CN112666130B - 一种生物组织黏弹性测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物组织黏弹性测量装置，包括半导体激光器、自聚焦透镜、Nd:YAG晶体、第一偏振分光棱镜、第一电光晶体、第一输出耦合镜、第一分光棱镜、反射镜、第一高压电源、第一压电陶瓷管、光学斩波器、第三偏振分光棱镜、四分之一波片、显微物镜、放有被测样品的位移台、第二偏振分光棱镜、偏振片、第一光电探测器、锁相放大器、电脑、第二电光晶体、第二输出耦合镜、第二分光棱镜、第三分光棱镜、第四偏振分光棱镜、第二稳频装置、第二高压电源、第二压电陶瓷管、第二光电探测器、标准样品、第一稳频装置，本发明还公开了生物组织黏弹性测量方法，解决了现有技术中存在的生物样品损伤，信号微弱，测量和数据处理过程复杂的问题。

Description

一种生物组织黏弹性测量装置及方法

技术领域

本发明属于生物医学和传感技术领域，涉及一种生物组织黏弹性测量装置，本发明还涉及一种生物组织黏弹性测量方法。

背景技术

生物组织是生命体结构和功能的基本单位，其力学特性与机体功能密切相关。黏弹性(viscoelasticity)是反映人体组织力学特性的最佳指标，包括弹性和黏滞性，分别由弹性模量和粘滞系数表征。黏弹性的改变往往和重大病变联系在一起。目前医学研究和临床上通常采用弹性成像的方法(超声弹性成像，核磁共振弹性成像(MRE)以及光学相干弹性成像(OCE)等)获取生物组织的弹性信息，并主要以此为参考进行病理研究和疾病诊断。但是生物组织不仅有弹性特性，还具有显著地粘滞性，表现出非线性、非均匀性和各向异性等特点。因此弹性模量不足以表征生物组织内在特性的完备变化。仅以弹性模量指标作为诊断依据时常常出现漏诊、误诊甚至错诊，给人的生命健康带来极大危害，也严重影响社会的医疗环境。因此需要综合弹性模量和粘滞系数才能提高临床诊断准确率，满足病理分析的精度要求。

根据受激布里渊散射理论可知，布里渊散射的频移ν_B和线宽ω_B可分别表示：

其中E和ρ分别为样品的弹性模量和密度，n为样品折射率，θ为散射角，在此系统中，θ为0°。η_s为剪切粘滞系数，可通过查相关手册得到，η_d为体粘滞系数，q为波数，q＝2π/λ，λ为波长。可见，通过测量布里渊散射的频移和线宽可以确定样品的弹性模量E和η_d，如下式所示，从而确定其黏弹性。

近年来，由于基于受激布里渊散射原理测量生物组织弹性模量具有测量速度快，分辨率高和非侵入性等优点，将受激布里渊散射应用于生物组织力学性能研究引起了国外专家学者的高度重视和浓厚的研究兴趣，成为当前生物组织力学性能研究的前沿技术和主要推动力。但是现有技术均以单频短脉冲激光器作为泵浦光源，将短脉冲激光入射在样品上，由光学干涉装置测量后向散射信号光的布里渊频移。研究核心集中在受激布里渊散射信号提取上。主要存在以下问题：第一，主要采用532nm的短脉冲激光器作光源，即由于光源波长较短，瑞利和米氏散射截面较大，受激布里渊散射光中掺杂的瑞利和米氏散射光不容易被剔除；基于多光子效应，光学损伤与脉冲长度成反比，短脉冲(脉冲持续时间为几皮秒或更少)激光有可能对生物样品产生损伤。第二，均采用单频激光单端输入的方式，为了避免损伤生物样品，泵浦激光较弱(小于15mW)，导致受激布里渊散射信号微弱。因此，为了准确测量受激布里渊散射信号的频移(几GHz～十几GHz)这一关键问题，国外研究热点主要集中在提高测量光谱仪等装置的性能上。如采用多个串联的Fabry-Perot干涉仪、级联虚拟成像陈列(VIPA)或在VIPA前放置分子吸收盒等。这些方法虽然提高了光谱分辨率(亚GHz)，但存在信号随干涉仪级次增加而减小、吸收盒带来信号失真、后续数据处理过程比较复杂等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种生物组织黏弹性测量装置，解决了现有技术中存在的测量信号微弱，数据处理过程复杂的问题。

