CN111759276A - 一种基于光纤延时的多通道光声显微成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于光纤延时的多通道光声显微成像方法，提升光声显微成像***功能成像的速度。所述的基于光纤延时的多通道光声显微成像方法主要是使用两根长度不同、工作在不同波段的多模光纤，光脉冲从这两根光纤出来后耦合进同一根单模光纤，获得含有2个具有一定时间间隔的光脉冲；光脉冲依次激发样品产生具有同样时间间隔光声信号，由于获取的光声信号是时间分辨的，表现为一次扫描中获取的B型扫描图在深度上含有具有一定深度间隔的对应两个波长的光声信号，进而实现多通道成像。本发明使用光纤延时的方法实现光声显微成像***功能成像速度的提升，减少测量次数，提升了成像效率。

Description

一种基于光纤延时的多通道光声显微成像方法
技术领域
本发明涉及光声显微成像领域，特别是涉及一种基于光纤延时的多通道光声显微成像方法。
背景技术
新近出现的光声显微成像技术是一种新型的、无损医学成像技术,它有机结合了纯光学成像的高对比度和纯超声成像的高分辨率优点。考虑到横向分辨率，光声显微成像***可分为光学分辨光声显微成像***(OR-PAM)和声学光声显微成像***(AR-PAM).在AR-PAM中，由于聚焦在样品上的光为弱聚焦，光斑尺寸较大，***的横向分辨率取决于焦点较小的声焦点。相反，光学分辨光声显微成像***中，由于入射光为强聚焦，光斑尺寸通常能达到几个微米，远小于声焦点。光声成像技术已经广泛应用于生物研究中，例如脉管***的结构成像、脑结构与功能的成像、肿瘤探测等。光声显微成像是基于光吸收的成像，由于血红蛋白在500-600nm波段具有相对于其他组织(出黑色素外)较高的吸收，因此光声显微成像能够很好地对血管进行结构成像。结合多光谱技术，光声成像能够进行功能性成像，例如对血氧饱和度、总血红蛋白、血容等血液动力学参数的测量。通常进行功能成像时，需要手动或者程控来切换激光器波长，例如在手动切换波长下测量血氧饱和度时，对于大范围的扫描，需要至少切换一次波长，进行两次二维光栅扫描；在程控切换波长下，激光器切换波长也需要额外较长的时间。这都会导致功能成像速度较慢，难于用于监测生理病理过程，实验结果不能正确反映当前组织状态。因此，加快功能成像速度，实现并行多通道成像就成为关键技术。
发明内容
基于此，针对上述提到的问题，提供一种用于光声显微成像的基于光纤延时的多通道成像***及方法。
一种用于光声显微成像的基于光纤延时的多通道成像方法，包括以下步骤：
S1:波长为λ1的脉冲激光器射出激光，经过一个分束器将激光束分成两束；一束进入染料激光器作为泵浦光源，一束耦合进长度为L1的多模光纤；染料激光器在泵浦下出射波长为λ2，然后耦合进长度为L2的多模光纤；
S2:将从两根多模光纤出来的光束准直，然后耦合进同一根工作波段覆盖两个波长的光纤中，经透镜聚焦后照射样品产生光声信号。
S3:进行二维光栅扫描获取三维数据，对每张B型图中两个脉冲激发的光声信号进行分割，获得每个通道下的数据集，进行图像重建。
优选的，步骤S1所述两根多模光纤的长度应根据光声显微***的轴向分辨率来确定；对两根多模光纤的长度L1(更长的那根)、L2的要求是：为保证从两根多模光纤出来的光脉冲激发的光声信号能够很好区分出来，要求对应两个光声信号之间的深度间隔应大于***的轴向分辨率Res(对于中心频率为50MHz的超声探头，其轴向分辨率约45微米)，考虑到光声信号在水中的速度v＝1500m/s，则两个光脉冲之间的时间间隔应大于Res/v，因此，两根多模光纤的长度应满足
Figure BDA0002534947080000021
其中c为光在真空的速度，n1、n2为两根多模光纤的折射率。
优选的，步骤S3所述的分割是指在两根多模光纤的长度满足步骤S1中条件时，从两根多模光纤出来的两个光脉冲在时间上间隔足够大，激光的光声信号相隔足够远，反映在B型图上(纵向为深度)为信号彼此不重叠、间隔分布，因此在B型图上两个通道的光声信号之间确定一个位置即可分割。
一种基于光纤延时的多通道光声显微成像方法的装置，包括：激光模块、延时模块、采集模块、调焦模块以及控制模块。
激光模块，用于产生激光束，并将所述激光束聚焦，包括泵浦激光器和染料激光器、第六聚光透镜和物镜；
