CN105662339A - 一种暗场照明声学分辨率光声显微装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种暗场照明声学分辨率光声显微装置，属于医学成像技术领域。所述装置的光声耦合模块用于将光源及传输模块输出的脉冲激光会聚，控制模块用于将光源及传输模块输出的电脉冲作为同步信号控制三维位移模块，以驱动光声耦合模块通过输出脉冲激光对成像目标进行二维栅格扫描，重建模块用于根据超声信号收发模块采集的光声信号重建成像目标的三维图像。本发明通过光声耦合模块提高脉冲激光的光聚焦度，以提高入射到组织表面的脉冲光能量密度，从而降低了对单脉冲能量的要求，进而提高了灵活性及降低成本，并且对单脉冲能量要求的减小也能够增加激光脉冲的输出频率，以使成像速度增加。

Description

一种暗场照明声学分辨率光声显微装置

技术领域

本发明涉及一种暗场照明声学分辨率光声显微装置，属于医学成像技术领域。

背景技术

声学分辨率光声显微镜是光声成像技术应用的一个重要分支。通过其获得的图像能够在取得超声成像深度和分辨率的同时，还拥有极好的光学吸收对比度。声学分辨率光声显微镜的原理是利用超短脉冲激光照射组织中的内源或外源吸收体在吸收光能时产生热弹效应，从而激发出超声波，即光声信号。检测一个激光脉冲激发出的光声信号，通过分辨光声信号之间的时间间隔，可以得到图像的深度信息，再进行二维栅格扫描即可得到三维图像信息。超短脉冲激光的脉宽需要满足压力弛豫和热弛豫两个时间限制，即在光声信号产生时吸收体内的压力和温度还来不及向外传播。

声学分辨率光声显微镜为了消除目标表面强光声信号对目标深层光声信号的遮掩，通常选用暗场照明方式，即暗场照明声学分辨率光声显微镜。暗场照明是指光照射在目标表面是一个圆环，而不是一个圆斑。现有的暗场照明声学分辨率光声显微镜主要包括两种方式：一种方式是将光纤出射光经锥透镜后形成发散环形光束，然后由一个去顶的锥状反射镜将环形光束聚焦在目标上；另一种方式是将空间自由光经锥透镜后出射环形光，然后由一个去顶的锥状聚光镜对环形光聚焦，聚光镜中心钻孔放置超声换能器。

但是，现有的两种暗场照明声学分辨率光声显微镜在系统的灵活性与可用能量之间存在不可避免的矛盾。使用光纤传光可以提高系统的灵活度，但由于光纤承受能量有限导致系统可用的激光能量受限。而通常所用的大功率纳秒脉冲激光器价格昂贵，选择光纤传光无法发挥出其全部性能，造成了不必要的浪费。若不使用光纤，选择自由空间传光时，虽然可以发挥出大功率纳秒脉冲激光器的全部性能，但将会导致系统的灵活性下降。另外，由于大功率的纳秒脉冲激光器通常重复频率较低(一般为10-20Hz)，限制了系统的成像速度，虽然选择小功率的纳秒脉冲激光器可以提高重复频率，进而提高成像速度，但是通过现有的小功率纳秒脉冲激光器无法在组织表面获得足够强的光能密度。

发明内容

本发明为解决现有的暗场照明声学分辨率光声显微技术存在的光聚焦度较低，从而无法同时满足较大光能密度要求的问题，进而提出了一种暗场照明声学分辨率光声显微装置，具体包括如下的技术方案：

一种暗场照明声学分辨率光声显微装置，包括：光源及传输模块、光声耦合模块、超声信号收发模块、控制模块、三维位移模块和重建模块；所述光声耦合模块用于将所述光源及传输模块输出的脉冲激光会聚，所述控制模块用于将所述光源及传输模块输出的电脉冲作为同步信号控制所述三维位移模块，以驱动所述光声耦合模块通过输出脉冲激光对成像目标进行二维栅格扫描，所述重建模块用于根据所述超声信号收发模块采集的光声信号重建所述成像目标的三维图像。

本发明的有益效果是：通过光声耦合模块提高脉冲激光的光聚焦度，以提高入射到组织表面的脉冲光能量密度，因此可采用低功率、低成本的纳秒脉冲激光器，并采用光纤传输光路的方式，从而降低了对单脉冲能量的要求，进而提高了灵活性，并且对单脉冲能量要求的减小也能够增加激光脉冲的输出频率，以使成像速度增加。