本发明的另一目的是提供一种生物组织黏弹性测量方法。

本发明所采用的技术方案是，一种生物组织黏弹性测量装置，包括半导体激光器，半导体激光器沿其光波的光轴方向依次设有自聚焦透镜、Nd:YAG晶体、第一偏振分光棱镜、第一电光晶体、第一输出耦合镜、第一分光棱镜和反射镜，第一电光晶体连接第一高压电源，第一输出耦合镜右端面连接第一压电陶瓷管；

沿垂直于半导体激光器光轴方向：第一分光棱镜下方依次设有光学斩波器、第三偏振分光棱镜、四分之一波片、显微物镜和放有被测样品的位移台，反射镜下方依次设有第二偏振分光棱镜、偏振片、第一光电探测器，第一光电探测器连接锁相放大器，锁相放大器连接电脑，第一偏振分光棱镜下方依次设有第二电光晶体、第二输出耦合镜、第二分光棱镜和第三分光棱镜，上方依次设有第四偏振分光棱镜和第二稳频装置，第二电光晶体连接第二高压电源，第一输出耦合镜下端面连接第二压电陶瓷管，

沿平行于半导体激光器光轴方向：第三分光棱镜左侧设有第二光电探测器，右侧设有标准样品，第二光电探测器连接锁相放大器，锁相放大器连接电脑，第四偏振分光棱镜右侧设有第一稳频装置，第二稳频装置和第一稳频装置分别连接第一压电陶瓷管和第二压电陶瓷管。

本发明的特点还在于：

反射镜与半导体激光器光轴方向的夹角为45°，偏振片P1与第二偏振分光棱镜p偏振方向的夹角为45°。

Nd:YAG晶体的左端面镀有对1064nm振荡激光高反、同时对808nm泵浦光增透的双色介质膜，Nd:YAG晶体的右端面镀有1064nm增透膜。

第一电光晶体和第二电光晶体的左端面和右端面均镀有1064nm增透膜，第一输出耦合镜和第二输出耦合镜的左端面和右端面均镀有1064nm高反膜。

光学斩波器的频率为1kHz。

本发明所采用的的另一种技术方案是，一种生物组织黏弹性测量方法，采用一种生物组织黏弹性测量装置，具体按照以下步骤实施：

步骤1、打开半导体激光器，调节电流使得第一输出耦合镜输出功率为15mW，调谐第一高压电源的电压，改变从第一输出耦合镜出射激光的频率，当第一输出耦合镜和第二输出耦合镜输出的激光在第一光电探测器处形成拍波，且拍波频率ν_拍小于1GHz时，停止调谐第一高压电源的电压；

步骤2、线性调节第二高压电源的电压，改变从第二输出耦合镜出射激光的频率，记录第二光电探测器输出电压与第二高压电源电压的关系，当第二光电探测器输出电压最大时，记录第二输出耦合镜出射激光的频率变化量Δν；

步骤3、计算被测样品的受激布里渊散射频移和线宽，然后再计算被测样品弹性模量和粘滞系数；

步骤4、重复步骤1-3，求取被测样品弹性模量和粘滞系数的平均值；

步骤5、沿第一分光棱镜反射光轴方向调整位移台，重复步骤1-4。

本发明的特点还在于：

步骤1中第一高压电源的电压的调谐速率为5V/s，对应第一输出耦合镜出射激光的频率调谐速率为0.5GHz/s。

步骤2中第二高压电源的电压的调谐速率为5V/s，对应第二输出耦合镜出射激光的频率调谐速率为0.5GHz/s，第二输出耦合镜出射激光的频率与第二光电探测器输出电压为洛伦兹曲线关系。

