CN114129132A - 一种大视场高速光声显微成像装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大视场高速光声显微成像装置及方法。该装置包括激光源组件、光束传输组件、光束扫描组件、反射式成像端口组件及计算机。该方法使用片状光纤束传输脉冲激光器发出的纳秒脉冲激光作为激发光，使用微透镜阵列实现光聚焦，同时激发成像区域单个半径上的光声信号，使用线聚焦超声换能器阵列同时探测单个半径上的光声信号，并结合半径旋转扫描方法实现三维成像。通过半径旋转扫描，将光声显微成像的视场扩展至厘米量级；通过光声信号同时激光、同时采集及重建，将成像时间缩短到秒级，同时实现大视场条件下的高速成像，为动物器官尺度光声成像、大动物光声成像提供条件。

Description

一种大视场高速光声显微成像装置及方法
技术领域
本发明属于医疗设备与方法领域，具体涉及一种大视场高速光声显微成像装置及方法。
背景技术
光声显微成像指使用聚焦激光照射在成像样品上，激发超声波，探测超声波获得样品内部一定深度内的光吸收信息，通过扫描聚焦光束实现三维成像的一种新型光学影像方法。由于血红蛋白对可见光的强吸收，光声显微成像被广泛用于揭示各种模式动物及人的三维血管网络结构及功能变化。
目前国内外光声显微成像公开的常用实现方法是使用物镜或扫描透镜聚焦脉冲激光激发光声信号，使用点聚焦超声换能器探测信号，使用二维直线电机扫描光声显微成像***或目标获得图像。这种方法受限于直线电机螺杆和滑块结构，对较大尺寸目标成像存在速度慢，***体积大，***与目标之间存在相对移动等问题，成像范围一般在1×1 cm2左右，成像时间取决于脉冲激光器的重复频率，使用10 kHz的激光重复频率成像时间为100秒左右。
针对以上问题，国内外多个研究团队提出了使用扫描振镜扫描聚焦激光束，使用平场超声换能器探测信号；或使用水浸式微型扫描振镜或多边形扫描器同时扫描聚焦激光束和点聚焦超声换能器超声声场，结合具有高重复频率的脉冲激光器，一定程度上实现了稍大范围的快速成像。但是这些方法或者牺牲了信号探测的信噪比，或者受液体阻尼等因素的影响，没有从根本上解决问题。
另外一种解决方法是使用线聚焦超声换能器探测光声信号，使用光学扫描振镜沿超声聚焦线扫描，完成一次扫描后沿中心旋转超声换能器并重复以上步骤直至旋转角度达到360度覆盖圆形成像区域，在直径4厘米的成像范围下成像时间为400秒。
上述解决方法虽然在实现了大视场成像的同时通过线聚焦超声换能器获得较高的信噪比，但是仍然无法解决大视场成像下扫描点数与扫描时间的矛盾关系，同时由于高频超声换能器的限制，单个超声换能器难以实现更大范围的成像。这些问题限制了光声显微成像在临床及生物医学研究中的应用。
发明内容
（一）要解决的技术问题
针对现有光声显微成像方法视场小，速度较慢的问题，本发明旨在提供一种结合微透镜阵列聚焦、线聚焦阵列超声换能器探测及半径旋转扫描机制的新型光声显微成像装置及方法，能够在大视场成像条件下进行高速成像，提高现有光声显微成像的视场同时缩短其成像时间，同时满足高速、大视场的要求，为生物医学成像需求提供一种新型成像装置。
（二）技术方案
本发明为解决其技术问题，提供了一种大视场高速光声显微成像装置及方法，具体技术方案如下。
一种大视场高速光声显微成像装置，其特征在于：包括激光源组件、光束传输组件、光束扫描组件、反射式成像端口组件及计算机；
所述激光源组件包括脉冲激光器，用于向成像目标发射脉冲激光；
所述光束传输组件包括空间光滤波器、凸透镜和片状光纤束，用于实现脉冲激光的同轴汇聚、整形和传输；
所述光束扫描组件包括光纤旋转电机及光纤旋转齿轮组、光纤旋转电机控制器及线性排列的微透镜阵列，用于实现脉冲激光的扫描与聚焦；
所述反射式成像端口组件包括光-声信号同轴耦合装置、换能器旋转电机及换能器旋转齿轮组、换能器旋转电机控制器、线聚焦超声换能器阵列、多通道放大滤波及采集***，用于实现光声信号的激发、传输及采集；所述光-声信号同轴耦合装置内部为斜45度固定的石英玻璃盖玻片，填充去离子水作为耦合液体，表面以透明薄膜密封；片状光纤束输出的光经过线性排列的微透镜阵列聚焦后，穿过光-声信号同轴耦合装置，照射在成像样品上，聚焦光斑成直线排列与线聚焦超声换能器阵列的焦区重合；成像样品吸收光能量产生光声信号，进入光-声信号同轴耦合装置，并被石英玻璃盖玻片反射到线聚焦超声换能器阵列表面，实现探测；
