CN102579080B - 一体化整合的便携式共焦光声显微成像方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于显微成像技术领域，公开一种一体化整合的便携式共焦光声显微成像方法及装置。该成像装置包括光声激发光源、声光共焦光声探测器、光电二极管、微型X-Y二维振镜、分光镜、透镜、样品台、双通道并行采集卡、带有采集控制软件和二维振镜控制软件的计算机。该方法包括由光声激发源发出的激光经由微型X-Y二维振镜变换方向后，通过胶合透镜聚焦，照射在样品上激发出光声信号，光声信号被声光共焦光声探测器接收，二维振镜不断改变光束的入射角度从而扫描样品，最后通过最大值投影算法重建出光声图像。本发明采用微片激光器与微型X-Y二维振镜整合成便携式的共焦光声显微成像装置，可移动性能良好，并且成像速度快、分辨率高、对比度高。
Description
技术领域
本发明属于显微成像技术领域，特别涉及一种一体化整合的便携式共焦光声显微成像方法及装置。
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。光声显微成像技术则是近几年发展比较迅速的一种成像技术，它不仅具有高分辨，高对比度等优点，而且已经深入到细胞层面，可以利用细胞内部结构的吸收差异来成像细胞内部精细结构及其功能。目前光学显微镜难以逾越在成像深度上的限制，因此其无法做到在体深层次的成像，而光声则是依靠吸收差异成像，并结合了超声的成像深度深及光学成像对比度高的优点。因而光声显微成像技术具有比纯光学显微成像技术无法比拟的优越性。
发明内容
为了克服以上现有技术的不足，本发明的首要目的在于提供一种一体化整合的便携式共焦光声显微成像装置，该装置为便携式可移动的共焦光声显微成像装置。
本发明的另一目的在于提供利用上述装置进行成像的方法，利用该方法可以实现高速、高分辨、高对比度成像。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种一体化整合的便携式共焦光声显微成像装置，其结构示意图见图1，该成像装置包括扫描头组件、声光共焦组件、光能反馈组件、信号采集/传输/重建组件及仪器固定/支撑器械组件；
其中，所述扫描头组件包括光声激发源和微型X-Y二维振镜；
所述声光共焦组件，即为声光共焦光声探测器，包括胶合透镜组和中空聚焦超声换能器，胶合透镜组内嵌在中空聚焦超声换能器中，生产为一整体，两者严格共轴并共焦点，即胶合透镜的焦点与中空超声聚焦换能器的焦点重合，实现光声共焦成像，声光共焦光声探测器的焦点即为中空超声聚焦换能器的焦点，也为胶合透镜的焦点；
所述光能反馈组件包括分光镜、透镜及光电二极管；
以上所述光声激发源、微型X-Y二维振镜与分光镜、透镜以及光电二极管以严格共轴结构固定在可移动的暗箱中，该暗箱与声光共焦光声探测器通过精密机械接口结合为一整体，保证该显微成像装置的可移动性能；
所述信号采集/传输/重建组件是由双通道并行采集卡、同轴电缆、安装有采集控制及信号处理系统的计算机依次相连组成；仪器固定/支撑器械组件支撑扫描头组件及光能反馈组件，并使其与声光共焦组件相连接。
所述光能反馈组件将从分光镜分束出来的脉冲激光通过透镜聚焦以后用光电二极管接收，实时监测激光能量输出大小，对从各扫描点接收的光声信号实现实时的动态幅值补偿。
为了更好地实现本发明，所述扫描头组件中的光声激发源包括透镜、针孔和微片激光器；所述微片激光器采用高重复频率短脉冲微片激光器，型号可以为HLX-I-F005，其他型号可用；微片激光器大小为80×90×104mm3，重复频率为1Hz～5kHz。
所述中空聚焦超声换能器主频为1～75MHz。
所述双通道并行采集卡的型号可以为NI 5224，National Instrument，USA生产。
所述采集控制及信号处理系统是用Labview和Matlab自行编写的。
所述精密机械接口为大小为M20×0.7的精密螺纹机械接口。