步骤3中被测样品的受激布里渊散射频移ν_B为：ν_B＝ν_b+Δν-ν_拍，其中，ν_b为标准样品的受激布里渊散射频移，Δν为第二输出耦合镜出射激光的频率调谐量，ν_拍为第一输出耦合镜出射激光和第二输出耦合镜出射激光在第一光电探测器处形成拍波频率；步骤3中被测样品的受激布里渊散射线宽为步骤2中洛伦兹曲线的半高宽。

步骤3中样品弹性模量E和体粘滞系数η_d根据下式计算：

其中，ρ为样品的密度，n为样品折射率，η_s为剪切粘滞系数，q为波数，q＝2π/λ，λ为波长。

本发明的有益效果是：本发明采用1064nm可调谐双频稳频连续激光器为光源，一个频率的经光学斩波器低频调制后作用于生物组织产生受激布里渊散射信号，另一个频率的激光作用于标准样品，对生物组织受激布里渊散射信号选频放大，波长大于1um的低频调制连续激光散射损耗小，损伤阈值高，测量深度有望达到10mm。本项目为实现生物组织黏弹性的高精度测量提供一种新方法，为阐明生物组织发病机理、药物疗效和临床应用提供理论依据和科学指导，具有重要的科学意义和研究价值。

附图说明

图1是本发明一种生物组织黏弹性测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种生物组织黏弹性测量装置，如图1所示，包括半导体激光器LD，半导体激光器LD沿其光波的光轴方向依次设有自聚焦透镜GL、Nd:YAG晶体、第一偏振分光棱镜PBS₁、第一电光晶体PLZT₁、第一输出耦合镜OC₁、第一分光棱镜BS₁和与半导体激光器光轴方向的夹角为45°的反射镜M₁，第一电光晶体PLZT₁连接第一高压电源HV₁，第一输出耦合镜OC₁右端面粘结第一压电陶瓷管PZT₁，第一分光棱镜BS₁下方沿垂直于半导体激光器LD光轴方向依次设有光学斩波器、第三偏振分光棱镜PBS₃、四分之一波片QWP₁、显微物镜MO和放有被测样品的位移台，反射镜M₁下方沿垂直于半导体激光器光轴方向依次设有第二偏振分光棱镜PBS₂、与第二偏振分光棱镜PBS₂p偏振方向的夹角为45°的偏振片P₁、第一光电探测器PD₁，第一光电探测器PD₁连接锁相放大器LIA，锁相放大器LIA连接电脑PC，第一偏振分光棱镜PBS₁沿垂直于半导体激光器光轴方向下方依次设有第二电光晶体PLZT₂、第二输出耦合镜OC₂、第二分光棱镜BS₂和第三分光棱镜BS₃，上方依次设有第四偏振分光棱镜PBS₄和第二稳频装置FSS₂，第二电光晶体PLZT₂连接第二高压电源HV₂，第一输出耦合镜OC₂下端面粘接第二压电陶瓷管PZT₂，

沿平行于半导体激光器LD光轴方向：第三分光棱镜BS₃左侧设有第二光电探测器PD₂，右侧设有标准样品，第二光电探测器PD₂连接锁相放大器，锁相放大器连接电脑，第四偏振分光棱镜PBS₄右侧设有第一稳频装置FSS₁，第二稳频装置FSS₂和第一稳频装置FSS₁分别连接第一压电陶瓷管PZT₁和第二压电陶瓷管PZT₂，第二分光棱镜BS₂与第二偏振分光棱镜PBS₂在一条直线上，第三分光棱镜BS₃、标准样品和第三偏振分光棱镜PBS₃在一条直线上；

优选的，第一电光晶体PLZT₁和第二光电晶体PLZT₂均为锆钛酸铅镧；

优选的，Nd:YAG晶体的左端面镀有对1064nm振荡激光高反、同时对808nm泵浦光增透的双色介质膜，Nd:YAG晶体的右端面镀有1064nm增透膜；

优选的，第一电光晶体PLZT₁和第二电光晶体PLZT₂的左端面和右端面均镀有1064nm增透膜，第一输出耦合镜OC₁和第二输出耦合镜OC₂的左端面和右端面均镀有1064nm高反膜；

