CN110243763A - 一种非接触光声成像装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种非接触光声成像装置及方法，属于光声成像技术领域。该光声成像装置包括探测光源、光纤隔离器、2×2光纤耦合器、光纤环形器、3×3光纤耦合器、准直器、透镜、反射镜、二向色镜、激光器、光电探测器、高通滤波器、数据采集卡和电脑。本发明探测原位声压，利用高通滤波器及3×3光纤耦合器解调光声信号，提高***灵敏度和稳定性；本发明解决了使用水层对实际应用的限制，实现了完全非接触光声成像。

Description

一种非接触光声成像装置及方法
技术领域
本发明属于光声成像技术领域，具体涉及一种非接触光声成像装置及方法。
背景技术
光声成像(Photoacoustic imaging，PAI)是一种非侵入性成像模式，可用于生物组织的结构、功能成像。PAI结合光学高对比度和声学高分辨率，近年来成为生物医学成像的主要研究领域。PAI的原理是光声效应，使用脉冲激光照射生物组织，组织吸收光能并产生热弹性膨胀，由此产生超声波，检测超声波可得到组织的吸收分布图像。
目前光声检测技术可以分为接触式光声成像和非接触式光声成像。接触式光声成像使用压电换能器探测超声声压，当探头与样品接触时两者之间存在空气层，超声波在不同介质中声阻抗不同，在声阻抗具有差异的两种介质界面会产生强烈的反射，因此，从原理上决定了必须在换能器和样品之间使用声耦合介质，减小损耗，提高灵敏度。但是使用耦合剂极大限制了光声成像的实际应用，许多医学检测需要在没有物理接触的情况下进行，如烧伤诊断、脑外科检测等，需要非接触的检测方式以减少感染。
作为压电换能器的替代方案，多种基于光学干涉的非接触探测方式被相继提出，这些方法非接触地探测超声导致的样品表面的位移和振动，代替使用超声换能器检测超声声压。与基于超声换能器的探测方法相比，光学干涉法具有如下优点：非接触、器件小型化、光学透明、大带宽及高灵敏度。但是目前的基于光学干涉的光声成像方法存在缺陷：首先由于组织样品表面粗糙，导致反射的探测光的强度较弱及相位出现随机变化，使***灵敏度降低，为了解决此问题，通常在样品表面涂抹水层，水层产生一个均匀的反射面，但是这种方法需要在样品表面添加水层，没有做到完全非接触，应用上极不方便；其次需等待光声信号从光声激发原点传播到样品表面再检测，该过程光声信号损失较大。如专利“基于光学干涉法的非接触光声探测方法及装置”(专利号为201510881786.7)，存在同样问题。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提出一种基于3×3光纤耦合器解调的非接触光声成像***及方法，本发明使用光学干涉方法直接检测样品内光声信号激发点的反射光强变化，激发光和样品光的焦点重合(位于样品内部)，焦点处的吸收体吸收激光能量，产生声压变化，导致该位置的光学折射率变化，进而导致反射系数变大，引起背向散射的样品光光强增大；用基于3×3光纤耦合器解调的干涉方法测量这种光强变化，同时探测由3×3光纤耦合器输出的三路干涉信号，经过解调，得到光声信号激发点的反射光强变化，结合使用高通滤波器，消除外界的随机干扰。
本发明的技术方案为：
一种非接触光声成像装置，包括探测光源1、光纤隔离器2、2×2光纤耦合器3、光纤环形器A4、光纤环形器B8、3×3光纤耦合器12、准直器A13、透镜A14、反射镜A15、准直器B16、二向色镜17、反射镜B18、反射镜C19、透镜B20、激光器22、反射镜D23、光电探测器A24、光电探测器B25、光电探测器C26、高通滤波器A27、高通滤波器B28、高通滤波器C29、数据采集卡30和电脑31。