一种利用上述装置进行成像的方法，包括以下操作步骤：
(1)将声光共焦光声探测器安装在包括光声激发源和微型X-Y二维振镜的扫描头组件上，使声光共焦光声探测器中的中空聚焦超声换能器下端进入耦合液的深度为5～10mm，盛放耦合液的耦合槽置于样品的正上方；同时使声光共焦光声探测器的焦点落在样品表面上，以上位置关系可形成一种反射接收方式，即产生的光声信号通过耦合液被样品正上方的声光共焦光声探测器接收，该接收方式可以在时间上分辨出轴向的信号，便于重建组织的三维图像；
(2)光声激发源发出脉冲激光，该脉冲激光通过透镜和针孔后到达光能反馈组件中的分光镜，脉冲激光经分光镜分束，一束通过微型X-Y二维振镜后经过声光共焦光声探测器中的胶合透镜组聚焦，照在样品上，即胶合透镜组的聚焦光斑落在样品上，激发出光声信号，光声信号经过耦合槽中的耦合液后被声光共焦光声探测器接收；另一束经过光能反馈组件中的透镜聚焦后的光能量信号用光电二极管接收，产生电信号；
其中，由分光镜分束出来的脉冲激光用光电二极管接收，目的是探测激光能量的稳定性，从而实时对光声信号做出补偿，即通过光电二极管对激光能量进行实时监测，保证成像的的高对比度与均匀性；
(3)声光共焦光声探测器接收的光声信号和光电二极管产生的电信号同时被双通道并行采集卡同时采集并将数据输入计算机，进行光声信号的实时能量校正，对每个光声信号及光电二极管产生的电信号做归一化处理，并进行图像重建；改变微型X-Y二维振镜X、Y轴的各自偏角使脉冲激光束发生偏转，对应的在样品上形成扫描区域，振镜每偏转一次，双通道采集卡就进行一次数据采集；使用不同胶合透镜组时可以有不同的最大扫描范围，例如用4X，数值孔径为0.1的胶合透镜时最大扫描范围为3×3mm3；
(4)采集完全部信号后，通过最大值投影的方法重建出样品的光声显微二维图像及三维图像。
由于每个光声信号在时间尺度上反映的是轴向空间位置的样品的吸收信息，对所有的光声信号取相同长度并在每条扫描线上作纵切面投影，将投影后得到的光声图像在三维重建软件volview3.2上重建三维图像，在三维重建软件中可以旋转整个三维图像得到任意视角的三维图像。
所述光声激发光源激发的脉冲激光波长为400～2500nm，脉宽为1～50ns，重复频率为1Hz～5kHz。
所述耦合液为水，并用温度计监测水温，使水温与被测样品的温度一致，即通过定时测量水温，并及时使水温与被测样品的温度保持一致。
本发明的作用原理是：
本发明的装置包括：光声激发光源、声光共焦光声探测器、光电二极管、微型X-Y二维振镜、平场显微物镜、分光镜、透镜、样品台、双通道并行采集卡、带有采集和控制软件的计算机。
光声激发光源产生脉冲激光，经过胶合透镜组聚焦之后照射到样品表面，样品所产生的光声信号被声光共焦光声探测器接收；通过分光镜分出的激光束由光电二极管接收光能信号，二者接收的信号被双通道信号采集卡同时采集，传输到带有采集控制软件和计算软件的计算机做后处理；本发明采用声光共焦原理，由于激发源在胶合透镜组的焦点处的激发点最小，而中空聚焦超声换能器在其焦点处的灵敏度及分辨率是最高的，它们共焦点就能保证系统处于一个最优的分辨率状态下对生物组织成像；并且光声信号和激光能量信号同时采集，适用于待测样品的光声高分辨，高对比度成像。而将高重复频率微片激光器，微型X-Y二维振镜，光电二极管以共轴光学原理结构固定在一个可移动的暗箱之中，实现该显微成像仪的快速成像和便携性。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明将微片激光器，微型X-Y二维振镜，激光能量监测元件光电二极管集成在暗箱中，形成一整合的便携式光声显微成像仪。
(2)本发明使用光电二极管来监测激光能量，能实时补偿光声信号，使得图像的均匀性及对比度进一步提高。
(3)本发明中的中空超声聚焦换能器的焦点与胶合透镜聚焦光斑重合，即共焦，能够实现光声共焦成像，进而得到高分辨率的光声图像。