优选的，光学斩波器的频率为1kHz。

本发明一种生物组织黏弹性测量装置的工作过程如下，

从LD尾纤出射的808nm光波经GL汇聚到Nd:YAG晶体的左端面，Nd:YAG晶体左端面镀有对1064nm振荡激光高反、同时对808nm泵浦光增透的双色介质膜作为谐振腔的后反射镜，与输出耦合镜OC₁构成第一个驻波谐振腔(简称p腔)，与输出耦合镜OC₂构成第二个驻波谐振腔(简称s腔)，1064nm激光的p偏振分量(简称p光)和s偏振分量(简称s光)分别在p腔和s腔内以单纵模振荡，为了显示方便，将p光和s光在空间上分开，实际上在激光晶体Nd:YAG内两者是共轴传输的。根据电光双折射滤光片选模原理可知，调谐HV₁和HV₂电压，可选出不同的激光单纵模，实现p光和s光的频率调谐。由于偏振分光棱镜PBS₁制作工艺的不完善，p光透射率(Tp)和s光的反射率(Rs)均不能达到100％，故有少量残余反射的p光(红线)和残余透射的s(绿线)光通过PBS₁的另一个面同轴逸出腔外，这部分双频激光经腔外偏振分光棱镜PBS₄分光后可分别用于稳定相应驻波腔1064nm单频激光的谐振频率，即从PBS₄透射的p偏振1064nm单频激光进入FFS1稳频系统并通过PZT₁调节p腔腔长，稳定p光频率；从PBS₄反射的s偏振1064nm单频激光进入FFS2稳频系统并通过PZT₂调节s腔腔长，稳定s光频率。

从第一输出耦合镜OC1输出的稳频p偏振光在BS₁处分为两束，透过BS₁的光束在M1处反射，透过PBS2，经起偏器P后偏振方向与起偏器P的偏振方向一致，入射在第一光电探测器PD1上，从第二输出耦合镜OC2输出的稳频s偏振光在BS₁处反射的一束光经PBS2反射，透过起偏器P后，其偏振方向与起偏器P的偏振方向一致，入射在第一光电探测器PD1上，两个偏振方向相同的光在第一光电探测器PD1形成拍波，调谐第一高压电源HV₁的电压，改变从第一输出耦合镜OC₁出射激光的频率，从而改变第一光电探测器PD₁处形成拍波频率，当第一输出耦合镜OC₁和第二输出耦合镜OC₂输出的激光在第一光电探测器PD₁处形成拍波频率ν_拍小于1GHz时，停止调谐第一高压电源HV₁的电压；设此时第一输出耦合镜OC₁输出的激光的频率为ν₁，第二输出耦合镜OC2输出的激光的频率为ν2。

在BS₁处反射的p光经反射镜M₁，斩波器、PBS3、1/4波片QWP₁和显微物镜MO聚焦入射在被测样品上，发生受激布里渊散射，产生背向受激布里渊散射光，即信号光，其频率为ν₁-ν_B，ν_B为被测样品布里渊散射的频移。由于布里渊散射信号光与输入激光偏振态相同，因此由样品反射回的信号光仍为圆偏振光，由显微物镜MO收集，经1/4波片QWP₁后变成s偏振光，在PBS₃处反射至标准样品。从BS₂处透射的一束s偏振光作为抽运光经过BS₃也入射到标准样品。根据受激布里渊散射原理，当抽运光与信号光的频差在标准样品布里渊散射谱范围内，且抽运光频率大于信号光频率时，抽运光的部分能量将转移信号光，即信号光得到放大。抽运光和信号光的频差与受激布里渊散射成洛伦兹曲线关系。当抽运光频率与信号光频率差为ν_B时，受激布里渊散射(SBS)能量转移作用最强，PD₁探测到的信号光功率最大。因此，线性调节第二高压电源HV₂的电压，改变从第二输出耦合镜OC₂出射激光的s光的频率，记录频率变化量与PD₁输出电压关系曲线，两者成洛伦兹曲线关系，得到曲线峰值位置时频率变化量Δν和半高宽。半高宽为受激布里渊散射线宽ω_B。因此，得到被测样品的受激布里渊散射频移ν_B为：ν_B＝ν_b+Δν-ν_拍，其中，ν_b＝2.97GHz，为标准样品的受激布里渊散射频移，Δν为第二输出耦合镜OC₂出射激光的频率调谐量，ν_拍为第一输出耦合镜OC₁出射激光和第二输出耦合镜OC₂出射激光在第一光电探测器PD₁处形成拍波频率。根据以下公式可得到被测样品弹性模量和体粘滞系数：

