CN103018171B - 宽频带无换能器光声和荧光双成像装置及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽频带无换能器光声和荧光双成像装置及其检测方法。该装置包括光声/荧光激发光源和光声信号检测光源组件、光声信号检测组件、荧光信号检测组件和光声/荧光信号采集/处理组件；光声/荧光激发光源和光声信号检测光源组件分别与光声信号检测组件、光声/荧光信号采集/处理组件连接，光声信号检测组件分别与荧光信号检测组件、光声/荧光信号采集/处理组件连接，荧光信号检测组件和光声/荧光信号采集/处理组件连接。本发明利用脉冲激光照射生物样品产生光声信号，用较窄线宽的连续激光聚焦在样品表面，通过检测样品表面的振动速度达到检测光声信号的目的，摆脱了换能器的带宽限制缺陷，实现了光声/荧光双成像的有机结合。
Description
技术领域
本发明属于光声成像技术领域，特别涉及一种宽频带无换能器光声和荧光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、生理和病理特征、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一对矛盾，正式基于这对不可调和的矛盾，于是无超声换能器频带限制的全光学检测光声信号的方法应运而生。这种颠覆传统的光声信号检测方法具有明显的优势，不仅能够检测宽频的光声信号，而且能够实现光声信号的原位检测，并具有适合任何部位的光声检测。
荧光检测是普遍用在生物学上的一种检测方法，其利用生物组织自身荧光或者介入荧光染料来检测生物组织的某些特征。其具有光学高分辨率的特性，在临床和生物学实验室中有普遍应用。由于光学穿透深度的限制，荧光成像深度有限，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，有助于临床诊断。
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，提供一种宽频带无换能器光声和荧光双成像装置。
本发明的另一目的在于提供运用上述宽频带无换能器光声和荧光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：一种宽频带无换能器光声和荧光双成像装置，包括光声/荧光激发光源和光声信号检测光源组件、光声信号检测组件、荧光信号检测组件和光声/荧光信号采集/处理组件；光声/荧光激发光源和光声信号检测光源组件分别与光声信号检测组件、光声/荧光信号采集/处理组件连接，光声信号检测组件分别与荧光信号检测组件、光声/荧光信号采集/处理组件连接，荧光信号检测组件和光声/荧光信号采集/处理组件连接；
所述的光声激发光源和光声信号检测光源组件、光声信号检测组件和光声信号采集/处理组件依次电气连接；
所述的光声/荧光激发光源和光声信号检测光源组件包括依次连接的光声/荧光激发光源、二向色镜A、分束镜和光声信号检测光源；分束镜与光声信号检测组件连接，光声/荧光激发光源和光声信号检测光源分别与光声/荧光信号采集/处理组件连接；光声/荧光激发光源和光声信号检测光源组件的主要作用是激发光声信号、荧光信号和光声信号检测光源；
所述的光声/荧光激发光源、光声信号检测光源和二向色镜A严格光学同轴；
所述的光声信号检测组件包括依次连接的平场物镜、偏振分束器A、偏振分束器B、共焦法布里-珀罗干涉仪、压电陶瓷驱动器、光电倍增管A、偏振分束器C、聚焦透镜和光电倍增管B，共焦法布里-珀罗干涉仪和偏振分束器C连接，光电倍增管A、光电倍增管B和压电陶瓷驱动器分别与光声/荧光信号采集/处理组件连接，偏振分束器B与所述的分束镜连接；光声信号检测组件的主要功能是检测光声信号；
所述的光声信号检测组件设置有与偏振分束器A连接的二维扫描振镜，二维扫描振镜分别与所述的二向色镜A、光声/荧光信号采集/处理组件连接；二维扫描振镜的主要功能是扫描光声激发光；
所述的平场物镜、偏振分束器A、偏振分束器B、偏振分束器C、共焦法布里-珀罗干涉仪、聚焦透镜、光电倍增管A、光电倍增管B和二维扫描振镜严格光学同轴；
优选的，所述的光声信号检测组件在平场物镜和偏振分束器A之间设置1/4波片，平场物镜和1/4波片分别与荧光信号检测组件连接；1/4波片的主要作用是使光束的偏转方向改变π/2，保证后向散射的信号光全部通过偏振分束器A、偏振分束器B和偏振分束器C，最后全部聚焦到光电倍增管B上；