所述探测光源1、光纤隔离器2、2×2光纤耦合器3通过光纤依次连接；所述2×2光纤耦合器3的输出端分别通过光纤环形器A1端口5连接光纤环形器A4、通过光纤环形器B1端口9连接光纤环形器B8；
所述光纤环形器A4通过光纤环形器A2端口6连接准直器A13、通过光纤环形器A3端口7与3×3光纤耦合器12的输入端连接；准直器A13、透镜A14和反射镜A15依次同轴设置；
所述光纤环形器B8通过光纤环形器B2端口10连接准直器B16、通过光纤环形器B3端口11与3×3光纤耦合器12的输入端连接；
所述激光器22发射的激光依次经过反射镜D23和二向色镜17，与经过准直器B16的探测光汇合后依次通过反射镜B18、反射镜C19、透镜B20聚焦于置于载物台21上的样品32内部；所述激光器22的触发输出端与数据采集卡30的触发输入端电连接；
所述3×3光纤耦合器12的输出端分别通过光纤连接光电探测器A24、光电探测器B25、光电探测器C26；所述光电探测器A24、光电探测器B25、光电探测器C26分别连接高通滤波器A27、高通滤波器B28、高通滤波器C29；三个高通滤波器与电脑31中的数据采集卡30的输入端电连接。
进一步地，3×3光纤耦合器12的分光比为K1:K2:K3。
进一步地，将设置反射镜C19的位置替换成二维振镜以实现二维成像。
一种非接触光声成像方法，包括以下步骤：
步骤1光声激发过程
激光器22发射激光，激发光聚焦于样品32内部，样品吸收能量产生超声波，超声波导致激发点的光学折射率变化，光学折射率变化导致该点的光学反射率变大，使探测光反射光强增大。
步骤2光声检测过程
探测光源1发出的探测光经光纤进入光纤隔离器2后，进入2×2光纤耦合器3分成样品光和参考光。样品光经光纤环形器B1端口9进入光纤环形器B8，从光纤环形器B2端口10输出，经准直器B16准直成平行光，经二向色镜17后与激光合为一束光，再依次经反射镜B18、反射镜C19和透镜B20聚焦于置于载物台21上的样品32内部；背向散射光原路返回并经光纤环形器B3端口11进入3×3光纤耦合器12。参考光经光纤环形器A1端口5进入光纤环形器A4，并从光纤环形器A2端口6输出，依次通过准直器A13、透镜A14和反射镜A15后原路返回并经光纤环形器A3端口7进入3×3光纤耦合器12。
两路光分别进入3×3光纤耦合器12后输出三路信号，三路信号分别进入光电探测器A24、光电探测器B25和光电探测器C26发生干涉并转换成电信号，再经高通滤波器A27、高通滤波器B28和高通滤波器C29滤除干扰后进入电脑31中，被数据采集卡30采集。
步骤3信号采集过程
在步骤1中激光器22发出激光的同时，激光器22发出触发信号，数据采集卡30进行光声信号的同步采集。
进一步地，步骤2中，3×3光纤耦合器12进行三相位解调的过程如下：
样本不同深度的背向散射光导致的干扰表示为：
其中，IR表示来自参考臂的光强度；Is,i为来自样品第i深度的光强度；ΔIs(t)为在光声激发位置产生的探测光强度变化；为在IR和ΔIs(t)之间的时变相位差；为IR和Is,i之间的时变相位差；为ΔIs(t)和Is,i之间的时变相位差；和表示随机环境干扰。与ΔIs(t)的脉冲变化相比，式(1)中的其他项均为缓慢变化，通过高通滤波器滤除，并且Is,i远小于ΔIs(t)，因此，与Is,i相关项忽略不计，则测得的信号近似为：
式(2)表明测量信号由调制；通过3×3光纤耦合器12解调反射强度变化ΔIs(t)。使用三相位解调的方法可以解调出稳定的光声信号，不受外界干扰，提高***稳定性。数据采集卡30采集的三路干涉信号表示为：
其中，是等式(1)中所示的之和；和表示三路输出信号之间的相位差；光纤耦合器的分光比为K1:K2:K3；
