CN102944521B - 非接触式光声和光学相干断层双成像装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式光声和光学相干断层双成像装置及其检测方法。该双成像装置包括信号检测组件、扫描延迟线组件、扫描头组件、扫描头支撑组件和信号采集/处理组件；信号检测组件、扫描头组件和扫描头支撑组件依次连接，信号检测组件分别与扫描延迟线组件、信号采集/处理组件连接，扫描头组件和信号采集/处理组件连接。本发明将光声成像装置和光学相干断层成像装置有机结合起来，通过检测由于光声信号导致的生物组织表面的振动的位移来达到检测光声信号的目的，摆脱了传统的换能器的带宽限制缺陷和耦合光声信号检测的限制，使得光声成像和光学相干断层成像各自成像优势互补，系统结构设计合理有效，能够为临床诊断提供更准确的信息。

Description

非接触式光声和光学相干断层双成像装置及其检测方法

技术领域

本发明属于光声成像技术领域，特别涉及一种非接触式光声和光学相干断层双成像装置及其检测方法。

背景技术

当用光辐照某种吸收体时，吸收体吸收光能量而产生温升，温度升降引起吸收体的体积胀缩，产生超声波，这种现象称为光声效应。光声效应自19世纪被发现以来一直受到人们的关注，其在各个方面都有不同程度的应用。作为一种新型的成像技术，光声成像在越来越多的领域得到了应用。该成像技术以短脉冲激光作为激励源，以及由此激发的超声信号作为信息载体，通过对采集到的信号进行图像重建，进而得到组织的光吸收分布信息，该技术融合了纯光学成像技术的高对比度和纯声学成像的高分辨率的优点。光声成像技术不仅能够有效的刻画生物组织结构，还能够精确实现无损功能成像，为研究生物组织的形态结构，生理、病理特征，代谢功能等提供了全新手段，在生物医学领域具有广阔的应用前景。

传统的光声信号检测工具一般都是超声换能器，而光声信号具有很宽的频带，但是传统超声换能器受到材料限制，一般频带都较窄。宽频的光声信号与频带较窄的探测器形成了不可调和的矛盾。光学相干断层成像利用生物组织对光的吸收的差异性来实现对生物组织的成像，是近年发展起来的无损光学成像方法之一，因其优异的亚微米分辨率，已经在临床上尤其是在对眼科疾病的诊断上得到广泛的应用。但是，由于光学穿透深度的限制，光学相干断层成像深度仅限在1mm内，而光声成像技术可以达到超声成像的成像深度，因此把两种成像方法综合起来是可以实现两种成像方法的优势互补，即在1mm内用OCT方法进行成像，而在1mm以外使用光声成像方法进行成像，从而实现在是不同深度上分辨率的互补。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种非接触式光声和光学相干断层双成像装置。

本发明的另一目的在于提供运用上述非接触式光声和光学相干断层双成像装置的检测方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种非接触式光声和光学相干断层双成像装置，包括信号检测组件、扫描延迟线组件、扫描头组件、扫描头支撑组件和信号采集/处理组件；信号检测组件、扫描头组件和扫描头支撑组件依次连接，信号检测组件分别与扫描延迟线组件、信号采集/处理组件连接，扫描头组件和信号采集/处理组件连接；

所述的信号检测组件包括宽带光源、光纤环形器、光纤耦合器、光纤准直器A和光电平衡探测器，宽带光源、光纤环形器、光纤耦合器和光纤准直器A依次连接，光电平衡探测器分别与光纤环形器、光纤耦合器连接，光纤耦合器与扫描头组件连接，光纤准直器A和扫描延迟线组件连接；

所述的宽带光源优选设置有光纤输出；

所述的光纤耦合器优选为2×2的光纤耦合器；

所述的扫描延迟线组件包括依次连接的双通镜、衍射光栅、傅里叶变换透镜和一维振镜；双通镜与所述的光纤准直器A连接；

所述的双通镜、衍射光栅、傅里叶变换透镜和一维振镜严格光学同轴；

所述的扫描头组件包括光纤准直器B、正透镜组、二向色镜和二维扫描振镜，光纤准直器B、二向色镜和二维扫描振镜依次连接，正透镜组和二向色镜连接，光纤准直器B与所述的光纤耦合器连接；