所述计算机用于控制光束扫描组件中光纤旋转电机及反射式成像端口组件中换能器旋转电机的同步；同时也用于光声信号重建及图像处理。
更具体地，所述激光源组件向成像目标发射脉冲激光，脉冲重复频率为10 kHz，脉冲激光器工作波长为532 nm。
更具体地，所述光束传输组件的工作方式如下，由脉冲激光器输出的脉冲激光以空间光的形式发出，首先通过空间光滤波器，再经过凸透镜耦合进入片状光纤束的圆形输入端。
更具体地，所述光束扫描组件的工作方式如下，脉冲激光由片状光纤束的输出端输出，光纤束内部的光纤经过特定设计排列，使输出光斑为矩形，输出光传输至线性排列的微透镜阵列，穿过光-声信号同轴耦合装置后在焦点处会聚为一条线照射在成像样品上，光纤旋转电机用于驱动片状光纤束及微透镜阵列旋转。
更具体地，所述反射式成像端口组件的工作方式如下，组件内光-声信号同轴耦合装置中的去离子水与石英玻璃盖玻片的折射率近似，使得脉冲光束直接透过装置照射在成像样品上；成像样品的组织吸收光能量产生超声波，激发的后向超声波由于去离子水与石英玻璃盖玻片的声阻抗差异，被石英玻璃盖玻片反射到线聚焦超声换能器阵列上，转换为电信号并通过放大、滤波之后存储在计算机内；图像采集期间，完成一条线上的信号采集之后，换能器旋转电机分别驱动片状光纤束、微透镜阵列及线聚焦超声换能器阵列旋转，使片状光纤束的输出光、经过微透镜阵列后的光焦线及线聚焦超声换能器阵列经过石英玻璃盖玻片反射后的声焦线重合，且沿线的一端旋转一个预设角度（如0.018度），进行采集，表现在成像面上为半径沿着圆的中心进行旋转，直至旋转角度达到360度，完成采集。
一种大视场高速光声显微成像方法，其特征在于，采用前述任意一项所述的大视场高速光声显微成像装置来获得光声成像，步骤如下：
步骤S1，将经过脱毛、清洁处理的实验动物置于成像台上，将待成像部位涂抹超声耦合剂紧贴于光-声信号同轴耦合装置的透明密封薄膜上；
步骤S2，脉冲激光器发出脉冲激光，依次通过空间光滤波器、凸透镜、片状光纤束和微透镜阵列，聚焦后的光束穿过光-声信号同轴耦合装置，照射在实验动物成像部位上，激发出光声信号；光声信号以机械波的形式透过光-声信号同轴耦合装置表面的透明密封薄膜，进入内部，在去离子水内传输，被斜45度固定的石英玻璃盖玻片反射到线聚焦超声换能器阵列表面，转换为电信号；其中，微透镜阵列每一个光焦点位置产生的光声信号包含该点的深度信号，称为“A线信号”，微透镜阵列的焦点依次排列，产生的包含深度的二维数据称为“B扫描数据”；
步骤S3，在获得初始角度的“B扫描数据”后，光纤旋转电机及换能器旋转电机通过光纤旋转齿轮组及换能器旋转齿轮组分别带动片状光纤束、微透镜阵列及线聚焦超声换能器阵列沿一侧旋转一个预设角度（如0.018度），表现在成像窗口上为聚焦光束及超声聚焦线以一侧为轴，自身为半径同时旋转相同角度（0.018度）以保持同步；
步骤S4，不断重复步骤S2及S3，直至旋转角度达到360度，完成一次成像的扫描与数据采集；
步骤S5，对采集到的数据进行图像重建；利用滤波反投影算法，对获得的“B扫描数据”进行重建，获得每个半径上包含深度的二维图像，并结合光聚焦定位提高分辨率；利用坐标系转换算法将旋转采集的二维图像映射至直角坐标系，并将采集到的二维图像重建为三维图像；最后利用三维图像滤波优化成像效果。
（三）有益效果
相对于现有技术而言，本发明具备显著积极的技术效果，其有益效果至少体现在以下几个方面。
（1）本发明的光声显微成像方法及装置采用旋转电机控制聚焦光束及超声换能器阵列扫描，其成像范围取决于阵列超声换能器有效探测范围及微透镜阵列尺寸，可以实现超大视场（大于直径5厘米的成像范围）的光声显微成像。
（2）本发明的光声显微成像方法及装置使用微透镜阵列聚焦激光，使用阵列超声换能器探测信号，可以同时获得一条线上各个位置的光声信号进行重建，其成像速度取决于旋转扫描的步长及脉冲激光器的脉冲重复频率，可以实现高速（达到秒级）光声显微成像。