(4)本发明的装置成像的最小分辨率可达5μm。
(5)本发明整合了高重复频率光声激发源，光束扫描系统及激光能量检测系统形成一组件，可移动性能好，使用条件宽松，便于在临床上得到应用。
(6)本发明装置系统体积小，重量轻，工作稳定，连续运行时间长，使用方便，造价低，能源消耗量小；对于实现光声技术的临床化有巨大的推动作用。
附图说明
图1是实施例1的一体化整合的便携式共焦光声显微成像装置的结构示意图。其中，1-1为由光声激发源和微型X-Y二维振镜组成的扫描头，1-2为带有双通道并行采集卡和控制及信号处理系统的计算机，1-3为声光共焦光声探测器，1-4为耦合槽，1-5为样品台，1-6为仪器固定/支撑器械。
图2是暗箱的内部结构示意图。其中，2-1为微型X-Y二维振镜，2-2为微片激光器，2-3为光电二极管，2-4为分光镜，2-5为透镜，2-6为微型针孔，2-7为透镜，2-8为透镜。
图3是声光共焦光声探测器的剖面结构示意图。其中3-1为胶合透镜，3-2为中空聚焦超声换能器。
图4为实施例2中小白鼠耳朵微血管光声显微图像。
图5为实施例3中小白鼠背部微血管光声显微二维及三维图像。其中，a为小白鼠背部微血管光声显微二维图像；b、c为不同角度的小白鼠背部微血管光声显微三维图像。
具体实施方式
下面结合具体的实施例与附图对本发明作进一步详细的叙述，但本发明的实施方法灵活，不仅仅限于此例所述的具体操作方式。
实施例1
一体化整合的便携式共焦光声显微成像装置，结构示意图如图1所示。
该光声显微成像装置包括扫描头1-1，带有双通道并行采集卡(型号为NI5224，National Instrument，USA生产)和采集控制及信号处理系统(用Labview软件自行编写)的计算机1-2，声光共焦光声探测器1-3，耦合槽1-4，样品台1-5，仪器固定/支撑器械1-6。耦合槽1-4，样品台1-5为一整体，可以根据需要上下调节高度。
其中，扫描头1-1由光声激发源和微型X-Y二维振镜(型号为6231H，Cambridge Technology生产)2-1组成；而微片激光器2-2(型号为HLX-I-F005，为Horus Laser公司的HLX-G系列)，透镜2-5，微型针孔2-6，透镜2-7组成光声激发源。分光镜2-4，透镜2-8及光电二极管(型号为0SD5-0，OSIOptoelectronics生产)2-3组成光能反馈组件。
声光共焦光声探测器包括以下部件：胶合透镜3-1(为4X，数值孔径为0.1的胶合透镜)，中空聚焦超声换能器3-2(型号为10C14-8-R，Doppler ElectronicTechnologies生产)，中空聚焦超声换能器的焦点与胶合透镜聚焦光斑重合，即共焦点，声光共焦光声探测器的焦点即为中空超声聚焦换能器的焦点，也为胶合透镜的焦点，其剖面结构示意图如图3所示。
微型X-Y二维振镜2-1，微片激光器2-2，光电二极管2-3，分光镜2-4，透镜2-5，微型针孔2-6，透镜2-7，透镜2-8整合在一起置入暗箱中，暗箱的内部结构如图2所示；同时，声光共焦光声探测器1-3与暗箱通过大小为M20×0.7的标准显微物镜精密螺纹机械接口连接。
带有双通道并行采集卡和采集控制及信号处理系统的计算机1-2，微片激光器2-2，微型X-Y二维振镜2-1，光电二极管2-3，声光共焦光声探测器1-3依次电气连接。
微片激光器2-2发出的脉冲激光由分光镜2-4分光，一束经由微型X-Y二维振镜2-1，然后经过声光共焦光声探测器1-3中的胶合透镜聚焦后照射在样品上，即聚焦后的聚焦光斑落在样品上，产生的光声信号由声光共焦光声探测器1-3接收，另一束通过透镜2-8聚焦后光信号被光电二极管2-3接收，产生电信号，声光共焦光声探测器接收的光声信号和光电二极管产生的电信号被带有双通道并行采集卡和采集控制及信号处理系统的计算机1-2采集。
实施例2
应用实施例1的显微成像装置实现在体光声显微成像的方法：
