CN106983492A - 一种光声成像*** - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种光声成像***，包括探测激光器、激发激光器、光路***、水容器、金属膜和成像处理装置，其中，所述探测激光器用于产生探测激光；所述激发激光器用于产生激发激光；所述水容器内装有用来传输光声波的水，所述水在光声波作用下折射率改变；所述金属膜用于接收所述探测激光的入射，且所述探测激光在所述金属膜上表面产生表面等离子体共振，以获得反射后的探测激光；所述成像处理装置用于根据反射后的所述探测激光对样本进行成像；所述光路***用于探测激光器、金属膜、成像处理装置之间的所述探测激光的传输，且所述光路***还用于所述激发激光器与样本之间的所述激发激光的传输。采用本发明，具有成像分辨率较高的优点。

Description

一种光声成像***

技术领域

本发明涉及成像领域，尤其涉及一种光声成像***。

背景技术

基于光声效应的光声成像技术是一门蓬勃发展的生物医学成像技术，它有机结合了光学激发和声学探测两种物理手段，通过探测色素等物质吸收短脉冲激光后，因瞬时热弹性效应产生的宽带超声波(即光声波)，实现组织光学吸收特性的特异性观测。早期的光声断层成像技术具备200μm空间分辨率，其后的暗场照明型光声成像技术不仅提升了横向分辨率至50μm，而且明显改善了图像质量，成功观测到皮下(>3.0mm)黑色素肿瘤和血管网络的三维结构。光学分辨率的光声成像***达到微米级横向分辨率，清晰成像了包括毛细血管甚至红血球细胞的微循环结构。近年来，光声成像实现了亚波长分辨能力(甚至突破了光学衍射极限)，同时大幅提高了图像采集速率，能够从亚细胞尺度上揭示重要的形态、功能和动态信息。现有的光声显微成像技术，不管是光学分辨率或声学分辨率的点扫描技术，还是PACT(passive clarity technique，被动透明技术)的面扫描技术，都是基于压电陶瓷超声换能器的。

尽管光声成像取得了长足的发展，然而绝大多数光声成像***采用压电陶瓷超声换能器探测光声波。受压电材料本身属性的制约，压电陶瓷超声换能器普遍存在探测带宽窄(约40～60MHz)和灵敏度低(噪音等效声压：几百帕～上千帕)的缺点。压电陶瓷超声换能器带宽限制了光声成像的纵向分辨率，不仅影响深度定位的精准度，而且使三维图像严重失真。同时，有限的声探测带宽导致光声谱信息的损失，而且会引起饱和效应，从而无法准确反映物质的光学吸收特性。压电陶瓷超声换能器的探测灵敏度严重影响信噪比，降低了光声图像质量。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种光声成像***，成像分辨率较高。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种光声成像***，包括探测激光器、激发激光器、光路***、水容器、金属膜和成像处理装置，其中，

所述探测激光器用于产生探测激光；

所述激发激光器用于产生激发激光；

所述水容器内装有用来传输光声波的水，所述水在光声波作用下折射率改变；

所述金属膜用于接收所述探测激光的入射，且所述探测激光在所述金属膜上表面产生表面等离子体共振，以获得反射后的探测激光；

所述成像处理装置用于根据反射后的所述探测激光对样本进行成像；

所述光路***用于所述探测激光器、所述金属膜、所述成像处理装置之间的所述探测激光的传输，且所述光路***还用于所述激发激光器与样本之间的所述激发激光的传输。

在本发明一实施例中，所述金属膜位于所述水容器的底边上表面并与所述水容器中的水相接触。

在本发明一实施例中，所述水容器设有通孔，所述通孔处设有石英片，所述金属膜位于所述石英片上，所述探测激光和所述激发激光穿过所述石英片。

在本发明一实施例中，所述金属膜为金膜或者银膜。

在本发明一实施例中，所述光路***包括油浸物镜，所述油浸物镜位于所述金属膜远离水的一侧，所述油浸物镜用于将所述激发激光聚焦在样本上且用于将所述探测激光聚焦在所述金属膜上。

在本发明一实施例中，所述光路***包括探测入射光子***，所述探测入射光子***用于所述探测激光器和所述金属膜之间的所述探测激光的传输，所述第一探测入射光子***包括偏振调制子***和第一扩束子***，所述偏振调制子***用于将所述探测激光调制为径向和角向混合偏振激光，所述第一扩束子***用于将径向和角向混合偏振激光进行扩束。