所述的光纤准直器、正透镜组、二向色镜和二维扫描振镜严格光学同轴；

所述的扫描头支撑组件包括平场物镜、一维平移台和扫描头支撑架；扫描头组件和一维平移台分别设置于扫描头支撑架上；

所述的一维平移台、扫描头支撑架与扫描头组件按照合理力学结构组成整个非接触式光声和光学相干断层双成像装置的扫描部件；

所述的信号采集/处理组件由光声激发源、同轴电缆、采集卡和计算机组成，光声激发源、采集卡和计算机依次连接，采集卡通过同轴电缆与计算机连接；计算机通过采集卡分别与一维振镜、二维扫描振镜连接；

所述的光声激发源、同轴电缆、采集卡和计算机依次电气连接；

所述的计算机安装有采集控制及信号处理系统；

所述的采集控制及信号处理系统优选采用Labview和Matlab自行编写的采集控制及信号处理系统；

运用上述非接触式光声和光学相干断层双成像装置的检测方法，包括以下步骤：

（1）把样品置于一维平移台上，扫描头组件置于样品表面的正上方，并使扫描头组件的光轴处于铅直方向；

（2）在样品表面涂抹矿物油，光声激发光源和宽带光源通过二向色镜合为一束光后，依次经过二维扫描振镜和平场物镜照射到样品表面，调节正透镜组和一维平移台使得光声激发光聚焦于样品的表面，使光声信号检测光聚焦于油层的表面；

（3）使光声激发光照射到样品上，样品吸收光能后产生光声信号，光声信号引起样品表面的振动；样品表面的振动使得油滴表面也发生振动，聚焦在油滴表面的光声检测光反射回到光纤耦合器内与扫描延迟线反射回去的光发生干涉，通过光电平衡探测器检测干涉后的信号为油滴表面的振动信号（即光声信号导致样品表面振动的信号），对此信号进行一阶求导得到样品的光声信号；

（4）使宽带光源（即光纤检测光源）通过扫描头组件照射到样品上，并调节扫描延迟线组件使宽带光源在纵向上实现对样品的扫描，扫描完一个点后扫描延迟线的一维振镜回到原来位置上；宽带光源照射到样品上，由于不同的组织对光的吸收和散射不同，部分光会沿原路返回到光纤耦合器内，与扫描延迟线反射回去的光发生干涉，通过光电平衡探测器检测干涉后的信号为一个样品点的相干信号；

（5）改变二维扫描振镜X、Y轴的各自偏角使光声激发光和宽带光源发生偏转，重新进行光声成像和光学相干断层成像，二维扫描振镜每偏转一次，采集卡就进行一次数据采集；

（6）采集完全部信号后，通过最大值投影重建出组织样品的光声和光学相干断层二维图像及三维图像；

步骤（2）中所述的矿物油的厚度优选为0.5～1.5mm；

所述的光声激发光源的脉冲激光波长为400～2500nm，脉宽为1～50ns，重复频率为1Hz～50kHz；

所述的宽带光源的波长为800～1600nm，带宽为40～120nm；

优选的，所述的光声激发光源的脉冲激光波长为532nm，脉宽为4ns，重复频率为20Hz；

优选的，所述的宽带光源的波长为1310nm，带宽为45nm；

所述三维图像的建立方法优选采用以下方法进行：对所有的光声信号和光学相干断层信号取相同时间长度并作纵切面投影，将投影后得到的光声图像和光学相干断层图像在三维重建软件volview3.2上重建三维图像，在三维重建软件中旋转整个三维图像得到任意视角的三维图像。

本发明的作用原理是：光声激发光源产生脉冲激光，通过平场物镜聚焦到样品上，样品产生光声信号，光声信号会引起样品表面的振动，样品表面的振动使得油滴表面也发生振动，聚焦在油滴表面的光声检测光反射回到光纤耦合器内与参考臂发生干涉，通过光电平衡探测器检测干涉后的信号为油滴表面的振动信号，即光声信号导致样品表面振动的信号，对此信号进行一阶求导得到样品的光声压信号；得到一个光声压信号后，开始采集光学相干断层信号，即宽带光源照射到样品上，由于样品内的各部分对光的吸收和散射不同，部分光会沿原路返回到光纤耦合器内与扫描延迟线反射回去的光发生干涉，通过光电平衡探测器检测干涉后的信号为一个样品点的相干信号；然后改变二维扫描振镜X、Y轴的各自偏角使光声激发光和宽带光源发生偏转，重新进行光声成像和光学相干断层成像，二维扫描振镜每偏转一次，采集卡就进行一次数据采集。采集完全部信号后，通过最大值投影重建出组织样品的光声和光学相干断层二维图像及三维图像。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

