CN109864716A - 一种低频段的微型光声显微成像***及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布一种低频段的微型光声显微成像***及其方法，该***包括长脉宽调制激光二极管、准直透镜组、可变焦透镜、MEMS二维振镜、声反射镜、微阵列超声探头和外壳组成的微型光声头、预处理电路、峰值保持电路、激光二极管驱动电路、调焦电路、振镜驱动电路和计算机组成，可实现大面积、高速度、高稳定的小型化光声扫描成像。本发明选取长脉宽调制的激光二极管，有效地提高了单脉冲能量，改善了成像的深度和信噪比。此外，将快速、高效的二维振镜扫描技术与变焦透镜结合，通过峰值保持电路接收，实现了大面积光声成像的小型化快速扫描与接收。

Description

一种低频段的微型光声显微成像***及其方法

技术领域

本发明涉及光学成像***，尤其涉及一种低频段的微型光声显微成像方法，适用于生物血管成像与身份识别、材料亚表面的无损探伤等领域。

背景技术

MEMS微振镜指的采用光学MEMS技术制造的，将微光反射镜与MEMS驱动器集成在一起的光学MEMS器件。MEMS微振镜的运动方式包括平动和扭转两种方式，主要功能是实现激光的指向偏转、图像化扫描。二维激光振镜具有体积小、响应速度快、扫描速度高、扫描范围大等优势，目前广泛应用于激光标刻、3D扫描仪、激光微投影、激光打孔等领域。

光声显微成像技术是一种新近发展起来的影像技术，可实现几百微米到及几十纳米级别的高分辨率探测，结合纯光学成像高对比度和纯超声成像深穿透性的特点，用宽带超声传感器检测超声波代替光学成像中检测散射光子，其可以提供高对比度和高分辨率的组织影像，具有高光学对比度、无放射性损伤、使用更加安全便捷等优点。2012年，Yuan等报道采用二维激光振镜扫描的光学分辨式光声显微镜，（Yuan Y, Yang S, and Xing D.“Optical-resolution photoacoustic microscopy based on two-dimensionalscanning galvanometer”. Applied Physics Letters, 2012, 100(2):023702.）,但是采用脉冲10ns的短脉宽固体激光器作为激励源，传感器中心频率15MHz，相应的带来的问题就在于整个***的体积大、价格高、***复杂度高等众多缺点，难于实现***的小型化和便携式设计，且属于高频段的光声显微成像，成像深度较浅，在实际的应用中存在较大的局限性。

目前的光声显微成像***除了采用固体激光器作为激励源外，还有的采用激光二极管来带替代固体激光器。相比之下，脉冲二极管具有体积小、能量效率高、价格低等优点，是便携式光声显微镜的理想光源。但是现有的激光二极管的输出功率都比较低，相应地产生的脉冲能量也相对较小。2013年Wang等（Wang P H , Li M L. “DVD pickup head basedoptical resolution photoacoustic microscopy”. Proceedings of SPIE - TheInternational Society for Optical Engineering, 2012, 8223:78.）以及2105年Zeng等（Zeng L , Piao Z, Huang S, et al. “Label-free optical-resolutionphotoacoustic microscopy of superficial microvasculature using a compactvisible laser diode excitation”. Optics Express, 2015, 23(24):31026-31033. ）都报道采用了可见光波段的脉冲激光二极管作为光声显微***的激励源，可见光波段的血液相比水有着更高的吸收率，可被用于血管成像，但是这个波段的激光二极管功率不高，一般只有几百mW到几W。相比之下，近红外波段的激光二极管则能够达到很高的功率，甚至可达到一百多W。2014年，Wang等（Wang T, Nandy S, Salehi H S, et al.，“A low-costphotoacoustic microscopy system with a laser diode excitation”. Biomedicaloptics express, 2014, 5(9): 3053-3058.）以及2013年Zeng等（Zeng L , Liu G , YangD , et al. “Portable optical-resolution photoacoustic microscopy with apulsed laser diode excitation”. Applied Physics Letters, 2013, 102(5):053704.）都报道采用近红外激光二极管来进行机械扫描，由于***采用的激光二极管的脉宽较短，容易受到组织散射的影响，导致成像深度减小，降低了深层成像的图像信噪比。同时，还需做两个方位的机械扫描，具有耗时长、机械振动大等缺点，其***稳定性和时间分辨率被极大的降低。