在本发明一实施例中，所述光路***包括激发入射光子***，所述激发入射光子***用于所述激发激光器与样本之间的所述激发激光的传输，所述激发入射光子***包括第二扩束子***，所述第二扩束子***用于将所述激发激光进行扩束。

在本发明一实施例中，所述光路***还包括探测反射光子***，所述探测反射光子***用于所述金属膜和所述成像处理装置之间的反射后的所述探测激光的传输，所述探测反射光子***包括旋涡波片，所述旋涡波片用于对反射后的所述探测激光进行调整，调整后的所述探测激光包括P偏振光和S偏振光的混合光束，所述混合光束被传输到所述成像处理装置。

在本发明一实施例中，所述探测反射光子***还包括偏振分光子***，所述偏振分光子***将P偏振光和S偏振光混合光束分开并分别将P偏振光和S偏振光传输给所述成像处理装置。

在本发明一实施例中，所述成像处理装置包括光电平衡探测器，所述光电平衡探测器用于将反射后的所述探测激光信号转换为电信号。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

由于光声成像***包括探测激光器、激发激光器、水容器和金属膜，所述水由于样本发出的光声波被改变折射率，所述金属膜用于接收探测激光的入射，且所述探测激光在所述金属膜上表面产生表面等离子体共振，以获得反射后的探测激光，此时反射后的探测激光被所述成像处理装置接收以用于成像。从而，通过表面等离子体共振技术可以探测微弱的光声波，具有探测带宽大，波信号检测灵敏度高的特点，从而可以获得更高的纵向分辨率，可实现生物组织微观形态结构的高质量成像。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例的光声成像***的原理示意图；

图2是本发明另一实施例的分光子***的原理示意图；

图示标号：

1-探测激光器；2-偏振片；3-1/4波片；4-涡旋位相片；5-第一透镜扩束***；6-第一光阑；7-二向色镜；8-第一反射镜；9-第一分光镜；10-偏振分光镜；11-带通滤光片；12-光电平衡探测器；13-油浸物镜；14-石英片；15-水；16-金属膜；17-样本；18-涡旋波片；19-激发激光器；20-电脑；21-第二透镜扩束***；22-透镜；23-第二光阑；24-第二反射镜；25-水容器；31-第二分光镜；32-第三反射镜；33-1/2波片；34-角相分析器；L1(单实线)-探测激光；L2(双实线)-激发激光；L3(双虚线)-反射后的探测激光。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种光声成像***，所述光声成像***用于对样本17成像，所述样本17例如为生物组织等，所述生物组织例如为血管、大脑等。请参见图1，所述光声成像***包括探测激光器1、激发激光器19、光路***、水容器25、金属膜16和成像处理装置。

所述探测激光器1用于产生探测激光L1，在本实施例中，所述探测激光器1例如是波长为633nm的氦氖激光器，该种探测激光器1功率稳定，成本较低，当然，在本发明的其他实施例中，所述探测激光器还可以是其他波长的激光器；所述探测激光L1用于后面激发金属膜表面的等离子体共振。

所述激发激光器19用于产生激发激光L2，在本实施例中，所述激发激光器19例如是波长为532nm的纳秒脉冲激光器，该种激发激光器19聚焦光斑小，稳定性好，当然，在本发明的其他实施例中，所述激发激光器还可以是其他波长的激光器。所述激发激光L2照射在样本17上，因瞬时热弹性效应产生的光声波，实现样本17光学吸收特性的特异性观测。

所述水容器25内装有用来传输光声波的水15，所述水容器25例如为方形的水容器25，所述水15的上方放置所述样本17，所述水15用来做光声耦合剂，当所述样本17被激发激光照射而产生光声波时，所述光声波在水中传播，引起水15的密度发生变化，从而使水的折射率发生变化。