一种生物组织黏弹性测量方法，采用上述一种生物组织黏弹性测量装置，具体按照以下步骤实施：

步骤1、打开半导体激光器LD，调节电流使得第一输出耦合镜OC₁输出功率为15mW，调谐第一高压电源HV₁的电压，改变从第一输出耦合镜OC₁出射激光的频率，当第一输出耦合镜OC₁和第二输出耦合镜OC₂输出的激光在第一光电探测器PD₁处形成拍波，且拍波频率ν_拍小于1GHz时，停止调谐第一高压电源HV₁的电压；

步骤2、线性调节第二高压电源HV₂的电压，改变从第二输出耦合镜OC₂出射激光的频率，记录第二光电探测器PD₂输出电压与第二高压电源HV₂电压的关系，当第二光电探测器PD₂输出电压最大时，记录第二输出耦合镜OC₂出射激光的频率变化量Δν；

步骤3、计算被测样品的受激布里渊散射频移和线宽，然后再计算样品弹性模量和粘滞系数；

步骤4、重复步骤1-3，求取样品弹性模量和粘滞系数的平均值；

步骤5、依次沿第一分光棱镜BS₁反射光轴方向调整位移台1mm，2mm，3mm，4mm，5mm，并且每调整一次重复一次步骤1-4；

优选的，步骤1中第一高压电源HV₁的电压的调谐速率为5V/s，对应第一输出耦合镜OC₁出射激光的频率调谐速率为0.5GHz/s；

优选的，步骤2中第二高压电源HV₂的电压的调谐速率为5V/s，对应第二输出耦合镜OC₂出射激光的频率调谐速率为0.5GHz/s；第二输出耦合镜OC₂出射激光的频率与第二光电探测器PD₂输出电压为洛伦兹曲线关系；

优选的，步骤3中被测样品的受激布里渊散射频移ν_B为：ν_B＝ν_b+Δν-ν_拍，其中，ν_b为标准样品的受激布里渊散射频移，Δν为第二输出耦合镜OC₂出射激光的频率调谐量，ν_拍为第一输出耦合镜OC₁出射激光和第二输出耦合镜OC₂出射激光在第一光电探测器PD₁处形成拍波频率，被测样品的受激布里渊散射线宽为步骤2中洛伦兹曲线的半高宽，其中，标准样品的布里渊频移ν_b＝2.97GHz；

优选的，步骤3中样品弹性模量E和体粘滞系数η_d根据下式计算：

其中，ρ为样品的密度，n为样品折射率，η_s为剪切粘滞系数，q为波数，q＝2π/λ，λ为波长。

Claims (10)

1.一种生物组织黏弹性测量装置，其特征在于，包括半导体激光器，所述半导体激光器沿其光波的光轴方向依次设有自聚焦透镜、Nd:YAG晶体、第一偏振分光棱镜、第一电光晶体、第一输出耦合镜、第一分光棱镜和反射镜，所述第一电光晶体连接第一高压电源，第一输出耦合镜右端面连接第一压电陶瓷管；

沿垂直于半导体激光器光轴方向：所述第一分光棱镜下方依次设有光学斩波器、第三偏振分光棱镜、四分之一波片、显微物镜和放有被测样品的位移台，所述反射镜下方依次设有第二偏振分光棱镜、偏振片、第一光电探测器，所述第一光电探测器连接锁相放大器，所述锁相放大器连接电脑，所述第一偏振分光棱镜下方依次设有第二电光晶体、第二输出耦合镜、第二分光棱镜和第三分光棱镜，上方依次设有第四偏振分光棱镜和第二稳频装置，所述第二电光晶体连接第二高压电源，所述第一输出耦合镜下端面连接第二压电陶瓷管，