由式(3)的三路干涉信号得到：
其中G＝K2/K1；H＝K3/K1；
进一步地，步骤2中，通过不断水平移动载物台21以实现二维成像；或者将反射镜C19替换成二维振镜以实现二维成像。
本发明的有益效果：首先，本发明不需使用水层，解决使用水层对实际应用的限制，实现了完全非接触光声成像；其次，本发明探测原位声压，利用高通滤波器及3×3光纤耦合器解调光声信号，提高***灵敏度和稳定性。
附图说明
图1为本发明的装置示意图。
图中：1探测光源；2光纤隔离器；32×2光纤耦合器；4光纤环形器A；5光纤环形器A1端口；6光纤环形器A2端口；7光纤环形器A3端口；8光纤环形器B；9光纤环形器B1端口；10光纤环形器B2端口；11光纤环形器B3端口；123×3光纤耦合器；13准直器A；14透镜A；15反射镜A；16准直器B；17二向色镜；18反射镜B；19反射镜C；20透镜B；21载物台；22激光器；23反射镜D；24光电探测器A；25光电探测器B；26光电探测器C；27高通滤波器A；28高通滤波器B；29高通滤波器C；30数据采集卡；31电脑；32样品。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明一种非接触光声成像装置如图1所示，包括探测光源1、光纤隔离器2、2×2光纤耦合器3、光纤环形器A4、光纤环形器B8、3×3光纤耦合器12、准直器A13、透镜A14、反射镜A15、准直器B16、二向色镜17、反射镜B18、反射镜C19、透镜B20、载物台21、激光器22、反射镜D23、光电探测器A24、光电探测器B25、光电探测器C26、高通滤波器A27、高通滤波器B28、高通滤波器C29、数据采集卡30和电脑31；本实施例中的3×3光纤耦合器12的分光比为1:1:1。
探测光源1、光纤隔离器2、2×2光纤耦合器3通过光纤依次连接；所述2×2光纤耦合器3的输出端分别通过光纤环形器A1端口5连接光纤环形器A4、通过光纤环形器B1端口9连接光纤环形器B8。
所述光纤环形器A4通过光纤环形器A2端口6连接准直器A13、通过光纤环形器A3端口7与3×3光纤耦合器12的输入端连接；准直器A13、透镜A14和反射镜A15依次同轴设置。所述光纤环形器B8通过光纤环形器B2端口10连接准直器B16、通过光纤环形器B3端口11与3×3光纤耦合器12的输入端连接。
激光器22发射的激光以45°入射角射入反射镜D23，二向色镜17以同样的角度平行置于反射镜D23下方，经过准直器B16的探测光与经过二向色镜17的激光汇合成一束光；反射镜B18与二向色镜17水平轴对称置于二向色镜17下方，反射镜C19以与反射镜B18同样的角度平行置于反射镜B18的一侧，经反射镜C19的光垂直射入透镜B20后聚焦于置于载物台21上的样品32内部；所述激光器22与数据采集卡30连接。
所述3×3光纤耦合器12的输出端分别通过光纤连接光电探测器A24、光电探测器B25、光电探测器C26；所述光电探测器A24、光电探测器B25、光电探测器C26分别连接高通滤波器A27、高通滤波器B28、高通滤波器C29；三个高通滤波器与电脑31中的数据采集卡30连接。
本发明的测量过程包括以下步骤：
步骤1光声激发过程
激光器22发射激光(激发光)照射样品，激光聚焦于样品内部，样品吸收能量产生超声波，超声波导致激发点的光学折射率变化，光学折射率变化导致该点的光学反射率变大，使探测光反射光强增大。
步骤2光声检测过程