所述金属膜16用于接收探测激光L1的入射，通过调整所述探测激光L1的入射角为共振角时，所述探测激光L1在所述金属膜16上表面产生表面等离子体共振，金属膜表面等离子体共振对水的折射率敏感，水的折射率影响等离子体对与P偏振光的耦合，从而使出射的P偏振光发生变化，S偏振光变化很小，一般作为参考。P偏振光与S偏振光混合在一起得到的混合光束，也即为反射后的探测激光L3，此时，根据反射后的探测激光L3的能量变化可以知道光声波的变化。在本实施例中，所述探测激光入射金属膜16的角度例如为50°-70°，此角度即为激发角度，也为共振角。激发激光照射到金属膜16上，由于激发激光的入射角度通过调整不满足表面等离子体共振入射角的条件，不会激发金膜产生等离子共振，因此激发***对探测***没有影响。

所述成像处理装置用于根据反射后的探测激光对样本17进行成像，从而获得高质量的图像。所述成像处理装置包括光电平衡探测器12和电脑20，在本实施例中所述光电平衡探测器12为双通道差分探测器，电脑20与所述光电平衡探测器12相连接，所述光电平衡探测器12用于将反射后的探测激光信号转换为电信号，所述电脑20对电信号进行处理以获得图像。

所述光路***用于探测激光器1、金属膜16、成像处理装置之间的探测激光的传输，且所述光路***还用于激发激光器19与样本17之间的激发激光L2的传输。所述光路***包括一些透镜、分光镜、偏振片等，用于对探测激光和激发激光聚焦、整形、调制、扩束等，后面进一步详述。

在本实施例中，由于光声成像***包括探测激光器1、激发激光器19、水容器25和金属膜16，所述水15由于样本17发出的光声波被改变折射率，所述金属膜16用于接收探测激光的入射，且所述探测激光在所述金属膜16上表面产生表面等离子体共振，以获得反射后的探测激光，此时反射后的探测激光被所述成像处理装置接收以用于成像。本实施例中通过表面等离子体共振技术可以探测微弱的光声波，探测的带宽可以达到0～500mhz，甚至达到Ghz(吉赫兹)以上，从而具有探测带宽大，光声波检测灵敏度高达几十帕(也即10^-7RIU级别以上)，从几十帕到几兆帕具有线性振幅响应，从而实现高灵敏度探测，从而可以获得更高的纵向分辨率，例如达到微米级，从而可实现生物组织微观形态结构的高质量成像。

在本实施例中，所述水容器25为水槽，所述水槽中有放置所述样本17，所述样本17位于水15的上方，所述金属膜16位于所述水容器25的底边上表面并与水容器25中的水15相接触。具体而言，在本实施例中，所述水容器25底壁设有通孔，所述通孔处设有石英片14以挡住所述通孔以防止水槽中的水15漏出，所述石英片14比较薄，所述金属膜16位于所述石英片14上，在此处所述石英片14作为金属膜16的载体，所述探测激光L1和所述激发激光L2进入通孔并穿过所述石英片14。在本实施例中，所述样本17位于金属膜16的上方，所述探测激光L1从石英片14透过后入射到金属膜16上，所述激发激光L2从石英片14透过后穿过水15照射到样本17上。

在本实施例中，激发等离子共振的金属膜16可以为金膜，还可以是其他金属膜16，如银膜等，当然，不同的金属膜16，对应的共振角度也不一样，也即激发角度也不一样。

在本实施例中，所述光路***包括探测入射光子***，所述探测入射光子***用于探测激光器1和金属膜16之间的探测激光L1的传输，所述探测入射光子***包括偏振调制子***和第一扩束子***，所述偏振调制子***用于将探测激光L1调整为径向和角向混合偏振激光，所述第一扩束子***用于将径向和角向混合偏振激光进行扩束。具体而言，所述偏振调制子***包括偏振片2、1/4波片3和涡旋位相片4，所述偏振片2与1/4波片3共同作用将探测激光调成圆偏振光，所述涡旋位相片4将圆偏振光调制为径向、角向混合偏振光，混合比例例如为1:1，当然混合比例并不局限为1:1，例如还可以为2:1、1:2等，通过调节圆偏振光的圆偏振度来调节，以信号的灵敏度最高为准。所述第一扩束子***为第一透镜扩束***5，所述第一透镜扩束***5包括两个不同焦距的透镜，所述两个不同焦距的透镜组成4f***，以将径向、角向混合偏振光进行扩束。所述探测入射光子***还包括第一光阑6，所述第一光阑6用于对扩束的探测激光L1进行整形。