附图说明

图1是以示例的方式示出了暗场照明声学分辨率光声显微装置的结构图。

图2是以示例的方式示出了光源及传输模块的结构图。

图3是以示例的方式示出了重建模块的结构图。

图4是以示例的方式示出了光声耦合模块的结构图。

图5是实施例一提出的暗场照明声学分辨率光声显微装置的结构图。

图6是实施例一提出的有无会聚元件的光斑半径对比结果图，其中的曲线a表示有会聚元件的光斑半径，曲线b表示无会聚元件的光斑半径。

图7是实施例一提出的有无会聚元件的沿深度方向光能密度对比结果图，其中的曲线c表示有无会聚元件情况下沿深度方向的光能密度的比值，曲线d表示有会聚元件情况下沿深度方向的光能密度，曲线e表示无会聚元件情况下沿深度方向的光能密度。

具体实施方式

在本领域的现有技术中，为了使暗场照明声学分辨率光声显微镜获得较大的成像深度和移动的灵活性，通常选用大功率的纳秒脉冲激光器和光纤传输光，但由于光纤传输所能传输的能量较少，导致可用的激光能量受限，因而无法发挥出大功率的纳秒脉冲激光器的全部性能。若不采用光纤而选择自由空间传输光时，虽然可以发挥出大功率的纳秒脉冲激光器的全部性能，但是系统的灵活性下降。因此脉冲光能量密度与灵活性之间的矛盾导致了现有的暗场照明声学分辨率光声显微镜的性能提升遇到了瓶颈。而导致该瓶颈的关键在于使用较小功率的纳秒脉冲激光器时无法在组织表面获得足够强的光能密度，即现有暗场照明声学分辨率光声显微镜对光的聚焦度不够，因此本发明提出的技术方案通过能提高光聚焦度，从而在选择采用光纤传输脉冲激光的情况下，达到与自由空间传输脉冲激光相同的光能密度，进而在组织表面获得能够满足成像要求的光能密度。

本实施例提出了一种暗场照明声学分辨率光声显微装置，结合图1所示，包括：光源及传输模块1、光声耦合模块2、超声信号收发模块3、控制模块4、三维位移模块5和重建模块6；光声耦合模块2用于将光源及传输模块1输出的脉冲激光会聚，控制模块4用于将光源及传输模块1输出的电脉冲作为同步信号控制三维位移模块5，以驱动光声耦合模块2通过输出脉冲激光对成像目标进行二维栅格扫描，重建模块6用于根据超声信号收发模块3采集的光声信号重建成像目标的三维图像。

在本发明一可选实施例中，结合图2所示，光源及传输模块1可以包括激光光源11、整形光路12和光纤13，激光光源11输出的脉冲激光由整形光路12整形后通过光纤13输出至光声耦合模块2。

其中，激光光源11可采用可调谐脉冲激光器，用于提供脉冲激光，同时还输出用于同步控制模块4的电脉冲。

在本发明一可选实施例中，整形光路12包括准直元件、扩束元件和聚焦元件；该准直元件可用于对该脉冲激光进行准直处理，该扩束元件可用于对该脉冲激光进行扩束处理，该聚焦元件可用于对该脉冲激光进行聚焦处理。

在本发明一可选实施例中，超声信号收发模块3包括超声换能元件31，该超声换能元件31用于将采集的光声信号转换成电信号并发送给重建模块6。

其中，该超声换能元件31可设置在光声耦合模块2的末端，当脉冲激光入射到组织表面并进入组织时，会激发出光声信号，此时该超声换能元件31可接收该光声信号，并将该光声信号转换为电信号。

可选的，超声换能元件31用于在所述成像目标的组织内部预定深度的光能量密度达到最大值的位置采集光声信号。由于超声换能器不仅可用于接收整个组织内的光声信号，还可用于对达到特定光能密度值的位置的光声信号进行采集。而对于光能量密度达到最大值的位置进行采集是为了让感兴趣的位置信噪比高于其它位置，从而获得较好的成像效果。

在本发明一可选实施例中，结合图3所示，重建模块6包括滤波子模块61、信号变换子模块62和三维重建子模块63，滤波子模块61用于对电信号进行滤波处理，信号变换子模块62用于对电信号进行预定信号变换，三维重建子模块63用于根据电信号生成成像目标的三维图像及横截面图像。

其中，重建模块6可利用图像处理软件对接收的电信号进行滤波、希尔伯特变换等处理后，通过三维重建获得成像目标的三维图像以及横截面图像。

在本发明一可选实施例中，结合图3所示，重建模块6还包括用于采集超声换能元件31发送的电信号的数据采集卡64。

在本发明一可选实施例中，结合图4所示，光声耦合模块2包括会聚元件21，该会聚元件21用于将脉冲激光会聚至预定范围，并且该会聚元件21可采用平凸透镜、双凸透镜或正透镜组。

