CN110426373A - 一种布里渊散射和光学相干弹性成像原位检测的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种布里渊散射和光学相干弹性成像原位检测的方法，采用了波分复用和共焦光路的方法将布里渊散射弹性成像***和光学相干弹性成像***集成，然后通过计算机的时序控制***可以实现两种检测***互不影响的进行成像检测，从而可以在不移动样品位置的情况下完成样品体弹性模量和剪切弹性模量两种弹性模量的原位检测。本发明的优点是：对两种弹性模量的对比研究可以为临床上众多疾病的诊断和早期预防提供技术支持。这对于目前临床上多种疾病，尤其是多发性眼科疾病的诊断、治疗及预防有着重要的意义和价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物组织弹性模量的成像检测方法，具体为一种可实现布里渊散射和光学相干弹性成像原位检测的方法。
背景技术
目前布里渊散射弹性成像和光学相干弹性成像是生物组织弹性性质检测的最新手段，两者的物理原理不同，可以分别获得生物组织的体弹性模量和剪切弹性模量，这对于一些临床疾病的诊断治疗，尤其是眼科疾病(近视、圆锥角膜等)具有重要意义。但是现在有关布里渊散射弹性成像和光学相干弹性成像的研究仍存在一些技术限制。
现在临床上一些慢性疾病尤其是眼科的近视，老视或者说白内障这样的疾病，很多时候在前期无法直接判断是否发病，使用弹性检测的方式可以从生物力学的角度来检测组织的性质是否发生了病理性的改变，所以需要弹性检测的手段来获得组织的弹性性质，但是其它的技术手段无法做到光学手段这么高的精度，并且使用光学手段是一种无损的手段。之所以要做对比是因为现在剪切弹性模量和体弹性模量是我们认为样品表征弹性性质的经典物理量，但是由于两种弹性模量的量级通常差的很多，无法使用同一种***做出比较，因此我们的专利可以实现这个问题，这样做的优点就是可以分别从两种模量上分析组织的弹性到底是如何改变的，或者说可以确定两种弹性模量哪种更适合用于临床上生物组织弹性性质的检测相差很大，目前尚无一种可以同时实现两种弹性模量检测的技术手段，更无法进行两种弹性模量的对比研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可实现布里渊散射和光学相干弹性成像原位检测的方法。由于目前许多临床疾病的发病机制和其生物力学性质的改变相关，因此有许多弹性模量的检测方法正处于研究阶段，其中布里渊散射弹性成像技术可以检测生物组织的体弹性模量，光学相干弹性成像技术可以检测生物组织的剪切弹性模量，目前这些两种方法是最有可能实现生物组织弹性模量检测的技术手段。但是由于两种技术手段检测体弹性模量和剪切弹性模量的物理机制不同，因此目前尚无一种技术手段可以实现两种弹性模量的共同检测和对比研究，主要原因是因为布里渊散射弹性成像和光学相干弹性成像的分别测得体弹性模量和剪切弹性模量具有不同的弹性模量量级，体模量在Gpa量级和剪切模量在kpa量级。
本发明采用波分复用和光路共焦集成结合实现两种光学***的不同信号通道的集成，可以实现布里渊散射弹性成像***和光学相干弹性成像***的集成，进而实现检测体弹性模量和剪切弹性模量的原位检测和对比研究。然后由计算机时序控制算法实现两种光学***的原位不同步检测。
一种可实现布里渊散射和光学相干弹性成像原位检测的方法，本发明采用的***组成包括宽带光源SLD1，光隔离器2，光耦合器3，准直镜一4，光衰减器 5，聚焦透镜一6，反射镜7，波分复用器8，光准直器9，扫描振镜10，聚焦物镜11，环形超声换能器12，准直镜二13，聚焦透镜二14，衍射光栅15，聚焦透镜三16，COMES相机17，计算机18，窄线宽激光器19，光环形器20，准直镜三21，柱面镜一22，虚拟相控阵光谱仪VIPA一23，柱面镜二24，矩形光阑一25，聚焦透镜四26，虚拟相控阵光谱仪VIPA二27，聚焦透镜五28，矩形光阑二29，聚焦透镜六30，聚焦透镜七31，EMCCD32的方法。
上述发明的方法的具体过程如下：
(1)子***一：声辐射力光学相干弹性成像
该***核心原理是利用超声换能器产生的超声激励在生物组织表面激发出剪切波，然后利用光学相干弹性成像技术获取剪切波在样品表面传播的速度，进而由剪切波波速和组织剪切模量之间的对应关系计算出样品的剪切模量和杨氏模量，可以由以下公式计算得到：