（1）本发明采用宽带光源作为光学相干断层成像光源和光声信号的检测光源，当脉冲激光照射到样品表面产生光声信号，光声信号使样品表面发生振动，而振动又传导给样品表面的油滴，照射在油滴表面的光声信号检测光反射回光纤耦合器与扫描延迟线反射回去的光发生相干，由光声信号产生原理可知对检测到的相干信号进行一阶导数就可以得到光声信号。本发明通过检测由于光声信号导致的生物组织表面的振动的位移来达到检测光声信号的目的，摆脱了传统的换能器的带宽限制缺陷和传统的耦合光声信号检测的限制。

（2）本发明将光声成像装置和光学相干断层成像装置有机结合起来，使得光声成像和光学相干断层成像各自成像优势互补，系统结构设计合理有效，能够为临床诊断提供更准确的信息。

（3）本发明中的激光均用光纤传输，使得整个系统易于移动，能够有效地推动临床应用。

附图说明

图1是实施例1的非接触式光声和光学相干断层成像装置的结构示意图，其中：1-1为宽带光源，1-2为光纤环形器，1-3为2×2光纤耦合器，1-4为光纤准直器A，1-5为光电平衡探测器，2为扫描延迟线组件，3为扫描头组件，4-1为平场物镜，4-2为一维平移台，4-3为扫描头支撑架，5-1为光声激发源，5-2为采集卡，5-3为计算机。

图2是实施例1的扫描延迟线组件的详细结构示意图，其中：2-1为双通镜，2-2为衍射光栅，2-3为傅里叶透镜，2-4为一维振镜。

图3是实施例1的扫描头组件的详细结构示意图，其中：3-1光纤准直器B，3-2正透镜组，3-3二向色镜，3-4二维扫描振镜。

图4是实施例2的手掌表面的皮肤信号的断层图像。

图5是实施例2的手掌皮肤下层血管的光声断层图像。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，一种非接触式光声和光学相干断层双成像装置，包括信号检测组件、扫描延迟线组件、扫描头组件、扫描头支撑组件和信号采集/处理组件；信号检测组件、扫描头组件和扫描头支撑组件依次连接，信号检测组件分别与扫描延迟线组件、信号采集/处理组件连接，扫描头组件和信号采集/处理组件连接；

所述的信号检测组件包括宽带光源1-1、光纤环形器1-2、光纤耦合器1-3、光纤准直器A 1-4和光电平衡探测器1-5，宽带光源1-1、光纤环形器1-2、光纤耦合器1-3和光纤准直器A 1-4依次连接，光电平衡探测器1-5分别与光纤环形器1-2、光纤耦合器1-3连接，光纤耦合器1-3与扫描头组件3连接，光纤准直器A 1-4和扫描延迟线组件2连接；

宽带光源设置有光纤输出；

光纤耦合器为2×2的光纤耦合器；

所述的扫描延迟线组件2的详细结构如图2所示，包括依次连接的双通镜2-1、衍射光栅2-2、傅里叶变换透镜2-3和一维振镜2-4；双通镜2-1与光纤准直器A 1-4连接；

双通镜、衍射光栅、傅里叶变换透镜和一维振镜严格光学同轴；

所述的扫描头组件的详细结构如图3所示，包括光纤准直器B、正透镜组、二向色镜、二维扫描振镜，光纤准直器B、二向色镜和二维扫描振镜依次连接，正透镜组和二向色镜连接，光纤准直器B与所述的光纤耦合器连接；

光纤准直器、正透镜组、二向色镜和二维扫描振镜严格光学同轴；

所述的扫描头支撑组件包括平场物镜4-1、一维平移台4-2和扫描头支撑架4-3；平场物镜4-1与扫描头组件3连接，扫描头组件3和一维平移台4-2分别设置于扫描头支撑架4-3上；

所述的一维平移台、扫描头支撑架与扫描头组件按照合理力学结构组成整个非接触式光声和光学相干断层双成像装置的扫描部件；

所述的信号采集/处理组件由光声激发源5-1、同轴电缆、采集卡5-2和计算机5-3组成；光声激发源5-1、采集卡5-2和计算机5-3依次连接，采集卡5-2通过同轴电缆与计算机5-3连接；计算机5-3通过采集卡5-2分别与一维振镜、二维扫描振镜连接；