此外以上***方案都是采集整个深度传播时间段内的光声信号，扫描采集的数据量大、采集时间长，这相应地就会造成整个成像时间的加长，在实际的应用中尤其是实时三维成像时缺点比较明显。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种低频段的微型光声显微投影成像方法，将小型、长脉宽调制的的激光二极管配合微型、高精度、扫描速度快的MEMS（微机电***）微振镜应用到光声显微镜中，并结合简单的峰值保持电路，实现快速微型的光声显微成像***。

为实现上述发明目的，本发明采用如下设计方案：

一种基于微振镜的小型光声显微镜，该***包括由激光二极管、准直透镜组、可变焦透镜、MEMS二维振镜、声反射镜、微阵列超声探头和外壳组成的微型光声头，预处理电路，峰值保持电路，激光二极管驱动电路，调焦电路，振镜驱动电路和计算机。

所述激光二极管、准直透镜组、可变焦透镜、MEMS二维振镜、声反射镜、微阵列超声探头置于外壳内；所述激光二极管正下方依次放置有准直透镜组、可变焦透镜和MEMS二维振镜；所述MEMS二维振镜的入光口正对有可变焦透镜；所述MEMS二维振镜的出光口正对有声反射镜；所述声反射镜正上方放置有微阵列超声探头。

所述微阵列超声探头、预处理电路、峰值保持电路和计算机依次电气连接；所述激光二极管，激光二极管驱动电路和计算机依次电气连接；所述可变焦透镜调焦电路和计算机依次电气连接；所述MEMS二维振镜、振镜驱动电路和计算机依次电气连接。

进一步地，所述激光二极管发出的长脉宽调制激光的脉宽优选为500ns-50μs。

进一步地，所述声反射镜对激光二极管发出的脉冲激光的波长具有高透射率。

进一步地，光声信号与微阵列超声探头之间的耦合介质为气体（如含一定湿度的空气等）或液体（如水或冷凝胶等）。

进一步地，所述微阵列超声探头的中心频率优选为对应长脉宽调制激光的脉宽倒数的二分之一，即为1MHz~10KHz。

进一步地，所述每个通道的预处理电路和峰值保持电路连接一个或多个微阵列超声探头的阵元。

本发明还提供了利用上述装置进行成像的方法，包括如下步骤：

第一步：长脉宽调制的激光二极管发出的脉冲激光，依次经过准直透镜组、可变焦透镜、MEMS二维振镜和声反射镜后聚焦照射在样品上产生低频段的光声信号；

第二步：光声信号经过声反射镜一次反射后由低频段的微阵列超声探头接收，经过多通道并行的预处理电路和峰值保持电路后，光声信号的峰值被保持并传输进计算机；

第三步：计算机可通过振镜驱动电路同步控制MEMS二维振镜对光束焦点进行横向平面扫描，同时也可通过调焦电路同步控制可变焦透镜对光束焦点进行纵向深度扫描；

第四步：计算机可对每次横向扫描接收到的多通道光声信号峰值进行简单的加权求和后即可直接赋值成一副二维图像，其横向分辨率决定于光束焦点的直径；不同纵向深度扫描的二维图像可重建为一副三维图像，其纵向分辨率决定于光束聚焦的焦深。

本发明的有益效果在于：

（1）采用长脉宽调制的激光二极管虽然牺牲了纵向分辨率，但是数量级地增加了激励源单脉冲的能量，有效缓解了因为功率低导致的经过组织散射成像深度浅的问题，加强了成像的信噪比。

（2）由于低频段的光声信号纵向分辨率较低，故采用峰值保持电路只记录每个位置的光声信号峰值，与传统的记录整个时间段的光声信号相比，二维和三维成像的数据量大为降低，具有数据采集与传输快、图像重建算法简单等优点。

（3）MEMS二维振镜具有更小的体积、更高的扫描精度以及更大扫描范围等优点，有效地提高了***扫描精度，减少了***的检测时间。

（4）为实现三维扫描成像，本发明还采用变焦透镜***，对光束焦点进行纵深扫描，通过光束的焦深来进行深度方向分辨，比采用光声信号进行深度分辨具有更高的纵向分辨率；同时，与以往的三维位移台相比，体积更小且效率更高，再与MEMS微振镜、小体积的激光二极管一体化封装设计，实现了大面积光声成像的小型化***。