(1)将一只两周大的昆明小白鼠注射0.5mL的2％戊巴比妥钠溶液，待小鼠麻醉后用人用脱毛膏将小鼠右耳表面的毛发除去，然后将小鼠置于样品台上并将其固定好。在耦合槽内加入37℃的温水作为耦合液，并用温度计监测水温，使水温与被测样品的温度一致，即通过定时测量水温，并及时使水温与被测样品的温度保持一致。将声光共焦光声探测器中的中空聚焦超声换能器下端进入耦合液的深度为10mm，把样品台调节至适当高度，使声光共焦光声探测器的焦点落在样品表面上。
(2)启动微片激光器，输出脉冲激光波长为532nm，脉宽为1ns，重复频率是5kHz；该脉冲激光通过透镜和针孔后到达光能反馈组件中的分光镜，脉冲激光经分光镜分束，一束经由微型X-Y振镜后经过声光共焦光声探测器中的胶合透镜聚焦后照射在小白鼠除去了毛发的耳朵上，即聚焦后的聚焦光斑落在小白鼠除去了毛发的耳朵上，激发出光声信号，光声信号经过耦合槽中的耦合液后被声光共焦光声探测器(其中的中空超声聚焦换能器主频为15MHz)接收；另一束经过光能反馈组件中的透镜聚焦后的光能量信号用光电二极管接收，产生电信号；
(3)声光共焦光声探测器接收到光声信号后，经双通道并行采集卡通过同轴数据传输线进行数据采集，再将数据传输并储存到带有采集控制及信号处理系统的计算机中；光电二极管接收到光信号后，产生的电信号经双通道并行采集卡通过同轴数据传输线进行数据采集，再将数据传输并储存到带有采集控制及信号处理系统的计算机中；改变微型X-Y振镜X、Y轴的各自偏角使脉冲激光束发生偏转，对应的在样品上形成扫描区域，振镜每偏转一次，双通道采集卡就进行一次数据采集；
(4)采集完全部信号后，对采集的两个通道的数据先归一化，然后用最大值投影法重建光声图像，得到如图4所示的小白鼠耳朵的光声显微图像。
实施例3
利用实施例1的显微成像装置进行在体光声显微二维及三维成像的方法：
(1)将一只两周大的昆明小白鼠注射0.5mL的2％戊巴比妥钠溶液，待小鼠麻醉后用人用脱毛膏将小鼠背部表面的毛发除去，然后将小鼠置于样品台上并将其固定好。在耦合槽内加入37℃的温水作为耦合液，并用温度计监测水温，使水温与被测样品的温度一致，即通过定时测量水温，并及时使水温与被测样品的温度保持一致。把样品台调节至适当高度，使声光共焦光声探测器中的中空聚焦超声换能器下端进入耦合液的深度为10mm。
(2)启动微片激光器，输出脉冲激光波长为532nm，脉宽为1ns，重复频率是5kHz；该脉冲激光通过透镜和针孔后到达光能反馈组件中的分光镜，脉冲激光经分光镜分束，一束经由微型X-Y振镜后经过声光共焦光声探测器中的胶合透镜聚焦后照射在小白鼠除去了毛发的耳朵上，激发出光声信号，光声信号经过耦合槽中的耦合液后被声光共焦光声探测器(中空聚焦超声换能器主频为15MHz)接收；另一束经过光能反馈组件中的透镜聚焦后的光能量信号用光电二极管接收，产生电信号；
(3)声光共焦光声探测器接收到光声信号后，经双通道并行采集卡通过同轴数据传输线进行数据采集，再将数据传输并储存到带有采集控制及信号处理系统的计算机中；光电二极管接收到光信号后，产生的电信号经双通道并行采集卡通过同轴数据传输线进行数据采集，再将数据传输并储存到带有采集控制及信号处理系统的计算机中；改变微型X-Y振镜X、Y轴的各自偏角使脉冲激光束发生偏转，对应的在样品上形成扫描区域，振镜每偏转一次，双通道并行采集卡就进行一次数据采集；
(4)对采集的两个通道的数据先归一化，然后用最大值投影法重建光声二维图像，图5中a为小白鼠背部微血管光声显微二维图像；对所有的光声信号取相同长度并作纵切面投影，再将投影后得到的光声图像在volview3.2软件上重建三维图像，图5中b、c为不同角度(见图中所示坐标)的小白鼠背部微血管光声显微三维图像。
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 (2)