探测光源1发出探测光经光纤进入光纤隔离器2后，经光纤进入2×2光纤耦合器3分成样品光和参考光。样品光经光纤环形器B1端口9进入，从光纤环形器B2端口10输出，经准直器B16准直成平行光，经二向色镜17后与激发光合为一束光，再依次经反射镜B18、反射镜C19、透镜B20后聚焦于位于载物台21上的样品32内部；背向散射光原路返回并经光纤环形器B3端口11进入3×3光纤耦合器12。参考光经光纤环形器A1端口5进入，从光纤环形器A2端口6输出，依次经准直器A13、透镜A14和反射镜A15后原路返回，并通过光纤环形器A3端口7进入3×3光纤耦合器12。
两路光分别进入3×3光纤耦合器12后输出三路相位相差120°的信号，三路信号分别进入光电探测器A24、光电探测器B25和光电探测器C26发生干涉并转换成电信号，再分别经高通滤波器A27、高通滤波器B28和高通滤波器29滤除干扰后，进入电脑31被数据采集卡30采集。
其中，3×3光纤耦合器三相位解调的过程如下：
样本不同深度的背向散射光导致复杂的干扰，表示为：
其中，IR表示来自参考臂的光强度；Is,i为来自样品第i深度的光强度；ΔIs(t)为在光声激发位置产生的探测光强度变化；为在IR和ΔIs(t)之间的时变相位差；为IR和Is,i之间的时变相位差；为ΔIs(t)和Is,i之间的时变相位差；和均表示随机环境干扰。与ΔIs(t)的脉冲变化相比，式(1)中的其他项均为缓慢变化，通过高通滤波器滤除，并且Is,i远小于ΔIs(t)，因此，与Is,i相关项忽略不计，则测得的信号近似为：
等式(2)表明测量信号由调制；本发明使用基于3×3光纤耦合器的方法来解调反射强度变化ΔIs(t)；使用三相位解调的方法可以解调出稳定的光声信号，不受外界干扰，提高***稳定性。数据采集卡30采集的三路干涉信号表示为：
其中，是等式(1)中所示的之和；和表示三路输出信号之间的相位差，对于本实施例分光比为1:1:1的3×3光纤耦合器，和分别为120°和240°。
由三路干涉信号得到：
由等式(4)可以获得ΔIs(t)：
步骤3信号采集过程
在步骤1中激光器22发出激光的同时，激光器22发出触发信号，数据采集卡30进行光声信号的同步采集。
本实施例的探测方式属于单点探测，当得到一个区域的图像时，必须要进行二维扫描。此时反射镜C19替换为二维振镜，并重复步骤1至步骤3以实现二维成像；或者在步骤2中通过不断水平移动载物台21以实现二维成像。

Claims (6)

1.一种非接触光声成像装置，其特征在于，所述非接触光声成像装置包括探测光源(1)、光纤隔离器(2)、2×2光纤耦合器(3)、光纤环形器A(4)、光纤环形器B(8)、3×3光纤耦合器(12)、准直器A(13)、透镜A(14)、反射镜A(15)、准直器B(16)、二向色镜(17)、反射镜B(18)、反射镜C(19)、透镜B(20)、激光器(22)、反射镜D(23)、光电探测器A(24)、光电探测器B(25)、光电探测器C(26)、高通滤波器A(27)、高通滤波器B(28)、高通滤波器C(29)、数据采集卡(30)和电脑(31)；
所述探测光源(1)、光纤隔离器(2)、2×2光纤耦合器(3)通过光纤依次连接；所述2×2光纤耦合器(3)的输出端分别通过光纤环形器A1端口(5)连接光纤环形器A(4)、通过光纤环形器B1端口(9)连接光纤环形器B(8)；
所述光纤环形器A(4)通过光纤环形器A2端口(6)连接准直器A(13)、通过光纤环形器A3端口(7)与3×3光纤耦合器(12)的输入端连接；所述的准直器A(13)、透镜A(14)和反射镜A(15)依次同轴设置；
所述光纤环形器B(8)通过光纤环形器B2端口(10)连接准直器B(16)、通过光纤环形器B3端口(11)与3×3光纤耦合器(12)的输入端连接；
所述激光器(22)发射的激光依次经过反射镜D(23)和二向色镜(17)，与经过准直器B(16)的探测光汇合后依次通过反射镜B(18)、反射镜C(19)、透镜B(20)聚焦于置于载物台(21)上的样品(32)内部；所述激光器(22)与数据采集卡(30)连接；