其中，光声耦合模块2可通过会聚元件21提高光聚焦度，从而增强入射到组织表面的脉冲光能量密度，不仅充分利用了脉冲激光能量，而且有效的提高成像信噪比。

在本发明一可选实施例中，结合图4所示，光声耦合模块2还包括准直透镜22、锥透镜23和聚光镜24；准直透镜22用于对光进行准直处理，锥透镜23用于对光进行环形发散处理，聚光镜24用于对光进行聚光处理。

采用本具体实施方式提出的技术方案，通过光声耦合模块提高脉冲激光的光聚焦度，以提高入射到组织表面的脉冲光能量密度，因此可采用低功率、低成本的纳秒脉冲激光器，并采用光纤传输光路的方式，从而降低了对单脉冲能量的要求，进而提高了灵活性，并且对单脉冲能量要求的减小也能够增加激光脉冲的输出频率，以使成像速度增加。

下面通过具体的实施例对本发明提供的暗场照明声学分辨率光声显微装置进行详细说明。

实施例一

本实施例提出的暗场照明声学分辨率光声显微装置，结合图4和图5所示，包括：光源及传输模块1、光声耦合模块2、超声信号收发模块3、控制模块4、三维位移模块5和重建模块6；光源及传输模块1包括激光光源11、整形光路12和光纤13，激光光源11输出的脉冲激光由整形光路12整形后通过光纤13输出至光声耦合模块2；超声信号收发模块3包括超声还能元件31；光声耦合模块2用于将光源及传输模块1输出的脉冲激光会聚，控制模块4用于将光源及传输模块1输出的电脉冲作为同步信号控制三维位移模块5，以驱动光声耦合模块2通过输出脉冲激光对成像目标进行二维栅格扫描，重建模块6包括滤波子模块61、信号变换子模块62、三维重建子模块63和数据采集卡64，数据采集卡64用于采集超声换能元件31发送的电信号，滤波子模块61用于对该电信号进行滤波处理，信号变换子模块62用于对该电信号进行预定信号变换，三维重建子模块63用于根据该电信号生成成像目标的三维图像及横截面图像。

本实施例提出的暗场照明声学分辨率光声显微装置的工作过程包括：

(1)激光光源11输出脉冲激光，该脉冲激光经整形光路12进行准直、扩束及聚焦处理后进入光纤13，光纤13输出的脉冲激光进入光声耦合模块2，光声耦合模块2将该脉冲激光会聚输出至成像目标的组织表面，该脉冲激光进入组织后激发产生光声信号，设置在光声耦合模块2末端的超声换能元件31接收该光声信号，并将该光声信号转换为电信号。

(2)控制模块4根据激光光源11输出的电脉冲控制三维位移模块5，以驱动光声耦合模块2对成像目标的组织表面进行二维栅格扫描，从而获得建立三维图像所需要的数据。

(3)在光声耦合模块2对成像目标的组织表面进行二维栅格扫描的过程中，每个经过扫描的组织表面均生成光声信号，而超声换能元件31则实时将采集的光声信号转换为电信号并发送给重建模块6，重建模块6中的数据采集卡64对该电信号进行实时采集。

(4)重建模块6中的滤波子模块61首先对该电信号进行滤波处理，然后由信号变换子模块62对该电信号进行希尔伯特变换，最后由三维重建子模块63根据该电信号进行三维图像重建，以获得成像目标的三维图像以及横截面图像。

(5)其中，光声耦合模块2中的会聚元件21能够提高光聚焦度，从而增强入射到组织表面的脉冲激光的能量密度，充分利用了光能量，有效的提高成像信噪比。

结合图6至图7所示，为了说明本实施例提供的暗场照明声学分辨率光声显微装置的可行性，可通过蒙特卡罗模拟进行验证。

设组织样本的光学参数为：折射率n＝1.33，吸收系数μ_a＝0.1cm^-1，散射系数μ_s＝100cm^-1，各向异性因子g＝0.9，以上取值均为生物组织的典型值。通过蒙特卡罗模拟获得的结果可知，在距离组织表面1.5mm的横截面上，具有会聚元件的照明方式，光斑半径是4.375mm；无会聚元件的照明方式，光斑半径是14.375mm。根据图6所示，在有无会聚元件的照明方式下所对应光斑的半高宽分别是：有会聚元件为3.125mm，无汇聚元件是5mm。根据图7所示，在组织样本中，光能量密度分布在沿深度方向先小幅增加，在1.25mm深之后一直逐渐减小。这主要是因为：在距离组织表面为1.25mm时已经基本接近光在生物组织内传输的一个平均透射自由程，当超过该距离后，光的传输可以被认为已经失去初始方向性，也就失去了原始的聚焦性，而是由组织的吸收和散射特性决定能量的分布情况。