延时模块，主要由两根长度不同、工作在不同波段的多模光纤组成，用于将不同波长的光脉冲进行延时，并通过聚光镜耦合至同一根工作波段覆盖两个波长的光纤中，包括分光镜、染料激光器、第一聚光透镜、第二聚光透镜、第三聚光透镜、第四聚光透镜、第五聚光透镜、第一多模光纤、第二多模光纤、立方体、光纤；
采集模块，用于传导所述激光模块生成的聚焦后的激光束到样品上，并采集在样品上产生的光声信号，包括超声探头、放大器和信号采集卡；
调焦模块，用于调整所述超声探头与所述样品的间距，包括三维扫描器；
控制模块，与所述激光模块、采集模块和调焦模块电连接，包括工作站。
优选的，泵浦激光器和染料激光器是两台不同波长的激光器，分别发出激光束后经过延时模块。
优选的，所述超声探头包括超声换能器和声光耦合棱镜，所述声光耦合棱镜的数值孔径为0.5。
优选的，所述采集模块中还包括水槽，所述水槽设置在所述超声探头和所述样品之间。
本发明使用两根长度不同的多模光纤，光脉冲从这两根光纤出来后耦合进同一根单模光纤，获得含有两个具有一定时间间隔的不同波长的光脉冲；这两个光脉冲依次激发样品产生具有同样时间间隔光声信号，表现为获取的B型扫描图在深度上含有具有一定深度间隔的对应两个波长的光声信号，进而进行并行多通道成像。本发明使用光纤延时的方法使光声显微成像***在进行结构成像的基础上实现功能成像速度的提升，减少测量次数，提升了成像效率。
附图说明
图1为本发明一实施例中的用于光声显微成像的基于光纤延时的多通道成像***的结构示意图。
图中：1、泵浦激光器；2、分光镜；3、染料激光器；4、第一聚光透镜；5、第二聚光透镜；6、第三聚光透镜；7、第四聚光透镜；8、第五聚光透镜；9、第一多模光纤；10、第二多模光纤；11、立方体；12、光纤；13、第六聚光透镜；14、物镜；15、超声换能器；16、声光耦合棱镜；17、水槽；18、样品；19、三维扫描器；20、放大器；21、信号采集卡；22、工作站。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
一种用于光声显微成像的基于光纤延时的多通道成像方法，包括以下步骤：
S1:波长为λ1的脉冲激光器射出激光，经过一个分束器将激光束分成两束；一束进入染料激光器作为泵浦光源，一束耦合进长度为L1的多模光纤；染料激光器在泵浦下出射波长为λ2，然后耦合进长度为L2的多模光纤；
S2:将从两根多模光纤出来的光束准直，然后耦合进同一根工作波段覆盖两个波长的光纤中，经透镜聚焦后照射样品产生光声信号。
S3:进行二维光栅扫描获取三维数据，对每张B型图中两个脉冲激发的光声信号进行分割，获得每个通道下的数据集，进行图像重建。
步骤S1所述两根多模光纤的长度应根据光声显微***的轴向分辨率来确定；对两根多模光纤的长度L1(更长的那根)、L2的要求是：为保证从两根多模光纤出来的光脉冲激发的光声信号能够很好区分出来，要求对应两个光声信号之间的深度间隔应大于***的轴向分辨率Res(对于中心频率为50MHz的超声探头，其轴向分辨率约45微米)，考虑到光声信号在水中的速度v＝1500m/s，则两个光脉冲之间的时间间隔应大于Res/v，因此，两根多模光纤的长度应满足
Figure BDA0002534947080000051
其中c为光在真空的速度，n1、n2为两根多模光纤的折射率。
步骤S3所述的分割是指在两根多模光纤的长度满足步骤S1中条件时，从两根多模光纤出来的两个光脉冲在时间上间隔足够大，激光的光声信号相隔足够远，反映在B型图上(纵向为深度)为信号彼此不重叠、间隔分布，因此在B型图上两个通道的光声信号之间确定一个位置即可分割。
实施例1本发明的装置和方法
