
[0016]（2）采集光声信号：激光照射光声造影剂后吸收激光的能量产生超声波信号，所产生的超声波信号被超声换能器所接收；（3）采集光声背向散射射频信号：超声换能器接收到超声信号后进行整合得到时间和空间分布的粒子超声信号，并分析处理超声信号并提取基波成分及谐波成分，最终获得灰度显示的光声粒子图像；再利用光声造影剂产生的超声谐波射频数据将造影剂颗粒的超声信号从流体中分离，得到光声粒子图像；（4）利用PIV算法计算速度分布：基于时间间隔隔开的两个连续图像中的粒子群的位移计算速度，具体为分别通过两个方向的位移计算分速度，最终通过矢量相加得到矢量速度分布。
[0017]进一步地，该方法可以用于测量二维和三维的空间速度分布，而且能够测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种测量非透明流场的光声粒子图像测速系统，其特征在于，包括：第一激光器（101）、第一反射镜（102）、第一扩束镜（103）、第一注射装置（104）、光声造影剂（105）、第一被测流体（106）、超声换能器（107）、第一超声数据采集装置（108）和第一计算机（109）；所述第一反射镜（102）接收第一激光器（101）发射的激光后偏转方向，反射至第一扩束镜（103）上，进而照射第一被测流体（106）；所述第一扩束镜（103）接收反射镜反射后的激光光斑直径变大，扩大激光照射区域测量更大区域内的流体；所述的第一注射装置（104）用于向第一被测流体（106）中添加光声造影剂（105）作为流场示踪粒子，所述第一被测流体（106）储存于玻璃、亚克力或者塑料材料的水槽中；所述光声造影剂（105）用于增强光声信号，同时作为示踪颗粒显示第一被测流体（106）的运动；所述第一激光器（101）为连续激光器或者脉冲激光器，利用光声效应使激发光声造影剂（105）产生光声信号；所述超声换能器（107）为单个或者阵列若干个，放置在第一被测流体（106）中，用于接收第一被测流体（106）内光声造影剂（105）的光声信号；所述第一超声数据采集装置（108）包括信号发生器、功率放大器、保护电路、衰减器、带通滤波器、前置放大器和数据采集卡，将超声换能器（107）接收的光声信号进行放大和滤波处理，并处理和存储光声造影剂（105）的光声信号，得到时间序列的光声粒子图像；所述第一计算机（109）接收第一超声数据采集装置（108）得到时间序列的光声粒子图像，对其中相邻两帧光声粒子图像进行粒子图像测速分析，得到非透明流场的速度向量和流体力学信息。2.根据权利要求1所述的一种测量非透明流场的光声粒子图像测速系统，其特征在于，所述的光声造影剂（105）包含但不限于小分子有机染料、贵金属纳米颗粒、碳纳米材料、有机纳米多聚物、基因编辑的生色团和半导体聚合物纳米颗粒。3.根据权利要求1所述的一种测量非透明流场的光声粒子图像测速系统，其特征在于，所述的光声造影剂（105）在流场中的粒子浓度为1~2
×
103个/mL，且在流场内分布均匀。4.根据权利要求1所述的一种测量非透明流场的光声粒子图像测速系统，其特征在于，所述的第一激光器（101）与光声造影剂（105）的吸收光谱对应，应对不同的流体场景可选用不同波段的激...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟亮，施钧辉，陈睿黾，李驰野，周迪逵，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：