对于光声成像而言，在满足压力弛豫和热弛豫的条件下，样本受到脉冲光激发所产生的初始声压可以表示为：

p₀＝Γη_thμ_aF

$\mathrm{\Γ}={\mathrm{\βv}}_s^2/C_p$

其中，p₀表示初始声压；Γ表示Grueneisen系数；η_th表示热转换效率；μ_a表示光吸收系数；F表示光能量密度；β表示体积热扩散系数(肌肉约为4×10^-4K^-1)，v_s表示声速(水中约为1480m/s)，C_p表示常压下的热容；在其它条件不变的情况下，p₀与F成正比关系。在光声显微成像系统中，所采用的聚焦型超声换能器在聚焦区范围内，各深度横截面直径都在1mm以内，因此可只分析沿深度方向中心1mm*1mm范围内的光能量密度。由图7可知，从光束焦平面向下5mm的到深入范围内，有会聚元件方案的F均大于无会聚元件的方案，二者的比值约在4～6的范围内，因此有会聚元件方案所产生的p₀也增长4～6倍，相应探测到的PA(Photoacoustic，光声)信号强度也增长4～6倍。

由于脉冲激光进入生物组织后发生会聚，在组织内部特定深度存在F的最大值。移动超声换能元件的位置，使声聚焦区域与这一最大F值重合，就可以得到最大信噪比的信号，从而显著提升图像质量。

采用本具体实施方式提出的技术方案，通过光声耦合模块提高脉冲激光的光聚焦度，以提高入射到组织表面的脉冲光能量密度，因此可采用低功率、低成本的纳秒脉冲激光器，并采用光纤传输光路的方式，从而降低了对单脉冲能量的要求，进而提高了灵活性，并且对单脉冲能量要求的减小也能够增加激光脉冲的输出频率，以使成像速度增加。

本具体实施方式是对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，其中的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有经过创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施方式都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种暗场照明声学分辨率光声显微装置，其特征在于，包括：光源及传输模块、光声耦合模块、超声信号收发模块、控制模块、三维位移模块和重建模块；所述光声耦合模块用于将所述光源及传输模块输出的脉冲激光会聚，所述控制模块用于将所述光源及传输模块输出的电脉冲作为同步信号控制所述三维位移模块，以驱动所述光声耦合模块通过输出脉冲激光对成像目标进行二维栅格扫描，所述重建模块用于根据所述超声信号收发模块采集的光声信号重建所述成像目标的三维图像。

2.如权利要求1所述的暗场照明声学分辨率光声显微装置，其特征在于，所述光源及传输模块包括激光光源、整形光路和光纤，所述激光光源输出的脉冲激光由所述整形光路整形后通过所述光纤输出至所述光声耦合模块，所述激光光源还向所述控制模块输出电脉冲作为同步信号。

3.如权利要求2所述的暗场照明声学分辨率光声显微装置，其特征在于，所述整形光路包括：准直元件、扩束元件和聚焦元件；所述准直元件用于对所述脉冲激光进行准直处理，所述扩束元件用于对所述脉冲激光进行扩束处理，所述聚焦元件用于对所述脉冲激光进行聚焦处理。

4.如权利要求1所述的暗场照明声学分辨率光声显微装置，其特征在于，所述超声信号收发模块包括超声换能元件，所述超声换能元件用于将采集的光声信号转换成电信号并发送给所述重建模块。

5.如权利要求4所述的暗场照明声学分辨率光声显微装置，其特征在于，所述超声换能元件在所述成像目标的组织内部预定深度的光能量密度达到最大值的位置采集的光声信号强度最大。

6.如权利要求4所述的暗场照明声学分辨率光声显微装置，其特征在于，所述重建模块包括滤波子模块、信号变换子模块和三维重建子模块，所述滤波子模块用于对所述电信号进行滤波处理，所述信号变换子模块用于对所述电信号进行预定信号变换，所述三维重建子模块用于根据所述电信号生成所述成像目标的三维图像及横截面图像。

7.如权利要求4所述的暗场照明声学分辨率光声显微装置，其特征在于，所述重建模块还包括用于采集超声换能元件发送的电信号的数据采集卡。

8.如权利要求1所述的暗场照明声学分辨率光声显微装置，其特征在于，所述光声耦合模块包括会聚元件，所述会聚元件用于将所述脉冲激光会聚至预定范围。

9.如权利要求8所述的暗场照明声学分辨率光声显微装置，其特征在于，所述会聚元件包括平凸透镜、双凸透镜或正透镜组。

10.如权利要求8所述的暗场照明声学分辨率光声显微装置，其特征在于，所述光声耦合模块还包括准直透镜、锥透镜和聚光镜；所述准直透镜用于对所述脉冲激光进行准直处理，所述锥透镜用于对所述脉冲激光进行环形发散处理，所述聚光镜用于对所述脉冲激光进行聚光处理。