CN104007089B - 一种散射光声探测方法及光声探测器 - Google Patents

Abstract

一种散射光声探测器，包括光源、样品室和声传感器。该样品室的四周侧壁的内壁涂覆有吸光材料层；光源设置在样品室底面一侧的外部照射样品室，该声传感器与样品室的侧壁连通。本发明可探测弱吸收强散射样品的散射光声信号，弥补了传递光声探测技术只针对强吸收样品的缺陷，具有结构简单紧凑、体积小、灵敏度高和使用方便等特点，可广泛应用于临床医疗诊断等领域，提供一种新的表征手段。

Description

一种散射光声探测方法及光声探测器

技术领域

本发明涉及一种光声探测技术，特别涉及一种针对弱吸收的样品的光声探测方法及其光声探测器。

背景技术

随着现代科学技术的发展，医学成像对各种疾病的诊断与治疗有着重要的意义。对生物组织进行成像是研究生物组织病变的重要手段。目前，被广泛运用到医学上的成像方法主要有：X射线成像、磁共振成像(magnetic reso—nance tomography，MRT)、超声成像等。在上述的这些成像技术中，都因辐射儿对人体造成一定的损伤。X射线又称伦琴射线，它具有穿透物质的本领，但对不同物质它的穿透本领不同，有破坏细胞作用。X射线成像是根据人体组织的密度和厚度的不同，使组织能在荧光屏或胶片上形成影像，因此有些组织病变无法判断，并且长期频繁使用x射线成像将有损于人们健康。MRT技术是利用人体组织中氢原子核在磁场中受到激励而发生核磁共振现象产生磁现象的一种成像技术。它具有辐射并且设备昂贵等特点。超声成像是一种对生物组织的无损检测，但是它的成像方法依赖与生物组织的声阻抗，由于有些肿瘤组织的声抗无明显的差异，这就限制超声成像技术的运用范围并却它的重组图像的对比度较低。

光声成像技术是近年来发展的一种无损检测医学成像技术，它结合了光学成像和超声成像的优点，正在逐步成为医学无损检测的一个新的研究方向。光声效应是医学光声成像研究的基础。用时变的光束照射吸收体时，吸收体因受热膨胀而产生超声波，这种现象称为光声效应，产生的超声波称为光声信号。在医学上，用段脉冲激光均匀照射在生物组织的表面，生物组织吸收光能转化为热能，而使组织局部升温，发生热弹性膨胀，产生超声信号，在利用合适的算法进行图像重组，便可得到生物组织的光声图像。由于光声成像是利用光能的吸收分布来反应组织内部的的结构，是一种非电离，非辐射的无损检测。其有效地结合了纯光学成像的高分辨率、高对比度和纯声学成像的高穿透深度的优点，可实现微米量级的成像精度及厘米量级的探测深度，具有完全非侵入性、无电离辐射、无损等突出特性，在生物医学上具有很广泛的应用前景，如：黑色素瘤的检测、微血管结构与功能成像、内窥镜技术、可视化基因表达成像、分子成像、大脑功能成像等医学成像检测领域。

请同时参阅图1和图2，其中，图1是传统的光声光谱探测系统的结构示意图，图2是目标样品光声探测时的工作示意图。光源产生短脉冲激光S1，通过光学元件扩束，形成强度调制光束后照射至待检测的目标样品，该目标样品作为吸收样品快速吸收光束能量，目标样品内的组织受热膨胀，产生声波S2，该声波S2将穿过组织向外传播，可被放置在样品周围的传声器S3探测到，光声信号通过传声器转换为电信号，该电信号再通过信号处理系统形成图像。可采用旋转扫描方式，或采用多元阵列探测器，就可以得到在激光照射下组织内不同区域的光声波压力强度分布。光声波压力的大小与组织对激光能量的吸收程度直接相关，光吸收越强，则该处的光声信号强度越高。因此，利用探测到的光声波分布收据，通过滤波反投影进行图像重建，就可以得到组织的光吸收分布图像。