光声激发源5-1、同轴电缆、采集卡5-2和计算机5-3依次电气连接；

计算机安装有采集控制及信号处理系统；

采集控制及信号处理系统采用Labview和Matlab自行编写的采集控制及信号处理系统；

光声激发光源5-1产生脉冲激光，通过平场物镜4-1聚焦到样品上，样品产生光声信号，光声信号会引起生物组织表面的振动。样品表面的振动使得油滴表面也发生振动，聚焦在油滴表面的光声检测光反射回到光纤耦合器1-3内与扫描延迟线反射回去的光发生干涉，通过光电平衡探测器1-5检测干涉后的信号，即为油滴表面的振动信号，也就是光声信号导致样品表面振动的信号，对此信号进行一阶求导即可得到样品的光声信号。得到一个光声信号后，开始采集光学相干断层信号，即光学断层扫描光源照射到样品上，由于不同的组织对光的吸收和散射不同，会有部分光会沿原路返回到光纤耦合器1-3内与扫描延迟线反射回去的光发生干涉，通过光电平衡探测器1-5检测干涉后的信号，即为一个样品点上的相干信号。然后改变二维扫描振镜3-4X、Y轴的各自偏角，使光声激发光和光声信号检测光发生偏转，对应的在样品上形成扫描区域，二维扫描振镜每偏转一次，采集卡5-2就进行一次数据采集，这样就可以得到生物组织的光声信号和光学相干断层信号，光声信号和光学相干断层信号交替依次采集。

采集完全部信号后，通过最大值投影的方法重建出组织样品的光声/光学相干断层二维图像及三维图像。

实施例2

运用实施例1的非接触式光声和光学相干断层双成像装置的检测方法，包括以下步骤：

（1）将实验者的手掌用75%的医用酒精擦拭以后，涂抹1mm的矿物油，并固定于在样品台上，调节好高度；

（2）光声激发光源和宽带光源通过二向色镜合为一束光后，依次经过二维扫描振镜和平场物镜照射到手掌表面，调节正透镜组和一维平移台使得光声激发光聚焦于手掌的表面，使光声信号检测光聚焦于油层的表面；

（3）使光声激发光照射到手掌表面，手掌表面吸收光能后产生光声信号，光声信号引起手掌表面的振动；手掌表面的振动使得油滴表面也发生振动，聚焦在油滴表面的光声检测光反射回到光纤耦合器内与扫描延迟线反射回去的光发生干涉，通过光电平衡探测器检测干涉后的信号为油滴表面的振动信号，即光声信号导致手掌表面振动的信号，对此信号进行一阶求导得到手掌的光声信号；

（4）使宽带光源通过扫描头组件照射到手掌表面，并调节扫描延迟线组件使宽带光源在纵向上实现对手掌表面的扫描，扫描完一个点后扫描延迟线的一维振镜回到原来位置上；宽带光源照射到手掌表面，由于不同的组织对光的吸收和散射不同，部分光会沿原路返回到光纤耦合器内，与扫描延迟线反射回去的光发生干涉，通过光电平衡探测器检测干涉后的信号为一个样品点的相干信号；

（5）改变二维扫描振镜X、Y轴的各自偏角使光声激发光和宽带光源发生偏转，重新进行光声成像和光学相干断层成像，二维扫描振镜每偏转一次，采集卡就进行一次数据采集；

（6）采集完全部信号后，通过最大值投影重建出组织样品的光声和光学相干断层二维图像及三维图像；

所述的光声激发光源的脉冲激光波长为532nm，脉宽为4ns，重复频率为20Hz；

所述的宽带光源的波长为1310nm，带宽为45nm；

所述三维图像的建立方法是对所有的光声信号和光学相干断层信号取相同时间长度并作纵切面投影，将投影后得到的光声图像和光学相干断层图像，见图4和图5。图4为手掌表面的皮肤信号的断层图像，图5为手掌皮肤下层血管的光声断层图像。可见，采用非接触式光声和光学相干断层双成像装置可以得到生物组织的光声断层信号。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种非接触式光声和光学相干断层双成像装置，其特征在于包括信号检测组件、扫描延迟线组件、扫描头组件、扫描头支撑组件和信号采集/处理组件；信号检测组件、扫描头组件和扫描头支撑组件依次连接，信号检测组件分别与扫描延迟线组件、信号采集/处理组件连接，扫描头组件和信号采集/处理组件连接；