1.一体化整合的便携式共焦光声显微成像装置，其特征在于：该成像装置包括扫描头组件、声光共焦组件、光能反馈组件、信号采集/传输/重建组件及仪器固定/支撑器械组件；
其中，所述扫描头组件包括光声激发源和微型X-Y二维振镜；
所述声光共焦组件，即为声光共焦光声探测器，包括胶合透镜组与中空聚焦超声换能器，胶合透镜组内嵌在中空聚焦超声换能器中，生产为一整体，两者严格共轴并共焦点，即胶合透镜组的焦点与中空聚焦超声换能器的焦点重合；
所述光能反馈组件包括分光镜、透镜及光电二极管；
以上所述光声激发源、微型X-Y二维振镜与分光镜、透镜以及光电二极管以严格共轴的结构固定在可移动的暗箱中，该暗箱与声光共焦光声探测器通过精密机械接口结合为一整体；
所述信号采集/传输/重建组件是由双通道并行采集卡、同轴电缆、安装有采集控制及信号处理系统的计算机依次相连组成；仪器固定/支撑器械组件支撑扫描头组件及光能反馈组件，并使其与声光共焦组件相连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述扫描头组件中的光声激发源包括透镜、针孔和微片激光器；所述微片激光器采用高重复频率短脉冲微片激光器，微片激光器大小为80×90×104mm 3 ，重复频率为1Hz ~5kHz。
3．根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述中空聚焦超声换能器主频为1~75MHz。
4．根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述精密机械接口为大小为M20×0.7的精密螺纹机械接口；所述采集控制及信号处理系统是用Labview和Matlab编写的。
5．一种利用权利要求1所述的装置进行成像的方法，其特征在于包括以下操作步骤：
（1）将声光共焦光声探测器安装在光声激发源和微型X-Y二维振镜的扫描头组件上，使声光共焦光声探测器中的中空聚焦超声换能器下端进入耦合液的深度为5~10mm，盛放耦合液的耦合槽置于样品的正上方，并使声光共焦光声探测器的焦点不偏离样品表面；
（2）光声激发源发出脉冲激光，该脉冲激光通过光声激发源的透镜和针孔后到达光能反馈组件中的分光镜，脉冲激光经分光镜分束，一束通过微型X-Y二维振镜后经过声光共焦光声探测器中的胶合透镜组聚焦，照在样品上，激发出光声信号，光声信号经过耦合槽中的耦合液后被声光共焦光声探测器接收；另一束经过光能反馈组件中的透镜聚焦后的光能量信号用光电二极管接收，产生电信号；
（3）声光共焦光声探测器接收的光声信号和光电二极管产生的电信号被双通道并行采集卡同时采集并将数据输入计算机，进行光声信号的实时能量校正，对每个光声信号及电信号做归一化处理，并进行图像重建；改变微型X-Y二维振镜X、Y轴的各自偏角使脉冲激光束发生偏转，对应的在样品上形成扫描区域，振镜每偏转一次，双通道采集卡就进行一次数据采集；
（4）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显微二维图像及三维图像。
6．根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述三维图像是对所有的光声信号取相同长度并作纵切面投影，再将投影后得到的光声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。
7．根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述光声激发源激发的脉冲激光波长为400~2500nm，脉宽为1~50ns，重复频率为1Hz ~5kHz。
8．根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述耦合液为水，并监测水温，使水温与被测样品的温度保持一致。
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