附图说明

图1为本发明的一种低频段的微型光声显微成像***结构示意图。

附图标记：1、激光二极管，2、准直透镜组，3、可变焦透镜，4、MEMS（微机电***）二维振镜，5、声反射镜，6、微阵列超声探头，7、外壳，8、微型光声头，9、预处理电路，10、峰值保持电路，11、激光二极管驱动电路，12、调焦电路，13、振镜驱动电路，14、计算机。

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做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。

实施例1、请参阅图1，如图1所示的一种低频段的微型光声显微成像***包括由激光二极管1、准直透镜组2、可变焦透镜3、MEMS二维振镜4、声反射镜5、微阵列超声探头6和外壳7组成的微型光声头8，预处理电路9、峰值保持电路10、激光二极管驱动电路11、调焦电路12、振镜驱动电路13和计算机14。

激光二极管1、准直透镜组2、可变焦透镜3、MEMS二维振镜4、声反射镜5、微阵列超声探头6、置于外壳7内；激光二极管1正下方依次放置有准直透镜组2、可变焦透镜3和MEMS二维振镜4；所述MEMS二维振镜4的入光口正对有可变焦透镜3；所述MEMS二维振镜4的出光口正对有声反射镜5；所述声反射镜5正上方放置有微阵列超声探头6。

微阵列超声探头6、预处理电路9、峰值保持电路10和计算机14依次电气连接；激光二极管1，激光二极管驱动电路11和计算机14依次电气连接；可变焦透镜调焦电路12和计算机14依次电气连接；所述MEMS二维振镜4、振镜驱动电路13和计算机14依次电气连接。

进一步地，所述激光二极管1发出的长脉宽调制激光器（Nichia，型号NDB7B77）的脉宽选择为1μs，工作波长450nm，峰值功率3.5 W，单脉冲能量3.5μJ。MEMS振镜4（型号WM-LS-5）包含了2mm的圆形平面反射镜，谐振频率800Hz，最大光学扫描角度±6°。变焦透镜3选用快速电子变焦透镜（型号STO-EL-10-30）选用尺寸30mm ×9.7mm，通光直径10mm，焦距变化范围+20-140mm。

进一步地，光声信号与微阵列超声探头6之间的耦合介质为气体（如含一定湿度的空气等）或液体（如水或冷凝胶等）。

进一步地，所述声反射镜5对激光二极管1发出的脉冲激光的波长具有高透射率（97%）。

进一步地，所述微阵列超声探头6，选择法国图尔大学Audren Boulme和意法半导体公司合作研制的CMUT探头，包含24阵元，阵元宽度800μm，阵元长度8mm，工作频率范围100KHz-2MHz，这种CMUT探头具有良好的低频特性和灵敏度。

进一步地，所述每个通道的预处理电路9和峰值保持电路10连接一个或多个微阵列超声探头6的阵元。

实施例2：

本实施例结构与实施例1相似，不同在于：所述激光二极管1发出的长脉宽调制激光器（Laser Components，型号905D4S16C）的脉宽选择为1μs，工作波长905nm，峰值功率140 W，峰值驱动电流15A,单脉冲能量140μJ。与实例1相比，采用近红外波段的激光二极管，进一步增强了可用的激励源单脉冲的能量，有效缓解了因为功率低导致的经过组织散射成像深度浅的问题，加强了成像的实际效果。

实施例3：

本实施例的结构与实施例1相似，不同之处在于：所述微阵列超声探头6,选择广东工业大学纪轩荣课题组研制的3D打印低频阵列探头，包含8×8阵元，阵元长度和宽度均为1mm，工作频率范围500KHz-2MHz，这种3D打印探头具有良好的低频特性和压电参数，且阵元体积非常小，可制备成任意空间形状应用于本发明实例中，如自聚焦的凹凸阵、中空的环阵、碗状的半球面阵、空气耦合探头等。

本发明还提供了利用上述装置进行成像的方法，包括如下步骤：

第一步：长脉宽调制的激光二极管1发出的脉冲激光，依次经过准直透镜组2、可变焦透镜3、MEMS二维振镜4和声反射镜5后聚焦照射在样品上产生低频段的光声信号；

第二步：光声信号经过声反射镜5一次反射后由低频段的微阵列超声探头6接收，经过多通道并行的预处理电路9和峰值保持电路10后，光声信号的峰值被保持并传输进计算机14；