式中E为剪切模量，ρ为样品密度，VS为剪切波波速。***的具体过程如下：
1.宽带光源SLD(1)发射出中心波长为850nm的宽带近红外光，经过中心波长为850nm的光隔离器，中心波长为850nm的光耦合器，分成相功率比为90:10 的两束光，其中功率为10％的参考光束经中心波长850nm的准直镜一，光衰减器，聚焦透镜一入射到反射镜，参考光束经反射镜反射后按原路返回到耦合器处；
2.另一束功率为90％的样品光从耦合器出射经过波分复用器，光准直器，扫描振镜，聚焦物镜，环形超声换能器入射到样品处，扫描振镜由计算机的驱动程序控制对样品进行三维扫描，环形超声换能器由计算机驱动程序控制产生MHz 的超声波激励，在样品表面产生弹性波，然后样品光和样品组织发生作用之后，其背向散射光被聚焦物镜聚焦后延原路返回到光耦合器和参考光发生干涉；.样品光和参考光干涉之后的干涉光信号从光耦合器的另一通道出射，经准直镜二，聚焦透镜二聚焦到衍射光栅，干涉光经衍射光栅分光，由聚焦透镜三聚焦到 COMES相机上，COMES相机由计算机驱动程序控制对干涉信号进行采集处理，此时可以完成光学相干弹性成像***的检测功能；
(2)子***二：布里渊散射弹性成像
该***核心原理是利用激光在样品内激发出布里渊散射，产生声光效应，由扫描F-P干涉仪和光子接收器来获得样品的布里渊频移，进而得到声速，由声速来计算样品的体弹性模量。可以由以下公式计算得到：
式中K为剪切模量，ρ为样品密度，Vc为声子速度。
***的具体过程如下：
3.然后由窄线宽激光器发出波长为532nm的连续激光，经光环形器，波分复用器，准直器，扫描振镜，聚焦物镜，环形超声换能器聚焦到样品处，此时扫描振镜和环形超声换能器均由计算机控制不再进行扫描和超声激励操作，样品的后向布里渊散射信号由聚焦物镜聚焦，沿原光路返回；
4.在光环形器出口出射，经准直镜三，柱面镜一后进入虚拟相控阵光谱仪 VIPA一，然后经柱面镜二，矩形光阑一后入射到聚焦透镜四聚焦到虚拟相控阵光谱仪VIPA二，经两次光谱仪的频率选择之后，出射光由聚焦透镜五聚焦到矩形光阑二，然后经聚焦透镜六变成平行光，再由聚焦透镜七对平行光信号进行聚焦到EMCCD上面，由计算机驱动控制EMCCD对布里渊散射光谱进行采集处理。
进一步的，子***一的光路均由光纤连接，聚焦透镜二、衍射光栅15、聚焦透镜三16、COMES相机17组成光栅光谱仪封装模块。
进一步的，波分复用器，光准直器，窄线宽激光器，光环形器以及准直镜三均为光纤连接，构成布里渊散射弹性成像***的信号激发光路。
本发明的优点在于：1.作为一种生物组织弹性模量成像检测***装置，其主要是通过波分复用和光路共焦集成的方式将布里渊散射弹性成像和光学相干弹性成像两种不同光学***的信号光路进行集成，并通过计算机时序控制***实现两种不同检测***的原位检测。
2.将布里渊散射弹性成像和光学相干弹性成像信号光路进行集成，可以实现两种检测方法的原位检测，降低样品移动过程中的环境因素对试验检测结果的影响。
3.将布里渊散射弹性成像和光学相干弹性成像信号光路进行集成，将布里渊散射弹性成像和光学相干弹性成像信号光路进行集成，可以实现体弹性模量和剪切弹性模量的原位检测，可以有效避免样品移动过程中其他因素对实验结果的影响，可以互不影响的进行两种检测方式的原位检测，降低样品本身固有差异(不同采样点的性质本身可能存在差异)对实验结果的影响。
附图说明
图1是本发明的原理图。
图1所示：宽带光源SLD1，光隔离器2，光耦合器3，准直镜一4，光衰减器5，聚焦透镜一6，反射镜7，波分复用器8，光准直器9，扫描振镜10，聚焦物镜11，环形超声换能器12，准直镜二13，聚焦透镜二14，衍射光栅 15，聚焦透镜三16，COMES相机17，计算机18，窄线宽激光器19，光环形器20，准直镜三21，柱面镜22，虚拟相控阵光谱仪VIPA23，柱面镜24，矩形光阑25，聚焦透镜四26，虚拟相控阵光谱仪VIPA27，聚焦透镜五28，矩形光阑29，聚焦透镜六30，聚焦透镜七31，EMCCD32。
具体实施方式