但是，目前传统光声显微成像技术均是针对目标样品自身或标记物吸收所产生的光声信号的探测。然而，在微观生物细胞样品中，并非所有样品都对某一特定波长脉冲激光有热吸收，有许多生物细胞样品本身无法对脉冲激光吸收而产生光声波，从而无法通过光声成像技术探测这种类型样品的图像。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可对光弱吸收样品进行检测的光声探测器，实现对无标记弱吸收生物细胞样品光声显微成像。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种光声探测器，包括光源、样品室和声传感器；该样品室的四周侧壁的内壁涂覆有吸光材料层；光源设置在样品室底面一侧的外部照射样品室，该声传感器与样品室的侧壁连通。

进一步，还包括一对声波进行放大的耦合腔，该耦合腔的输入端与样品室的侧壁连通，输出端与声传感器连接。

进一步，还包括一导声通道，该导声通道的一端与样品室的侧壁连通，另一端与耦合腔的输入端连通。

进一步，所述吸光材料层为黑色氧化铁层。

进一步，所述声传感器为压电式声传感器，包括压电薄膜和外围电路，该压电薄膜设置在耦合腔的输出端以将声波信号转换为电压信号，该外围电路的输入端分别连接该压电薄膜的两极，并对其产生的电压信号进行放大和滤波。该压电薄膜为PVDF薄膜。

进一步，该外围电路包括依序串接的电荷放大器、带通滤波器、电压放大器以及低通滤波器。

相比于现有技术，本发明的光声探测器可探测弱吸收强散射样品的散射光声信号，弥补了传递光声探测技术只针对强吸收样品的缺陷；同时，可实现与通用激光扫描显微镜无缝对接，可探测样品任意点的散射光声信号，重建样品的散射光声显微图像，具有结构简单紧凑、体积小、灵敏度高和使用方便等特点，可广泛应用于临床医疗诊断等领域，提供一种新的表征手段。

同时，本发明还提供一种散射光声探测方法。其技术方案为：一种散射光声探测方法，使激光照射弱吸收的目标样品产生散射光，使散射光照射至吸光材料，该吸光材料吸收光子并产生相应的声波，再通过检测该声波获得目标样品的图像。

进一步，该吸光材料为黑色的氧化铁。

本发明的散射光声探测方法可探测弱吸收强散射样品的散射光声信号，弥补了传递光声探测技术只针对强吸收样品的缺陷。

附图说明

图1是传统的光声光谱探测系统的结构示意图。

图2是目标样品光声探测时的工作示意图。

图3是本发明的一种散射光声探测器的结构示意图。

图4是图2中的外围电路的电路图。

图5是采用现有技术对一样品(口腔上表皮细胞)的传统光声显微图。

图6是采用本发明的一种散射光声探测器对同一样品的散射光声显微图。

下面参见附图及具体实施例，对本发明作进一步说明。

具体实施方式

由于作为目标样品的弱吸收生物细胞样品无法对脉冲激光有足够的热吸收强度，因而无法产生足够强度的声波。为了使脉冲激光通过目标样品后能够产生声波，发明人在光路上增加具有高吸收系数的吸光材料来产生声波。经过反复的光路顺序调整后得到，在光路上依序放置光源、目标样品和高吸收系数的吸光材料，由光源产生的脉冲激光在通过目标样品后，原光路散射，再经由高吸收系数的材料后，产生了可探测的声波，并且该声波携带了该目标样品的结构信息。由此，提供了一种可探测弱光吸收样品的散射光声探测器。

请参阅图3，其是本发明的光声探测器的结构示意图。该光声探测器包括光源12、样品室14、导声通道16、耦合腔18和声传感器19，该样品室14的内壁涂覆有一高吸收系数的吸光材料层15。待检测的目标样品A设置在盖玻片13上，并被放置在样品室14底部中心处的窗口上，光源照射目标样品A后对其检测。该样品室14、导声通道16和耦合腔18依序连通，该声传感器19连接于该耦合腔18的一端，并与信号处理装置或图像处理装置(图未示)连接。该样品室14、导声通道16、耦合腔18和声传感器19设置在一基体箱内整合成一个整体。

具体地，该光源12为连续光源(400-2500nm)受斩波器调制后产生的脉冲光束，其经过显微物镜(图未示)形成聚焦光束。

该样品室14为封闭的腔室，其为对称结构。在本实施例中，该样品室14为圆柱体，其侧面的内壁涂覆高吸收系数的吸光材料层15，用以吸收光子产生声波。而在该样品室的上下底面不涂覆吸光材料层，以避免将未透过样品的弹道光吸收转换为声波。该吸光材料层的材料可以为：氧化铁、炭黑、松烟怠、石墨、苯胺黑、硫化苯胺黑等。在本实施例中，该吸光材料层15为黑色的氧化铁层，其厚度在0.05mm-0.3mm之间。