图一为本发明整套成像装置的原理结构示意图。该***的主要器件包括泵浦激光器1、染料激光器3、分光镜2、第一聚光透镜4、第二聚光透镜5、第三聚光透镜6、第四聚光透镜7、第五聚光透镜8、第一多模光纤9、第二多模光纤10、立方体11、光纤12、物镜14、声光耦合棱镜16、超声换能器15、放大器20、信号采集卡21、工作站22组成。泵浦激光器1为德国EdgeWave公司生产的脉冲激光器，该激光器脉冲发放频率为1KHz、激光波长为523nm、脉宽为9ns。激光出射后通过一个分光镜将激光束分成两束，一束耦合进长度为51m、芯径为50微米的多模光纤9，另一束进入染料激光器3作为泵浦光源。染料激光器3在泵浦光源的作用下出射近红外波段的激光脉冲(本例中为744nm),然后耦合进长度为1m的多模光纤10。从两根多模光纤出来的光束被准直，然后通过立方体11经透镜耦合进同一根光纤12中。这样从两根多模光纤出来的两个光脉冲获得约240ns的时间间隔。从光纤12出来的光束通过第六聚光透镜13准直后，最终被物镜14依次聚焦在样品18上。产生的光声信号被自制的声光耦合棱镜16(数值孔径为0.5)和超声换能器15(中心频率50MHz,奥林巴斯)探测接收，经放大器20放大后被采样率500MHz的采集卡21采集，采样数为1024个。水槽17的作用是用来耦合光声信号的。三维扫描器19用于超声探头的二维光栅扫描以及用于轴向上超声探头的移动。
考虑到光声信号在水中的速度为1500m/s，时间间隔为240ns的两个光脉冲激发产生的光声信号相距约360μm。由于超声探头中心频率为50MHz，所能提供的轴向分辨率约为40μm，因此，两个光声信号能够被很好的区分开，这反应在获取的A型扫描数据中为两个信号相隔120个采样点(如图1中23)。因此，可直接在两信号位置之间选取一位置进行分割，从而一次扫描获得多波长(多通道)数据集，加快成像效率。

Claims (7)

1.一种用于光声显微成像的基于光纤延时的多通道成像方法，包括以下步骤：
S1:波长为λ1的脉冲激光器射出激光，经过一个分束器将激光束分成两束；一束进入染料激光器作为泵浦光源，一束耦合进长度为L1的多模光纤；染料激光器在泵浦下出射波长为λ2，然后耦合进长度为L2的多模光纤；
S2:将从两根多模光纤出来的光束准直，然后耦合进同一根工作波段覆盖两个波长的光纤中，经透镜聚焦后照射样品产生光声信号。
S3:进行二维光栅扫描获取三维数据，对每张B型图中两个脉冲激发的光声信号进行分割，获得每个通道下的数据集，进行图像重建。
2.根据权利要求1所述基于光纤延时的多通道光声显微成像方法，其特征在于，步骤S1所述两根多模光纤的长度应根据光声显微***的轴向分辨率来确定；对两根多模光纤的长度L1、L2的要求是：为保证从两根多模光纤出来的光脉冲激发的光声信号能够很好区分出来，要求对应两个光声信号之间的深度间隔应大于***的轴向分辨率Res，考虑到光声信号在水中的速度v＝1500m/s，则两个光脉冲之间的时间间隔应大于Res/v，因此，两根多模光纤的长度应满足
Figure FDA0002534947070000011
其中c为光在真空的速度，n1、n2为两根多模光纤的折射率。
3.根据权利要求1所述基于光纤延时的多通道光声显微成像方法，其特征在于，步骤S3所述的分割是指在两根多模光纤的长度满足步骤S1中条件时，从两根多模光纤出来的两个光脉冲在时间上间隔足够大，激光的光声信号相隔足够远，反映在B型图上为信号彼此不重叠、间隔分布，因此在B型图上两个通道的光声信号之间确定一个位置即可分割。
4.一种基于光纤延时的多通道光声显微成像方法的装置，包括：激光模块、延时模块、采集模块、调焦模块、控制模块；
激光模块，包括泵浦激光器(1)、染料激光器(3)、第六聚光透镜(13)和物镜(14)；
延时模块，包括分光镜(2)、第一聚光透镜(4)、第二聚光透镜(5)、第三聚光透镜(6)、第四聚光透镜(7)、第五聚光透镜(8)、第一多模光纤(9)、第二多模光纤(10)、立方体(11)、光纤(12)；
采集模块，包括超声探头、放大器(20)和信号采集卡(21)；
调焦模块，包括三维扫描器(19)；
控制模块，包括工作站(22)。
5.根据权利要求4所述的一种基于光纤延时的多通道光声显微成像方法的装置，其特征在于，所述泵浦激光器(1)和染料激光器(3)是两台不同波长的激光器，分别发出激光束后经过延时模块。
6.根据权利要求4所述的一种基于光纤延时的多通道光声显微成像方法的装置，其特征在于，所述超声探头包括超声换能器(15)和声光耦合棱镜(16)，所述声光耦合棱镜的数值孔径为0.5。
7.根据权利要求4所述的一种基于光纤延时的多通道光声显微成像方法的装置，其特征在于，所述采集模块中还包括水槽(17)，所述水槽(17)设置在所述超声探头和样品(18)之间。
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