沿平行于半导体激光器光轴方向：所述第三分光棱镜左侧设有第二光电探测器，右侧设有标准样品，所述第二光电探测器连接锁相放大器，所述锁相放大器连接电脑，所述第四偏振分光棱镜右侧设有第一稳频装置，所述第二稳频装置和第一稳频装置分别连接第一压电陶瓷管和第二压电陶瓷管。

2.根据权利要求1所述的一种生物组织黏弹性测量装置，其特征在于，所述反射镜与半导体激光器光轴方向的夹角为45°，所述偏振片与第二偏振分光棱镜偏振方向的夹角为45°。

3.根据权利要求1所述的一种生物组织黏弹性测量装置，其特征在于，所述Nd:YAG晶体的左端面镀有对1064nm振荡激光高反、同时对808nm泵浦光增透的双色介质膜，Nd:YAG晶体的右端面镀有1064nm增透膜。

4.根据权利要求1所述的一种生物组织黏弹性测量装置，其特征在于，所述第一电光晶体和第二电光晶体的左端面和右端面均镀有1064nm增透膜，第一输出耦合镜和第二输出耦合镜的左端面和右端面均镀有1064nm高反膜。

5.根据权利要求1所述的一种生物组织黏弹性测量装置，其特征在于，所述光学斩波器的频率为1kHz。

6.一种生物组织黏弹性测量方法，其特征在于：采用如权利要求1-5任一项所述的一种生物组织黏弹性测量装置，具体按照以下步骤实施：

步骤1、打开半导体激光器，调节电流使得第一输出耦合镜输出功率为15mW，调谐第一高压电源的电压，改变从第一输出耦合镜出射激光的频率，当第一输出耦合镜和第二输出耦合镜输出的激光在第一光电探测器处形成拍波，且拍波频率ν_拍小于1GHz时，停止调谐第一高压电源的电压；

步骤2、线性调节第二高压电源的电压，改变从第二输出耦合镜出射激光的频率，记录第二光电探测器输出电压与第二高压电源电压的关系，当第二光电探测器输出电压最大时，记录第二输出耦合镜出射激光的频率变化量Δν；

步骤3、计算被测样品的受激布里渊散射频移和线宽，然后再计算被测样品弹性模量和粘滞系数；

步骤4、重复步骤1-3，求取被测样品弹性模量和粘滞系数的平均值；

步骤5、沿第一分光棱镜反射光轴方向调整位移台，重复步骤1-4。

7.根据权利要求6所述的一种生物组织黏弹性测量方法，其特征在于，所述步骤1中第一高压电源的电压的调谐速率为5V/s，对应第一输出耦合镜出射激光的频率调谐速率为0.5GHz/s。

8.根据权利要求6所述的一种生物组织黏弹性测量方法，其特征在于，所述步骤2中第二高压电源的电压的调谐速率为5V/s，对应第二输出耦合镜出射激光的频率调谐速率为0.5GHz/s，所述第二输出耦合镜出射激光的频率与第二光电探测器输出电压为洛伦兹曲线关系。

9.根据权利要求8所述的一种生物组织黏弹性测量方法，其特征在于，所述步骤3中被测样品的受激布里渊散射频移ν_B为：ν_B＝ν_b+Δν-ν_拍，其中，ν_b为标准样品的受激布里渊散射频移，Δν为第二输出耦合镜出射激光的频率调谐量，ν_拍为第一输出耦合镜出射激光和第二输出耦合镜出射激光在第一光电探测器处形成拍波频率；所述步骤3中被测样品的受激布里渊散射线宽为步骤2中洛伦兹曲线的半高宽。

10.根据权利要求9所述的一种生物组织黏弹性测量方法，其特征在于，所述步骤3中样品弹性模量E和体粘滞系数η_d根据下式计算：

其中，ρ为样品的密度，n为样品折射率，η_s为剪切粘滞系数，q为波数，q＝2π/λ，λ为波长。

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