基於光聲訊號之三維資訊重建

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呂冠武(Kuan-Wu Lu) 查詢紙本館藏

畢業系所

光電科學與工程學系

論文名稱

基於光聲訊號之三維資訊重建
(3D information reconstruction based on photoacoustic signal)

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摘要(中)

光聲影像系統同時結合了光學影像與超聲波影像系統的優點，具有光學的高對比、高解析度，藉由樣品對雷射波長的選擇性吸收，再透過超收波探頭接收對軟組織有高穿透性的超聲波訊號。
本研究使用波長為1064 nm的Q-switch脈衝雷射來激發超聲波訊號，在訊號處理中，單一位置的光聲波訊號在數學演算法的計算後可以取得兩個重要的樣品參數，光聲訊號初始位置和最大聲壓值，分別表示著此單一位置與偵測探頭的距離和樣品物理特性。藉由控制步進馬達(電動平移台)讓樣品在二維空間中掃描可以重建樣品表面在空間中的幾何結構與材料特性。本團隊也嘗試了不同的樣品，來驗證本系統的可信度，最後為了模擬生物組織的樣品，製作了許多複合式的材料，也成功地還原出樣品表面的三維光聲影像。

摘要(英)

Photoacoustic imaging system has both advantages of optical imaging system and ultrasonic imaging system. Using material’s absorption of certain wavelength, then reconstruct image by the photoacoustic signal received through low scattering acoustic wave, with high resolution of optical image systems and low scattering of ultrasonic image system.
In this study, a 2D translation stage scanning photoacoustic image system is built. The photoacoustic wave is excited by Q-switch pulse laser with 1064 nm wavelength. In each scanning position, two important parameters, signal starting position and maximum amplitude of acoustic pressure, will be calculated from photoacoustic signal. With 2D scanning of sample, the spacial distribution of sample’s surface and material information can be reconstruct.

關鍵字(中)

★ 光聲訊號
★ 三維資訊重建
★ 光聲影像

關鍵字(英)

★ Photoacoustic image
★ Ultrasonic
★ 2D scanning
★ 3D reconstruction

論文目次

中文摘要 i
Abstract ii
致謝 iii
圖目錄 ix
第一章、序論 1
1.1前言 1
1.2動機 2
1.3應用 2
1.4論文架構 4
第二章、理論 5
2.1 光聲效應原理 5
2.1.1 光聲波的產生 5
2.1.2 光聲效應的前提假設 6
2.1.3 光聲波方程式 7
2.1.4 球形聲源的光聲訊號 9
2.2 交叉相關 10
2.3 結構相似性品質指標 15
2.4 光聲成像系統 15
2.4.1 斷層模式 (Tomography) 15
2.4.2 背向式 (Backward mode) 16
2.4.3 順向式 (Forward mode) 17
第三章、光聲影像實驗架構 18
3.1 實驗架構 18
3.2 掃描方式 23
3.3 實驗樣品 25
3.3.1 鉻薄膜樣品 25
3.3.2 鎳鉻絲 26
3.3.3 金屬硬幣 27
3.3.4 碳纖維 27
3.3.5 複合式材料 28
3.4 實驗步驟 29
3.5 光聲訊號 30
3.5.1光聲訊號與光源強度的關係 32
3.5.2 訊號峰值位置與光強度的關係 35
3.6 訊號處理 36
3.7 光聲系統的解析度 42
3.7.1 深度資訊的靈敏度(表面穩定度) 43
3.7.2 縱向解析度 44
3.7.3 橫向解析度 45
第四章、實驗結果 46
4.1 一維掃描實驗結果與分析 46
4.2 二維掃描實驗結果與分析 47
4.2.1 實驗系統的誤差 49
4.2.2 二維訊號位置隨時間變化之誤差修正 51
4.2.3 二維在資料深度上的有效解析範圍 53
4.3 光聲訊號最大聲壓值的修正 53
4.3.1 光源聚焦強度對訊號最大聲壓值造成的變化 54
4.3.2二維修正光聲訊號最大聲壓值的因子( ) 55
4.3.3 修正後的二維光聲影像最大聲壓值分佈 58
4.4 三維光聲影像 59
4.5 不同樣品的光聲影像 60
4.5.1 鎳鉻絲的光聲影像 60
4.5.2 金屬硬幣的光聲影像 61
4.5.3空間交叉碳纖維樣品之光聲影像 66
4.5.4 複合式材料的光聲影像 69
第五章、結論與未來展望 74
參考文獻 76
附錄一、光聲訊號處理之matlab code 79
附錄二、壓克力水箱的詳細尺寸 85

參考文獻

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18. J. W. Goodman, Introduction to Fourier optics (McGraw-Hill, 1968)

指導教授

鍾德元(Te-Yuan Chung)

審核日期

2016-7-28

推文