本发明涉及一种可实现布里渊散射和光学相干弹性成像原位检测的方法，其特点是采用波分复用和光路共焦集成的方法，将布里渊散射弹性成像和光学相干弹性成像两种***集成在一起，可以实现体弹性模量和剪切弹性模量的原位检测和对比研究。
本发明涉及一种可实现布里渊散射和光学相干弹性成像原位检测的方法，其特点是采用了宽带光源SLD1，光隔离器2，光耦合器3，准直镜一4，光衰减器 5，聚焦透镜一6，反射镜7，波分复用器8，光准直器9，扫描振镜10，聚焦物镜11，环形超声换能器12，准直镜二13，聚焦透镜二14，衍射光栅15，聚焦透镜三16，COMES相机17，计算机18，窄线宽激光器19，光环形器20，准直镜三21，柱面镜22，虚拟相控阵光谱仪VIPA23，柱面镜24，矩形光阑25，聚焦透镜四26，虚拟相控阵光谱仪VIPA27，聚焦透镜五28，矩形光阑29，聚焦透镜六30，聚焦透镜七31，EMCCD32的方法。
(1)子***一：声辐射力光学相干弹性成像
该***核心原理是利用超声换能器产生的超声激励在生物组织表面激发出剪切波，然后利用光学相干弹性成像技术获取剪切波在样品表面传播的速度，进而由剪切波波速和组织剪切模量之间的对应关系计算出样品的剪切模量和杨氏模量，可以由以下公式计算得到：
式中E为剪切模量，ρ为样品密度，VS为剪切波波速。***的具体过程如下：
1.宽带光源SLD1发射出中心波长为850nm的宽带近红外光，经过中心波长为850nm的光隔离器2，中心波长为850nm的光耦合器3，分成相功率比为90:10 的两束光，其中功率为10％的参考光束经中心波长850nm的准直镜一4，光衰减器5，聚焦透镜一6入射到反射镜7，参考光束经反射镜7反射后按原路返回到耦合器处；
2.另一束功率为90％的样品光从耦合器出射经过波分复用器8，光准直器9，扫描振镜10，聚焦物镜11，环形超声换能器12入射到样品处，扫描振镜10由计算机18的驱动程序控制对样品进行三维扫描，环形超声换能器12由计算机 18驱动程序控制产生MHz的超声波激励，在样品表面产生弹性波，然后样品光和样品组织发生作用之后，其背向散射光被聚焦物镜11聚焦后延原路返回到光耦合器3和参考光发生干涉；.样品光和参考光干涉之后的干涉光信号从光耦合器3的另一通道出射，经准直镜二13，聚焦透镜二14聚焦到衍射光栅15，干涉光经衍射光栅15分光，由聚焦透镜三16聚焦到COMES相机17上，COMES相机17由计算机18驱动程序控制对干涉信号进行采集处理，此时可以完成光学相干弹性成像***的检测功能；
(2)子***二：布里渊散射弹性成像
该***核心原理是利用激光在样品内激发出布里渊散射，产生声光效应，由扫描F-P干涉仪和光子接收器来获得样品的布里渊频移，进而得到声速，由声速来计算样品的体弹性模量。可以由以下公式计算得到：
式中K为剪切模量，ρ为样品密度，Vc为声子速度。
***的具体过程如下：
3.然后由窄线宽激光器19发出波长为532nm的连续激光，经光环形器20，波分复用器8，准直器，扫描振镜10，聚焦物镜11，环形超声换能器12聚焦到样品处，此时扫描振镜10和环形超声换能器12均由计算机18控制不再进行扫描和超声激励操作，样品的后向布里渊散射信号由聚焦物镜11聚焦，沿原光路返回；
4.在光环形器20出口出射，经准直镜三21，柱面镜一22后进入虚拟相控阵光谱仪VIPA一23，然后经柱面镜二24，矩形光阑一25后入射到聚焦透镜四26聚焦到虚拟相控阵光谱仪VIPA二27，经两次光谱仪的频率选择之后，出射光由聚焦透镜五28聚焦到矩形光阑二29，然后经聚焦透镜六30变成平行光，再由聚焦透镜七31对平行光信号进行聚焦到EMCCD32上面，由计算机18驱动控制EMCCD32对布里渊散射光谱进行采集处理。
进一步的，子***一的光路均由光纤连接，聚焦透镜二14、衍射光栅15、聚焦透镜三16、COMES相机17组成光栅光谱仪封装模块。
进一步的，波分复用器8，光准直器9，窄线宽激光器19，光环形器20以及准直镜三21均为光纤连接，构成布里渊散射弹性成像***的信号激发光路。
本发明涉及一种可实现布里渊散射和光学相干弹性成像原位检测的方法，其特点是计算机时序控制***来实现两种光学***互不影响的进行工作，当光学相干弹性成像***工作时，计算机控制环形超声换能器发出超声激励在样品表面产生剪切波，然后计算机驱动扫描振镜进行成像检测。在光学相干弹性成像检测完成之后，计算机驱动环能超声换能器和扫描振镜停止工作，此时布里渊散射弹性成像***开始工作，完成布里渊散射弹性成像检测。由此可以实现体弹性模量和剪切弹性模量的原位检测和对比研究，避免了样品本身性质固有差异对实验检测结果的影响。