所述的荧光信号检测组件包括依次连接的二向色镜B、滤色片、聚焦透镜和光电倍增管C；二向色镜B设置于平场物镜和1/4波片之间；荧光信号检测组件的主要功能是检测荧光信号；
所述的光声/荧光信号采集/处理组件包括同轴电缆、采集卡和计算机，采集卡与计算机连接，计算机与压电陶瓷驱动器连接；采集卡通过同轴电缆分别与所述的光电倍增管A、光电倍增管B、光电倍增管C、压电陶瓷驱动器、二维扫描振镜连接；
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；
所述的共焦法布里珀罗干涉仪、压电陶瓷驱动器、光电倍增管A、光电倍增管B和计算机组成一个闭合伺服系统；所述的闭合伺服系统是指从分束镜出来的一束光经偏振分束器B全反，透过共焦法布里-珀罗干涉仪在经过偏振分束器C全反至光电倍增管B，将光信号转化为电信号，计算机通过采集卡采集到数据后进行分析，然后反馈至压电陶瓷驱动器以控制共焦法布里-珀罗干涉仪的腔长来稳定工作点；
计算机、光电倍增管A、光电倍增管B、光电倍增管C、光声/荧光激发光源、光声信号检测光源和二维扫描振镜依次电气连接；
所述的宽频带无换能器光声和荧光双成像装置设置有与平场物镜连接的样品台；
运用上述宽频带无换能器光声和荧光双成像装置的检测方法，包括以下步骤：
（1）将光声信号检测组件和荧光信号检测组件置于样品表面的正上方，并使光声信号检测组件和荧光信号检测组件处于铅直方向；
（2）使光声激发光和光声信号检测光通过二向色镜A合为一束光后依次经过二维扫描振镜、偏振分束器和平场物镜照射到样品表面，使得光声信号检测光聚焦于样品的表面；
（3）使光声激发光照射到样品上，样品吸收光能以后产生光声信号，光声信号引起样品表面的振动，样品表面的振动引起光声信号检测光产生多普勒频移，通过检测多普勒频移来达到检测光声信号的目的；
（4）使样品表面的后向散射光和反射光依次通过平场物镜、偏振分束器A、偏振分束器B、共焦法布里珀罗干涉仪、偏振分束器C和聚焦透镜后照射在光电倍增管B上，检测光强的变化，即为光声信号；而由光声激发光激发的荧光依次通过二向色镜、滤色片和聚焦透镜后被光电倍增管C接收，即为荧光信号；改变二维扫描振镜X、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，重新进行光声和荧光双成像，二维扫描振镜每偏转一次，采集卡就进行一次光声/荧光信号采集；
（5）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和荧光二维图像及三维图像；
所述的光声/荧光激发光源的脉冲激光波长优选为400～2500nm，脉宽优选为1～50ns，重复频率优选为1Hz～50kHz；
所述的光声信号检测光源的波长优选为300～800nm，线宽优选为1～20MHz。
更优选的，所述的光声/荧光激发光源的脉冲激光波长为532nm，脉宽为10ns，重复频率为20Hz；所述的光声信号检测光源的波长为632.8nm，线宽为10MHz。
从光声/荧光激发光源和光声信号检测光源发出的激光通过二向色镜A合成一束光并依次经过二维扫描振镜、偏振分束器A、1/4波片、平场物镜后聚焦到样品上，后向散射的光依次通过平场物镜、二向色镜B、1/4波片、偏振分束器A、偏振分束器B、共焦法布里珀罗干涉仪、偏振分束器C和聚焦透镜后被光电倍增管B接收，光电倍增管B将接收到光信号转变为电信号即为光声信号；激发的荧光依次通过平场物镜、二向色镜B、滤色片和聚焦透镜后被光电倍增管C接收，即为荧光信号。
本发明的发明原理是：本发明利用脉冲激光照射生物样品而产生光声信号，然后再用较窄线宽的连续激光聚焦在生物组织表面，由于生物样品表面的振动会引起光声信号检测光产生多普勒频移，而产生多普勒频移的样品表面的后向散射光和反射光经过共焦法布里珀罗干涉仪后光强会产生相应的变化，通过检测光强的变化来反映光声信号的大小。而荧光信号由脉冲激光激发，用光电倍增管接收荧光信号，把光声和荧光两种成像模式通过一定的光学结构结合在一起，实现了光声/荧光双成像的一体化。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
（1）本发明利用脉冲激光照射生物样品产生光声信号，然后用较窄线宽的连续激光聚焦在生物组织表面，由于生物样品表面的振动会引起光声信号检测光产生多普勒频移，而多普勒频移会导致样品表面的后向散射光和反射光的光强产生相应的改变，通过检测由于光声信号导致的生物组织表面的振动的速度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。