附图说明
图1为本发明大视场高速光声显微成像装置的***结构示意图。
图2为本发明大视场高速光声显微成像方法的基本原理示意图。
具体实施方式
本发明为了解决其技术问题，提供了一种大视场高速光声显微成像装置及方法。下面结合说明书附图，通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明例提供的一种大视场高速光声显微成像***，具体地，如图1所示，该装置包括激光源组件1、光束传输组件2、光束扫描组件3、反射式成像端口组件4及计算机5。
如图1所示，光束传输组件包括空间光滤波器2-1、凸透镜2-2及片状光纤束2-2。
如图1所示，光束扫描组件包括微透镜阵列3-1、电机控制器3-2、光纤旋转电机3-3及光纤旋转齿轮组3-4、3-5。
如图1所示，反射式成像端口组件包括光-声信号同轴耦合装置（下方密封盖玻片4-1、45度斜安装的石英玻璃盖玻片4-2、表面透明密封薄膜4-3及填充的去离子水）、线聚焦超声换能器阵列4-4、换能器旋转电机4-5、换能器旋转齿轮组4-6及4-7、信号放大器4-8、带通滤波器4-9及数据采集卡4-10。
具体地，激光源组件1发出的脉冲激光通过空间光滤波器2-1、凸透镜2-2耦合进入片状光纤束2-3，由光纤束输出的脉冲激光传输至线性排列的微透镜阵列3-1，穿过光-声信号同轴耦合装置的下方密封盖玻片4-1、45度斜安装的石英玻璃盖玻片4-2及表面透明密封薄膜4-3后在焦点处会聚为一条线照射在成像样品上。光声信号透过透明密封薄膜4-3进入内部，在去离子水内传输，被斜45度固定的石英玻璃盖玻片4-2反射到线聚焦超声换能器阵列4-4表面。信号依次通过信号放大器4-8、带通滤波器4-9及数据采集卡4-10，存储在计算机5内并重建。
在完成一个成像面的采集后，电机控制器3-2控制两个旋转电机3-3及4-5分别通过传动齿轮组3-4、3-5及4-6、4-7带动片状光纤束2-2、微透镜阵列3-1及线聚焦超声换能器阵列4-4旋转一个预设角度（如0.018度），到达下一个成像面，继续进行采集。
本实施例所述的大视场高速光声显微成像方法的基本原理如图2所示，实现该方法主要使用片状光纤束1、线性排列的微透镜阵列2、线聚焦超声换能器阵列5等关键组件，具体包括下述步骤：
（1）光声信号的激发与探测，片状光纤束1将脉冲激光器发出的脉冲激光传输到微透镜阵列2表面，通过微透镜阵列2后的脉冲光焦点线性排列照射在样品上，照射在实验动物成像部位上，激发出光声信号；光声信号在线聚焦超声换能器阵列5表面转换为电信号；其中，微透镜阵列每一个光焦点位置产生的光声信号包含该点的深度信号，微透镜阵列的焦点依次排列，产生包含深度的二维数据；
（2）完成某一平面的光声信号数据采集后，以成像面的一侧6为轴，成像面长度为半径，旋转一个预设角度（如0.018度）；
（3）不断重复步骤（1）及（2）直至旋转角度达到360度；
（4）图像重建。利用滤波反投影算法获得单一成像面包含深度的二维图像，并结合光聚焦定位提高分辨率；利用坐标系转换算法将二维图像映射至直角坐标系，并重建为三维图像；最后利用三维图像滤波优化成像效果。
本申请中所描述的具体实施案例仅仅是对本发明的主要思想作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种大视场高速光声显微成像装置，其特征在于：包括激光源组件、光束传输组件、光束扫描组件、反射式成像端口组件及计算机；
所述激光源组件包括脉冲激光器，用于向成像目标发射脉冲激光；
所述光束传输组件包括空间光滤波器、凸透镜和片状光纤束，用于实现脉冲激光的同轴会聚、整形和传输；
所述光束扫描组件包括光纤旋转电机及光纤旋转齿轮组、光纤旋转电机控制器及线性排列的微透镜阵列，用于实现脉冲激光的扫描与聚焦；
