光声CT多参数成像的理论与仿真研究

Photoacoustic Tomography (PAT) is an emerging technique for noninvasive medical imaging, which combines the high contrast of optcal imaging with the high penetration of ultrasound imaging,and can provide high resolution biological tissue image. However,due to its imaging just by virtue of difference in optical absorption between various biological tissues,that is,relying only on the optical properties of medium,the image inside an object with an opaque surface would be unavailable.In view of the current facts that PAT is applied only to medicine and using single imaging parameter and oversimplified model,hence lacking in basic investigation, this work is intended to develop a fully thermal-mechanical coupled model for photoacoustic imaging for studying the PAT mechanism and action of optical, thermal and mechanical properties, as well as the geometry on photoacoustic imaging, exploiting the potentialities of thermal wave precision imaging induced by unique depth profiling capability of PA technique, and exploring the conditions, features,regularites and algorithms of multi-parameter photoacoustic imaging for developing industrial PAT. It would be of great significance to nondestructive examination and evaluation and detection of defects of IC chip, semiconductor, special fiber, plane coating, precision parts, biomaterial,functionally　graded　materials, micro-nano films and so on.

光声计算机断层成像技术是近年来兴起的无损医学成像方法，它结合了纯光学成像的高对比度与纯超声成像的高穿透深度的优点，可提供高分辨率的生物组织成像。然而由于它是利用生物组织内各部分光吸收系数的差异成像，即成像只用到了介质的光学性质，故对于表层不透明物体的内部成像将无能为力。针对目前光声成像技术偏重医学应用且成像参数单一以及理论模型过于简化因而基础研究有很大不足的情况，本工作拟从建立热力全耦合的光声成像模型出发，深入研究物体组成材料的光学性质、热学性质、力学性质及几何性质之于光声成像的作用机理和特点，充分挖掘光声技术独具的深度剖面分析能力所带来的热波显微成像功能，全面探索光声多参数成像的条件、特性、规律与算法，用以开发可工业用的光声CT技术。其对于集成电路芯片、半导体材料、太阳能电池、特种纤维、飞机蒙皮、精密零部件、生物材料、功能梯度材料以及微/纳米复合薄膜等的无损检测、评价与探伤有重要意义。

本工作针对复合介质内部结构与缺陷光声探测成像的一些关键问题主要开展了多层复合介质热力全耦合光/热声模型、光声信号的特点规律及各层介质物性与几何特性对其的影响、光声探测材料中次表面微裂纹的可行性与有效性及用COMSOL多物理场耦合仿真软件进行光声成像的模拟探索；以及热声波产生与传播的通用理论、腔内聚焦及微尺度热声发射的声场特性及各影响因素作用的分析、热声发射的三维声场的计算、热声波在流体中产生及传播衰减的计算等研究。发现了多层复合介质高频光声效应中的奇异共振现象并通过研究揭示其是一种新型的流-固-热耦合双共振现象，并有望利用这一现象中奇异共振峰的演变可探测微/纳米复合薄膜界面变化的特性发展出一种类似于核磁共振的精细表征微/纳米薄膜结构的方法；建立了与测试条件相适应的多层复合介质光声效应模型，掌握了光声信号随探测频率、裂纹深度、裂纹宽度变化的规律并设计了一套次表面微裂纹光声测量方法和进行了模拟验证；得到了可分析诸因素影响的多层复合介质通用热声模型；通过建模研究掌握了球腔内热声波聚焦发射的声场分布特性、响应模式及其变化规律，发现了一种由腔内声波干涉引起的类驻波共振频率响应模式；得到了纳米点、线、面热声发射的公式，对单个与多个，任意形状与大小，任意频率的连续谐波与数字脉冲发射热声源的近、远场均能计算，并通过对碳纳米管的点、线、面的热声发射的特性及影响因素的分析，掌握了热声场的声压随频率、测量位置、测量角度等的变化规律，为测量声场的安排与强化积累了知识；给出了一种热声场近、远场新的分界方法及其主要特征, 即近场波动，远场衰减，并使热声的一些基本特性得以解释。上述研究廓清了对热声波产生与传播的认识，从而为光声探测成像的分析计算奠定了一些理论基础，其对于集成电路芯片、半导体材料、太阳能电池、特种纤维、飞机蒙皮、精密零部件、功能梯度材料及微/纳米复合薄膜等的无损检测、评价与探伤有重要意义。