（2）本发明可以在光声信号源处进行检测，这样就防止了高频光声信号在生物组织中的急剧衰减而不能被检测的缺点。本发明的非接触式的光声信号检测方法摆脱了传统的耦合光声信号检测的限制，也摆脱了传统的光声信号检测位置的限制，可对任何部位进行光声检测，实现了光声/荧光双成像的有机结合。
附图说明
图1是实施例1的宽频带无换能器光声和荧光双成像装置的结构示意图，其中：1-1为光声信号检测光源，1-2为光声/荧光激发光源，1-3为分束镜，1-4为二向色镜A，1-5为二维扫描振镜，2为样品台，3-1为平场物镜，3-2为1/4波片，3-3为偏振分束器A，3-4为偏振分束器B，3-5为共焦法布里珀罗干涉仪，3-6为偏振分束器C，3-7为光电倍增管A，3-8为压电陶瓷驱动器、3-9为聚焦透镜、3-10为光电倍增管B、4为二向色镜B、5-1为滤色片、5-2为聚焦透镜、5-3为光电倍增管C、6为光声/荧光信号采集/处理组件。
图2是实施例2的光声二维图像。
图3是实施例2的荧光二维图像。
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，一种宽频带无换能器光声和荧光双成像装置，包括光声/荧光激发光源和光声信号检测光源组件、光声信号检测组件、荧光信号检测组件和光声/荧光信号采集/处理组件；光声/荧光激发光源和光声信号检测光源组件分别与光声信号检测组件、光声/荧光信号采集/处理组件连接，光声信号检测组件分别与荧光信号检测组件、光声/荧光信号采集/处理组件连接，荧光信号检测组件和光声/荧光信号采集/处理组件连接；
所述的光声激发光源和光声信号检测光源组件、光声信号检测组件和光声信号采集/处理组件依次电气连接；
所述的光声激发光源和光声信号检测光源组件包括依次连接的光声/荧光激发光源1-2、二向色镜A 1-4、分束镜1-3和光声信号检测光源1-1；分束镜1-3与光声信号检测组件1-1连接，光声/荧光激发光源1-2和光声信号检测光源分1-4别与光声/荧光信号采集/处理组件6连接；
所述的光声/荧光激发光源1-2、光声信号检测光源1-1和二向色镜A 1-4严格光学同轴；
所述的光声信号检测组件包括依次连接的平场物镜3-1、偏振分束器A 3-3、偏振分束器B 3-4、共焦法布里-珀罗干涉仪3-5、压电陶瓷驱动器3-8、光电倍增管A 3-7、偏振分束器C 3-6、聚焦透镜3-9和光电倍增管B 3-10，共焦法布里-珀罗干涉仪3-5和偏振分束器C 3-6连接，压电陶瓷驱动器3-8和光电倍增管B3-10分别与光声/荧光信号采集/处理组件6连接，偏振分束器B 3-4与所述的分束镜1-3连接；
所述的光声信号检测组件设置有与偏振分束器A 3-3连接的二维扫描振镜1-5，二维扫描振镜1-5分别与所述的二向色镜A 1-4、光声/荧光信号采集/处理组件6连接；
所述的平场物镜3-1、偏振分束器A 3-3、偏振分束器B 3-4、偏振分束器C3-6、共焦法布里-珀罗干涉仪3-5、聚焦透镜3-9、光电倍增管A 3-7、光电倍增管B 3-10和二维扫描振镜1-5严格光学同轴；
所述的光声信号检测组件在平场物镜3-1和偏振分束器A 3-3之间设置1/4波片3-2，平场物镜3-1和1/4波片3-2分别与荧光信号检测组件连接；
所述的荧光信号检测组件包括依次连接的二向色镜B 4、滤色片5-1、聚焦透镜5-2和光电倍增管C 5-3；二向色镜B 4设置于平场物镜3-1和1/4波片3-2之间，光电倍增管C 5-3与光声/荧光信号采集/处理组件连接；
所述的光声/荧光信号采集/处理组件包括同轴电缆、采集卡和计算机，采集卡与计算机连接，计算机与压电陶瓷驱动器连接；采集卡通过同轴电缆分别与所述的光电倍增管A、光电倍增管B、光电倍增管C、压电陶瓷驱动器、二维扫描振镜连接；
所述的计算机安装有采集控制及信号处理系统；
计算机、光电倍增管A 3-7、光电倍增管B 3-10、光电倍增管C 5-3、光声/荧光激发光源1-2、光声信号检测光源1-1和二维扫描振镜1-5依次电气连接；
所述的共焦法布里珀罗干涉仪、压电陶瓷驱动器、光电倍增管A、光电倍增管B和计算机组成一个闭合伺服系统；闭合伺服系统是指从分束镜出来的一束光经偏振分束器B全反，透过共焦法布里-珀罗干涉仪在经过偏振分束器C全反至光电倍增管B，将光信号转化为电信号，计算机通过采集卡采集到数据后进行分析，然后反馈至压电陶瓷驱动器以控制共焦法布里-珀罗干涉仪的腔长来稳定工作点；