所述反射式成像端口组件包括光-声信号同轴耦合装置、换能器旋转电机及换能器旋转齿轮组、换能器旋转电机控制器、线聚焦超声换能器阵列、多通道放大滤波及采集***，用于实现光声信号的激发、传输及采集；所述光-声信号同轴耦合装置内部为斜45度固定的石英玻璃盖玻片，填充去离子水作为耦合液体，表面以透明薄膜密封；片状光纤束输出的光经过线性排列的微透镜阵列聚焦后，穿过光-声信号同轴耦合装置，照射在成像样品上，聚焦光斑成直线排列与线聚焦超声换能器阵列的焦区重合；成像样品吸收光能量产生光声信号，进入光-声信号同轴耦合装置，并被石英玻璃盖玻片反射到线聚焦超声换能器阵列表面，实现探测；
所述计算机用于控制光束扫描组件中光纤旋转电机及反射式成像端口组件中换能器旋转电机的同步；同时也用于光声信号重建及图像处理。
2.根据权利要求1所述的大视场高速光声显微成像装置，其特征在于：所述激光源组件向成像目标发射脉冲激光，脉冲重复频率为10 kHz，脉冲激光器工作波长为532 nm。
3.根据权利要求1所述的大视场高速光声显微成像装置，其特征在于：所述光束传输组件的工作方式如下，由脉冲激光器输出的脉冲激光以空间光的形式发出，首先通过空间光滤波器，再经过凸透镜耦合进入片状光纤束的圆形输入端。
4.根据权利要求1所述的大视场高速光声显微成像装置，其特征在于：所述光束扫描组件的工作方式如下，脉冲激光由片状光纤束的输出端输出，光纤束内部的光纤经过特定设计排列，使输出光斑为矩形，输出光传输至线性排列的微透镜阵列，穿过光-声信号同轴耦合装置后在焦点处会聚为一条线照射在成像样品上，光纤旋转电机用于驱动片状光纤束及微透镜阵列旋转。
5.根据权利要求1所述的大视场高速光声显微成像装置，其特征在于：所述反射式成像端口组件的工作方式如下，组件内光-声信号同轴耦合装置中的去离子水与石英玻璃盖玻片的折射率近似，使得脉冲光束直接透过装置照射在成像样品上；成像样品的组织吸收光能量产生超声波，激发的后向超声波由于去离子水与石英玻璃盖玻片的声阻抗差异，被石英玻璃盖玻片反射到线聚焦超声换能器阵列上，转换为电信号并通过放大、滤波之后存储在计算机内；图像采集期间，完成一条线上的信号采集之后，光纤旋转电机分别驱动片状光纤束、微透镜阵列及线聚焦超声换能器阵列旋转，使片状光纤束的输出光、经过微透镜阵列后的光焦线及线聚焦超声换能器阵列经过石英玻璃盖玻片反射后的声焦线重合，且沿线的一端旋转一个预设角度（如0.018度），进行采集，表现在成像面上为半径沿着圆的中心进行旋转，直至旋转角度达到360度，完成采集。
6.一种大视场高速光声显微成像方法，其特征在于，采用如权利要求1-5中任意一项所述的大视场高速光声显微成像装置来获得光声成像，步骤如下：
步骤S1，将经过脱毛、清洁处理的实验动物置于成像台上，将待成像部位涂抹超声耦合剂紧贴于光-声信号同轴耦合装置的透明密封薄膜上；
步骤S2，脉冲激光器发出脉冲激光，依次通过空间光滤波器、凸透镜、片状光纤束和微透镜阵列，聚焦后的光束穿过光-声信号同轴耦合装置，照射在实验动物成像部位上，激发出光声信号；光声信号以机械波的形式透过光-声信号同轴耦合装置表面的透明密封薄膜，进入内部，在去离子水内传输，被斜45度固定的石英玻璃盖玻片反射到线聚焦超声换能器阵列表面，转换为电信号；其中，微透镜阵列每一个光焦点位置产生的光声信号包含该点的深度信号，称为“A线信号”，微透镜阵列的焦点依次排列，产生的包含深度的二维数据称为“B扫描数据”；
步骤S3，在获得初始角度的“B扫描数据”后，光纤旋转电机及换能器旋转电机通过光纤旋转齿轮组及换能器旋转齿轮组分别带动片状光纤束、微透镜阵列及线聚焦超声换能器阵列沿一侧旋转一个预设角度（如0.018度），表现在成像窗口上为聚焦光束及超声聚焦线以一侧为轴，自身为半径同时旋转相同角度（0.018度）以保持同步；
步骤S4，不断重复步骤S2及S3，直至旋转角度达到360度，完成一次成像的扫描与数据采集；
步骤S5，对采集到的数据进行图像重建；利用滤波反投影算法，对获得的“B扫描数据”进行重建，获得每个半径上包含深度的二维图像，并结合光聚焦定位提高分辨率；利用坐标系转换算法将旋转采集的二维图像映射至直角坐标系，并将采集到的二维图像重建为三维图像；最后利用三维图像滤波优化成像效果。
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