该导声通道16为极细的条形通道，其连通该样品腔14的侧壁和耦合腔18，采用非吸声的材料制成，使在样品腔14产生的声波沿导声通道16传导至耦合腔18。在本实施例中，该导声通道16为圆柱形通道，其孔径在0.2mm-0.5mm之间。需说明的是，该导声通道仅为传导声音的通道，不是本发明必要的结构。

该耦合腔18同样为封闭的腔室，采用非吸声的材料制成，在本实施例中，该耦合腔为圆柱形结构。该耦合腔18的体积与导声通道16的体积相匹配，根据亥姆赫兹共振原理，声波在该耦合腔18内经多次反射产生共振，使声波的振幅达到最大，从而可使声传感器19更加容易感测该声波信号。

该声传感器19包括压电薄膜192和外围电路194。该压电薄膜192在本实施例中为高灵敏度的PVDF(聚偏二氟乙烯)压电薄膜，用以感应声波。在本实施例中，该压电薄膜192与声波的振动方向垂直设置，可最大程度的感测声波。在本实施例中，该外围电路194包括电荷放大器1942、带通滤波器1944、电压放大器1946以及低通滤波器1948。该外围电路具有输入端I1、I2以及输出端O1、O2。其中，输入端I1、I2分别连接压电薄膜的两极，输出端01、02以连接外部的图像处理装置(图未示)。耦合腔18放大的声波使该压电薄膜192产生相应频率的振动，由于存在正向压电效应，该压电薄膜192将机械能转换为电信号，就产生与声波频率相同的电压。然后通过外围电路194滤波并将电压放大，最后通过图像处理装置显示图像。

具体地，请参阅图4，该电荷放大器1942包括运算放大器A1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1以及电容C2。所述运算放大器A1的正相输入端通过电阻R1与外围电路的输入端I1串接；所述运算放大器的反相输入端与该外围电路的输入端I2电连接；所述电阻R2的两端分别与运算放大器A1的正相输入端与反向输入端电连接；所述电容C1与该电阻R2并联；所述电阻R3的两端分别与运算放大器A1的正相输入端与输出端电连接；所述电容C2与该电阻43并联。运算放大器A1的输出端作为电荷放大器的输出端。电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器，利用电容作反馈元件的深度负反馈的高增益运放。压电式传感器本身内阻抗很高，输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。

该带通滤波器1944包括运算放大器A2、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C3以及电容C4。所述运算放大器A1的输出端依次通过电阻R4、电容C4与运算放大器A2的正相输入端串接；所述运算放大器A2的负相输入端与外围电路的输入端I2电连接；所述电阻R5两端分别与电阻R4与电容C4之间的电连接点以及外围电路的输入端I2电连接；所述电阻R6的两端分别与运算放大器A2的正相输入端以及输出端电连接；所述电容C4的两端分别与电阻R4与电容C4之间的电连接点以及运算放大器A2的输出端电连接。运算放大器A2的输出端作为带通滤波器的输出端。该带通滤波器用于过滤电信号中的中频段的信号。

该电压放大器1946包括运算放大器A3、电阻R7、电阻R8与电阻R9；运算放大器A2的输出端通过电阻R7与运算放大器A3的正相输入端串接；电阻R8的两端分别与运算放大器A3的负相输入端以及外围电路的负相输入端电连接；所述电阻R9的两端分别与运算放大器A3的正相输入端以及输出端电连接。所述运算放大器A3的输出端作为电压反大器的输出端。

该低通滤波器1948包括运算放大器A4、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13以及电容C5。运算放大器A3的输出端依次通过电阻R10以及电阻R12与运算放大器A4的正相输入端串接；电阻R11的两端分别与电阻R10和电阻R12之间的电连接点以及外围电路的输入端I2电连接；电阻R13的两端分别与运算放大器A4的负相输入端以及外围电路的输入端I2电连接；电阻R14的两端分别与运算放大器A4的正相输入端以及输出端电连接；电容C5与电阻R14并联。运算放大器A4的输出端作为低通滤波器的输出端，同时也为外围电路的输出端O1。该低通滤波器用于过滤电信号中的低频信号。