所述的信号检测组件包括宽带光源、光纤环形器、光纤耦合器、光纤准直器A和光电平衡探测器，宽带光源、光纤环形器、光纤耦合器和光纤准直器A依次连接，光电平衡探测器分别与光纤环形器、光纤耦合器连接，光纤耦合器与扫描头组件连接，光纤准直器A和扫描延迟线组件连接；

所述的扫描延迟线组件包括依次连接的双通镜、衍射光栅、傅里叶变换透镜和一维振镜；双通镜与所述的光纤准直器A连接；

所述的扫描头组件包括光纤准直器B、正透镜组、二向色镜和二维扫描振镜，光纤准直器B、二向色镜和二维扫描振镜依次连接，正透镜组和二向色镜连接，光纤准直器B与所述的光纤耦合器连接；

所述的扫描头支撑组件包括平场物镜、一维平移台和扫描头支撑架；扫描头组件和一维平移台分别设置于扫描头支撑架上；

所述的信号采集/处理组件由光声激发光源、同轴电缆、采集卡和计算机组成，光声激发光源、采集卡和计算机依次连接，采集卡通过同轴电缆与计算机连接；计算机通过采集卡分别与一维振镜、二维扫描振镜连接。

2.根据权利要求1所述的非接触式光声和光学相干断层双成像装置，其特征在于：所述的双通镜、衍射光栅、傅里叶变换透镜和一维振镜严格光学同轴。

3.根据权利要求1所述的非接触式光声和光学相干断层双成像装置，其特征在于：所述的光纤准直器B、正透镜组、二向色镜和二维扫描振镜严格光学同轴。

4.根据权利要求1所述的非接触式光声和光学相干断层双成像装置，其特征在于：所述的光声激发光源、同轴电缆、采集卡和计算机依次电气连接。

5.运用权利要求1～4任一项所述的非接触式光声和光学相干断层双成像装置的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)把样品置于一维平移台上，扫描头组件置于样品表面的正上方，并使扫描头组件的光轴处于铅直方向；

(2)在样品表面涂抹矿物油，使光声激发光源和宽带光源通过二向色镜合为一束光后依次经过二维扫描振镜和平场物镜照射到样品表面，调节正透镜组和一维平移台使光声激发光聚焦于样品的表面，使光声信号检测光聚焦于油层的表面；

(3)使光声激发光照射到样品上，样品吸收光能后产生光声信号，光声信号引起样品表面的振动；样品表面的振动使得油滴表面也发生振动，聚焦在油滴表面的光声检测光反射回到光纤耦合器内与扫描延迟线反射回去的光发生干涉，通过光电平衡探测器检测干涉后的信号为油滴表面的振动信号，对此信号进行一阶求导得到样品的光声信号；

(4)使宽带光源通过扫描头组件照射到样品上，并调节扫描延迟线组件使宽带光源在纵向上实现对样品的扫描，扫描完一个点后扫描延迟线的一维振镜回到原来位置上；宽带光源照射到样品上，部分光沿原路返回到光纤耦合器内，与扫描延迟线反射回去的光发生干涉，通过光电平衡探测器检测干涉后的信号为一个样品点的相干信号；

(5)改变二维扫描振镜X、Y轴的各自偏角使光声激发光和宽带光源发生偏转，重新进行光声成像和光学相干断层成像，二维扫描振镜每偏转一次，采集卡就进行一次数据采集；

(6)采集完全部信号后，通过最大值投影重建出组织样品的光声和光学相干断层二维图像及三维图像。

6.根据权利要求5所述的非接触式光声和光学相干断层双成像装置的检测方法，其特征在于：步骤(2)中所述的矿物油的厚度为0.5～1.5mm。

7.根据权利要求5所述的非接触式光声和光学相干断层双成像装置的检测方法，其特征在于：所述的光声激发光源的脉冲激光波长为400～2500nm，脉宽为1～50ns，重复频率为1Hz～50kHz。

8.根据权利要求5所述的非接触式光声和光学相干断层双成像装置的检测方法，其特征在于：所述的宽带光源的波长为800～1600nm，带宽为40～120nm。