所述3×3光纤耦合器(12)的输出端分别通过光纤连接光电探测器A(24)、光电探测器B(25)、光电探测器C(26)；所述光电探测器A(24)、光电探测器B(25)、光电探测器C(26)分别连接高通滤波器A(27)、高通滤波器B(28)、高通滤波器C(29)；三个高通滤波器与电脑(31)中的数据采集卡(30)连接。
2.根据权利要求1所述的一种非接触光声成像装置，其特征在于，所述的3×3光纤耦合器(12)的分光比为K1:K2:K3。
3.权利要求1或2所述的一种非接触光声成像装置，其特征在于，将设置反射镜C(19)位置替换成二维振镜以实现二维成像。
4.基于权利要求1-2任一所述装置的非接触光声成像方法，其特征在于，所述非接触光声成像方法包括以下步骤：
步骤1光声激发过程
激光器(22)发射激光，激光聚焦于样品(32)内部，样品吸收能量产生超声波，超声波导致激发点的光学折射率变化，进而导致激发点的光学反射率变大，使探测光反射光强增大；
步骤2光声检测过程
探测光源(1)发出探测光依次通过光纤隔离器(2)、2×2光纤耦合器(3)后分成参考光和样品光；所述的参考光经光纤环形器A1端口(5)进入光纤环形器A(4)，并从光纤环形器A2端口(6)输出，依次通过准直器A(13)、透镜A(14)和反射镜A(15)后原路返回并通过光纤环形器A3端口(7)进入3×3光纤耦合器(12)；所述的样品光经光纤环形器B1端口(9)进入光纤环形器B(8)，从光纤环形器B2端口(10)输出，经准直器B(16)准直成平行光，经二向色镜(17)后与激光合为一束光，再依次经过反射镜B(18)、反射镜C(19)和透镜B(20)聚焦于置于载物台(21)上的样品(32)内部；背向散射光原路返回并通过光纤环形器B3端口(11)进入3×3光纤耦合器(12)；
两路光进入3×3光纤耦合器(12)后输出三路信号，三路信号分别进入光电探测器A(24)、光电探测器B(25)和光电探测器C(26)发生干涉并转换成电信号，再分别经高通滤波器A(27)、高通滤波器B(28)和高通滤波器C(29)滤除干扰后进入电脑(31)中，数据采集卡(30)进行信号采集；
步骤3信号采集过程
步骤1中激光器(22)发出激光的同时，激光器(22)发出触发信号，数据采集卡(30)对光声信号进行同步采集。
5.根据权利要求4所述的非接触光声成像方法，其特征在于，所述步骤2中，3×3光纤耦合器(12)进行三相位解调的过程为：
样本不同深度的背向散射光导致的干扰表示为：
其中，IR为来自参考臂的光强度；Is,i为来自样品第i深度的光强度；ΔIs(t)为在光声激发位置产生的探测光强度变化；为在IR和ΔIs(t)之间的时变相位差；为IR和Is,i之间的时变相位差；为ΔIs(t)和Is,i之间的时变相位差；和均表示随机环境干扰；除ΔIs(t)外的其他项均通过高通滤波器滤除，且与Is,i的相关项忽略不计，则测得的信号为：
通过3×3光纤耦合器(12)解调反射强度变化ΔIs(t)后，数据采集卡(30)采集的三路干涉信号表示为：
其中，是式(1)中所示的之和；和表示三路输出信号之间的相位差；光纤耦合器的分光比为K1:K2:K3；
由式(3)的三路干涉信号得到ΔIs(t)：
其中，G＝K2/K1；H＝K3/K1；
6.根据权利要求4或5所述的非接触光声成像方法，其特征在于，所述步骤2中，通过不断水平移动载物台(21)以实现二维成像，或者将反射镜C(19)替换成二维振镜以实现二维成像。
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