不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种布里渊散射和光学相干弹性成像原位检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)子***一：声辐射力光学相干弹性成像
该***核心原理是利用超声换能器产生的超声激励在生物组织表面激发出剪切波，然后利用光学相干弹性成像技术获取剪切波在样品表面传播的速度，进而由剪切波波速和组织剪切模量之间的对应关系计算出样品的剪切模量和杨氏模量，可以由以下公式计算得到：
式中E为剪切模量，ρ为样品密度，VS为剪切波波速。***的具体过程如下：
1.宽带光源SLD(1)发射出中心波长为850nm的宽带近红外光，经过中心波长为850nm的光隔离器(2)，中心波长为850nm的光耦合器(3)，分成相功率比为90:10的两束光，其中功率为10％的参考光束经中心波长850nm的准直镜一(4)，光衰减器(5)，聚焦透镜一(6)入射到反射镜(7)，参考光束经反射镜(7)反射后按原路返回到耦合器处；
2.另一束功率为90％的样品光从耦合器出射经过波分复用器(8)，光准直器(9)，扫描振镜(10)，聚焦物镜(11)，环形超声换能器(12)入射到样品处，扫描振镜(10)由计算机(18)的驱动程序控制对样品进行三维扫描，环形超声换能器(12)由计算机(18)驱动程序控制产生MHz的超声波激励，在样品表面产生弹性波，然后样品光和样品组织发生作用之后，其背向散射光被聚焦物镜(11)聚焦后延原路返回到光耦合器(3)和参考光发生干涉；.样品光和参考光干涉之后的干涉光信号从光耦合器(3)的另一通道出射，经准直镜二(13)，聚焦透镜二(14)聚焦到衍射光栅(15)，干涉光经衍射光栅(15)分光，由聚焦透镜三(16)聚焦到COMES相机(17)上，COMES相机(17)由计算机(18)驱动程序控制对干涉信号进行采集处理，此时可以完成光学相干弹性成像***的检测功能；
(2)子***二：布里渊散射弹性成像
该***核心原理是利用激光在样品内激发出布里渊散射，产生声光效应，由扫描F-P干涉仪和光子接收器来获得样品的布里渊频移，进而得到声速，由声速来计算样品的体弹性模量。可以由以下公式计算得到：
式中K为剪切模量，ρ为样品密度，Vc为声子速度。
***的具体过程如下：
3.然后由窄线宽激光器(19)发出波长为532nm的连续激光，经光环形器(20)，波分复用器(8)，准直器，扫描振镜(10)，聚焦物镜(11)，环形超声换能器(12)聚焦到样品处，此时扫描振镜(10)和环形超声换能器(12)均由计算机(18)控制不再进行扫描和超声激励操作，样品的后向布里渊散射信号由聚焦物镜(11)聚焦，沿原光路返回；
4.在光环形器(20)出口出射，经准直镜三(21)，柱面镜一(22)后进入虚拟相控阵光谱仪VIPA一(23)，然后经柱面镜二(24)，矩形光阑一(25)后入射到聚焦透镜四(26)聚焦到虚拟相控阵光谱仪VIPA二(27)，经两次光谱仪的频率选择之后，出射光由聚焦透镜五(28)聚焦到矩形光阑二(29)，然后经聚焦透镜六(30)变成平行光，再由聚焦透镜七(31)对平行光信号进行聚焦到EMCCD(32)上面，由计算机(18)驱动控制EMCCD(32)对布里渊散射光谱进行采集处理。
2.根据权利要求1所述的布里渊散射和光学相干弹性成像原位检测的方法，，其特征在于，子***一的光路均由光纤连接，聚焦透镜二(14)、衍射光栅(15)15、聚焦透镜三(16)16、COMES相机(17)17组成光栅光谱仪封装模块。
3.根据权利要求1所述的布里渊散射和光学相干弹性成像原位检测的方法，其特征在于，波分复用器(8)，光准直器(9)，窄线宽激光器(19)，光环形器(20)以及准直镜三(21)均为光纤连接，构成布里渊散射弹性成像***的信号激发光路。
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