所述光路***还包括激发入射光子***，所述激发入射光子***用于激发激光器19与样本17之间的激发激光L2的传输，所述激发入射光子***包括第二扩束子***、第二光阑23、第一反射镜8和第三扩束子***，所述第二扩束子***和第三扩束子***用于将激发激光L2进行扩束，所述第二扩束子***为第二透镜扩束***21，所述第二透镜扩束***21包括两个不同焦距的透镜，所述两个不同焦距的透镜组成4f***，以将激发激光器19发出的激发激光进行扩束，经过扩束的激发激光通过第二光阑23进行整形，通过第一反射镜8改变激发激光的传输方向，所述第三扩束子***为透镜22，所述透镜22为透镜，通过透镜22与油浸物镜组合成一个新物镜，使新物镜的焦点位于激发金膜上方的样品上。

在本实施例中，所述光路***还包括二向色镜7、第一分光镜9和油浸物镜13，所述二向色镜7、第一分光镜9和油浸物镜13是所述激发入射光子***和所述探测入射光子***共有的，所述二向色镜7将整形后的探测激光反射向所述第一分光镜9，所述二向色镜7还可以使激发激光透射通过，透射后的激发激光也朝向所述第一分光镜9。在本实施例中，所述激发激光和所述探测激光透射过所述第一分光镜9后朝向所述油浸物镜13传输。所述油浸物镜13为NA＝1.49的油浸物镜，所述油浸物镜13位于金属膜16远离水15的一侧，也即在图1中所述油浸物镜13位于金属膜16的下方，所述油浸物镜13用于将激发激光聚焦在样本17上且用于将探测激光聚焦在金属膜16上。

在本实施例中，所述光路***还包括探测反射光子***，所述探测反射光子***用于金属膜16和成像处理装置之间的反射后的探测激光L3的传输，所述探测反射光子***包括所述第一分光镜9和涡旋波片18，所述第一分光镜9用于将反射后的探测激光L3反射向图示中的右边方向，也即所述涡旋波片18所在的方向，所述涡旋波片18用于对反射后的探测激光L3进行调整，在本实施例中调整后的探测激光L3包括P偏振光和S偏振光，也即为混合光束，所述P偏振光和S偏振光被传输到成像处理装置。

所述探测反射光子***还包括偏振分光子***，所述偏振分光子***包括偏振分光镜10和第二反射镜24，所述偏振分光镜10用于将探测激光的P偏振光和S偏振光分开，例如，所述P偏振光透过所述偏振分光镜10，所述S偏振光通过偏振分光镜10反射，经过反射的所述S偏振光经过第二反射镜24反射以使S偏振光和P偏振光的方向一致，例如平行；或者相反，也即所述P偏振光反射，所述S偏振光透射。在本实施例中，所述探测反射光子***还包括两个中心波长为633nm的带通滤光片11和两个透镜，所述带通滤光片11用于过滤掉波长为532nm的激发激光，两个所述带通滤光片11位于分离后P偏振光和S偏振光传输路径上，所述P偏振光和所述S偏振光分别经过所述两个透镜聚焦后被所述光电平衡探测器12接收。另外，在本发明的其他实施例中，调整后的探测激光还可以仅包括P偏振光，由于表面等离子体共振对P偏振光敏感，而对S偏振光不敏感，此时，偏振分光镜、反射镜可以去除，所述带通滤光片也可以只需要一个。另外，在本发明的其他实施例中，请参见图2，所述偏振分光子***还可以包括第二分光镜31、第三反射镜32、两个1/2波片33、两个角相分析器34，所述第二分光镜31用于将所述探测激光分成两束1:1的激光，然后其中一束探测激光通过第三反射镜32反射以将两束探测激光的行进方向一致，其中一束激光经过角向分析器34滤掉径向部分，留下角向部分，另外一束激光经过两个1/2波片33把探测激光的径向部分变成角向部分，角向部分变成径向部分，再经过角向分析器34过滤掉径向部分，留下角向部分，相当于是没有转化前的径向部分。从而将径向偏振光和角向偏振光分别提供给光电平衡探测器12。

在本实施例中，所述成像处理装置还包括数据采集卡和三维位移***，光电平衡探测器12把探测到的所述P偏振光和所述S偏振光的信号直接转换为电信号，数据采集卡以激光光源发生器输出的电脉冲信号作为同步信号，进行数据采集，将光电平衡探测器12探测到的信号输入数据采集卡。把待成像样本17固定在三维位移***上，使得激发激光焦点在样本17上进行二维平面扫描，以获得三维图像堆栈所需要的二维数据。利用图像处理团建对采集到的信号进行滤波，希尔伯特变换等处理后，三维重建图像，得到组织的三维图像以及横截面图像。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