本发明的光声探测器对强弱光吸收的目标样品均可检测，其工作原理如下：

光源产生的冲光束经过显微物镜形成聚焦光束，然后透过盖玻片会聚在目标样品A的某一点上。

当目标样品A为强光吸收的样品时，光束被目标样品A吸收，目标样品A作为吸收样品快速吸收光束能量，目标样品A内的组织受热膨胀，产生声波。由于样品室14内壁上的吸光材料层15仅对光进行吸收，因此目标样品A产生的声波在样品室14中不会受到该吸光材料层15的影响。样品A产生的声波经过导声通道16后在耦合腔18内被放大，然后通过声传感器19转换为电信号。

当目标样品A为弱光吸收或不吸收光线时，光束通过目标样品A时被散射，从而光束改变了行径的方向。不同角度的散射光携带了该目标样品A的对应位置的结构信息。光束通过目标样品A时被散射后，打在样品室14的侧壁涂覆的吸光材料层15上，吸光材料层15吸收光子后转换成对应的声波；而光束未通过目标样品A的部分直射至样品室14的上底面，由于样品室14的底面未涂覆吸光材料，因此，光束未通过目标样品A的弹道光部分不会被转换成声波。样品A散射后，经吸光材料产生的声波经过导声通道16在耦合腔18内被放大，然后通过声传感器19转换为电信号。

声传感器19将声波信号转换为电信号，并经过电荷放大器、带通滤波器、电压放大器以及低通滤波器的电压放大与滤波作用，可与通用激光扫描显微镜进行无缝对接，可探测样品任意点的散射光声信号，重建样品的散射光声显微图像。

请参阅如图5与图6。其中，图5是采用现有技术对一样品(口腔上表皮细胞)的传统光声显微图，图6是采用本发明的光声探测器对同一样品的散射光声显微图。比较二图可知，图6中的散射光声显微图更清晰，具有更高的分辨率和对比度，成像的分辨率可达到约0.3μm。

相比于现有技术，本发明可探测弱吸收强散射样品的散射光声信号，弥补了传递光声探测技术只针对强吸收样品的缺陷；同时，可实现与通用激光扫描显微镜无缝对接，可探测样品任意点的散射光声信号，重建样品的散射光声显微图像，具有结构简单紧凑、体积小、灵敏度高和使用方便等特点，可广泛应用于临床医疗诊断等领域，提供一种新的表征手段。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种散射光声探测器，其特征在于：包括光源、样品室和声传感器；该样品室的四周侧壁的内壁涂覆有吸光材料层，而样品室上下底面的内壁不涂覆吸光材料层；光源设置在样品室底面一侧的外部照射样品室；所述声传感器为压电式声传感器，包括压电薄膜和外围电路，该声传感器与样品室的侧壁连通。

2.根据权利要求1所述的光声探测器，其特征在于：还包括一对声波进行放大的耦合腔，该耦合腔的输入端与样品室的侧壁连通，输出端与声传感器连接。

3.根据权利要求2所述的光声探测器，其特征在于：还包括一导声通道，该导声通道的一端与样品室的侧壁连通，另一端与耦合腔的输入端连通。

4.根据权利要求3所述的光声探测器，其特征在于：所述吸光材料层为黑色氧化铁层。

5.根据权利要求4所述的光声探测器，其特征在于：所述声传感器为压电式声传感器，包括压电薄膜和外围电路，该压电薄膜设置在耦合腔的输出端以将声波信号转换为电压信号，该外围电路的输入端分别连接该压电薄膜的两极，并对其产生的电压信号进行放大和滤波。

6.根据权利要求5所述的光声探测器，其特征在于：该压电薄膜为PVDF薄膜。

7.根据权利要求6所述的光声探测器，其特征在于：该外围电路包括依序串接的电荷放大器、带通滤波器、电压放大器以及低通滤波器。

8.一种基于权利要求1所述的散射光声探测器的散射光声探测方法，其特征在于：使激光照射弱吸收的目标样品产生散射光，使携带了该弱吸收样品对应位置的结构信息的散射光照射至样品室四周侧壁的吸光材料层，该吸光材料层吸收光子并产生相应的声波，再通过声传感器检测该声波获得目标样品的图像。

9.根据权利要求8所述的散射光声探测方法，其特征在于：该吸光材料层为黑色的氧化铁。