第三步：计算机14可通过振镜驱动电路13同步控制MEMS二维振镜4对光束焦点进行横向平面扫描，同时也可通过调焦电路12同步控制可变焦透镜3对光束焦点进行纵向深度扫描；

第四步：计算机14可对每次横向扫描接收到的多通道光声信号峰值进行简单的加权求和后即可直接赋值成一副二维图像，其横向分辨率决定于光束焦点的直径；不同纵向深度扫描的二维图像可重建为一副三维图像，其纵向分辨率决定于光束聚焦的焦深。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种低频段的微型光声显微成像方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、长脉宽调制的激光二极管（1）发出的脉冲激光，依次经过准直透镜组（2）、可变焦透镜（3）、MEMS二维振镜（4）和声反射镜（5）后聚焦照射在样品上产生低频段的光声信号；

步骤二、光声信号经过声反射镜（5）一次反射后由低频段的微阵列超声探头（6）接收，经过多通道并行的预处理电路（9）和峰值保持电路（10）后，光声信号的峰值被保持并传输进计算机（14）；

步骤三、计算机（14）可通过振镜驱动电路（13）同步控制MEMS二维振镜（4）对光束焦点进行横向平面扫描，同时也可通过调焦电路（12）同步控制可变焦透镜（3）对光束焦点进行纵向深度扫描；

步骤四、计算机（14）可对每次横向扫描接收到的多通道光声信号峰值进行简单的加权求和后即可直接赋值成一副二维图像，其横向分辨率决定于光束焦点的直径；不同纵向深度扫描的二维图像可重建为一副三维图像，其纵向分辨率决定于光束聚焦的焦深。

2.根据权利要求1所述的一种低频段的微型光声显微成像方法，其特征在于：步骤（一）中，所述激光二极管（1）发出的长脉宽调制激光的脉宽优选为500ns~50μs。

3.根据权利要求1所述的一种低频段的微型光声显微成像方法，其特征在于：步骤（二）中，所述声反射镜（5）对激光二极管（1）发出的脉冲激光的波长具有高透射率。

4.根据权利要求1所述的一种低频段的微型光声显微成像方法，其特征在于：步骤（二）中，所述微阵列超声探头（6）与光声信号之间的耦合介质为气体或液体。

5.根据权利要求2所述的一种低频段的微型光声显微成像方法，其特征在于：步骤（二）中，所述微阵列超声探头（6）的中心频率优选为对应长脉宽调制激光的脉宽倒数的二分之一，即为1MHz~10KHz。

6.根据权利要求1所述的一种低频段的微型光声显微成像方法，其特征在于：步骤（二）中，所述每个通道的预处理电路（9）和峰值保持电路（10）连接一个或多个微阵列超声探头（6）的阵元。

7.一种实现权利要求1～6任一项所述方法的低频段的微型光声显微成像***，其特征在于：包括由激光二极管（1）、准直透镜组（2）、可变焦透镜（3）、MEMS二维振镜（4）、声反射镜（5）、微阵列超声探头（6）和外壳（7）组成的微型光声头（8），预处理电路（9），峰值保持电路（10），激光二极管驱动电路（11），调焦电路（12），振镜驱动电路（13）和计算机（14）；所述激光二极管（1）、准直透镜组（2）、可变焦透镜（3）、MEMS二维振镜（4）、声反射镜（5）、微阵列超声探头（6）置于外壳（7）内；所述激光二极管（1）正下方依次放置有准直透镜组（2）、可变焦透镜（3）和MEMS二维振镜（4）；所述MEMS二维振镜（4）的入光口正对有可变焦透镜（3）；所述MEMS二维振镜（4）的出光口正对有声反射镜（5）；所述声反射镜（5）正上方放置有微阵列超声探头（6）；所述微阵列超声探头（6）、预处理电路（9）、峰值保持电路（10）和计算机（14）依次电气连接；所述激光二极管（1），激光二极管驱动电路（11）和计算机（14）依次电气连接；所述可变焦透镜（3）、调焦电路（12）和计算机（14）依次电气连接；所述MEMS二维振镜（4）、振镜驱动电路（13）和计算机（14）依次电气连接。