通过上述实施例的描述，本发明具有以下优点：

由于光声成像***包括探测激光器、激发激光器、水容器和金属膜，所述水由于样本发出的光声波被改变折射率，所述金属膜用于接收探测激光的入射，且所述探测激光在所述金属膜上表面产生表面等离子体共振，以获得反射后的探测激光，此时反射后的探测激光被所述成像处理装置接收以用于成像。从而，通过表面等离子体共振技术可以探测微弱的光声波，探测的带宽可以达到0～500mhz，甚至达到Ghz(吉赫兹)以上，从而具有探测带宽很宽，波信号检测灵敏度高达50帕，从几十帕到几兆帕具有线性振幅响应，从而实现高灵敏度探测，所以可以实现高分辨率探测，从而可实现生物组织微观形态结构的高质量成像。

可以理解的是，本发明的上述实施例在不冲突的情况下，可以相互结合来获得更多的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种光声成像***，其特征在于，包括探测激光器、激发激光器、光路***、水容器、金属膜和成像处理装置，其中，

所述探测激光器用于产生探测激光；

所述激发激光器用于产生激发激光；

所述水容器内装有用来传输光声波的水，所述水在光声波作用下折射率改变；

所述金属膜用于接收所述探测激光的入射，且所述探测激光在所述金属膜上表面产生表面等离子体共振，以获得反射后的探测激光；

所述成像处理装置用于根据反射后的所述探测激光对样本进行成像；

所述光路***用于所述探测激光器、所述金属膜、所述成像处理装置之间的所述探测激光的传输，且所述光路***还用于所述激发激光器与样本之间的所述激发激光的传输。

2.如权利要求1所述的光声成像***，其特征在于，所述金属膜位于所述水容器的底边上表面并与所述水容器中的水相接触。

3.如权利要求2所述的光声成像***，其特征在于，所述水容器设有通孔，所述通孔处设有石英片，所述金属膜位于所述石英片上，所述探测激光和所述激发激光穿过所述石英片。

4.如权利要求1所述的光声成像***，其特征在于，所述金属膜为金膜或者银膜。

5.如权利要求1-4任意一项所述的光声成像***，其特征在于，所述光路***包括油浸物镜，所述油浸物镜位于所述金属膜远离水的一侧，所述油浸物镜用于将所述激发激光聚焦在样本上且用于将所述探测激光聚焦在所述金属膜上。

6.如权利要求1-4任意一项所述的光声成像***，其特征在于，所述光路***包括探测入射光子***，所述探测入射光子***用于所述探测激光器和所述金属膜之间的所述探测激光的传输，所述第一探测入射光子***包括偏振调制子***和第一扩束子***，所述偏振调制子***用于将所述探测激光调制为径向和角向混合偏振激光，所述第一扩束子***用于将径向和角向混合偏振激光进行扩束。

7.如权利要求1-4任意一项所述的光声成像***，其特征在于，所述光路***包括激发入射光子***，所述激发入射光子***用于所述激发激光器与样本之间的所述激发激光的传输，所述激发入射光子***包括第二扩束子***，所述第二扩束子***用于将所述激发激光进行扩束。

8.如权利要求1-4任意一项所述的光声成像***，其特征在于，所述光路***还包括探测反射光子***，所述探测反射光子***用于所述金属膜和所述成像处理装置之间的反射后的所述探测激光的传输，所述探测反射光子***包括旋涡波片，所述旋涡波片用于对反射后的所述探测激光进行调整，调整后的所述探测激光包括P偏振光和S偏振光的混合光束，所述混合光束被传输到所述成像处理装置。

9.如权利要求8所述的光声成像***，其特征在于，所述探测反射光子***还包括偏振分光子***，所述偏振分光子***将P偏振光和S偏振光混合光束分开并分别将P偏振光和S偏振光传输给所述成像处理装置。

10.如权利要求1-4任意一项所述的光声成像***，其特征在于，所述成像处理装置包括光电平衡探测器，所述光电平衡探测器用于将反射后的所述探测激光信号转换为电信号。