所述的宽频带无换能器光声和荧光双成像装置设置有与平场物镜3-1连接的样品台2；
从光声/荧光激发光源1-2和光声信号检测光源1-1发出的激光通过二向色镜A 1-4合成一束光并依次经过二维扫描振镜1-5、偏振分束器A 3-3、1/4波片3-2、平场物镜3-1后聚焦到样品上，后向散射的光依次通过平场物镜3-1、二向色镜B 4、1/4波片3-2、偏振分束器A 3-3、偏振分束器B 3-4、共焦法布里珀罗干涉仪3-5、偏振分束器C 3-6和聚焦透镜3-9后被光电倍增管B 3-10接收，光电倍增管B将接收到光信号转变为电信号即为光声信号；激发的荧光依次通过平场物镜3-1、二向色镜B 4、滤色片5-1和聚焦透镜5-2后被光电倍增管C 5-3接收，即为荧光信号。
实施例2
运用实施例1的宽频带无换能器光声和荧光双成像装置的检测方法，包括以下步骤：
（1）将pH值为5.5的异硫氰酸荧光素FITC溶液滴在载玻片上，将该载玻片置于样品台上；
（2）将光声信号检测组件和荧光信号检测组件置于样品表面的正上方，并使光声信号检测组件和荧光信号检测组件处于铅直方向；
（3）使光声激发光和光声信号检测光通过二向色镜A合为一束光后依次经过二维扫描振镜、偏振分束器和平场物镜照射到样品表面，使得光声信号检测光聚焦于样品的表面；
（4）光声激发光照射到样品上，样品吸收光能以后产生光声信号，光声信号引起样品表面的振动，样品表面的振动引起光声信号检测光产生多普勒频移，产生多普勒频移的样品表面的后向散射光和反射光经过共焦法布里珀罗干涉仪后光强会产生相应的变化；
（5）样品表面的后向散射光和反射光依次通过平场物镜、偏振分束器A、偏振分束器B、共焦法布里珀罗干涉仪、偏振分束器C和聚焦透镜后照射在光电倍增管B上，检测光强的变化，即为光声信号；而由光声激发光激发的荧光依次通过二向色镜、滤色片和聚焦透镜后被光电倍增管C接收，即为荧光信号；改变二维扫描振镜X、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，重新进行光声和荧光双成像，二维扫描振镜每偏转一次，采集卡就进行一次光声/荧光信号采集；
（6）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和荧光二维图像及三维图像；所得光声和荧光图像如图2、图3所示；
所述的光声/荧光激发光源的脉冲激光波长为532nm，脉宽为10ns，重复频率为20Hz；
所述的光声信号检测光源的波长为632.8nm，线宽为10MHz。
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 (9)
1.一种宽频带无换能器光声和荧光双成像装置，其特征在于包括光声/荧光激发光源和光声信号检测光源组件、光声信号检测组件、荧光信号检测组件和光声/荧光信号采集/处理组件；光声/荧光激发光源和光声信号检测光源组件分别与光声信号检测组件、光声/荧光信号采集/处理组件连接，光声信号检测组件分别与荧光信号检测组件、光声/荧光信号采集/处理组件连接，荧光信号检测组件和光声/荧光信号采集/处理组件连接；
所述的光声/荧光激发光源和光声信号检测光源组件包括依次连接的光声/荧光激发光源、二向色镜A、分束镜和光声信号检测光源；分束镜与光声信号检测组件连接，光声/荧光激发光源和光声信号检测光源分别与光声/荧光信号采集/处理组件连接；
所述的光声信号检测组件包括依次连接的平场物镜、偏振分束器A、偏振分束器B、共焦法布里-珀罗干涉仪、压电陶瓷驱动器、光电倍增管A、偏振分束器C、聚焦透镜和光电倍增管B，共焦法布里-珀罗干涉仪和偏振分束器C连接，光电倍增管A、光电倍增管B和压电陶瓷驱动器分别与光声/荧光信号采集/处理组件连接，偏振分束器B与所述的分束镜连接；
所述的荧光信号检测组件包括依次连接的二向色镜B、滤色片、聚焦透镜和光电倍增管C；二向色镜B与平场物镜连接；
所述的光声信号检测组件设置有与偏振分束器A连接的二维扫描振镜，二维扫描振镜分别与所述的二向色镜A、光声/荧光信号采集/处理组件连接；
所述的光声/荧光信号采集/处理组件包括同轴电缆、采集卡和计算机，采集卡与计算机连接，计算机与压电陶瓷驱动器连接；采集卡通过同轴电缆分别与所述的光电倍增管A、光电倍增管B、光电倍增管C、压电陶瓷驱动器、二维扫描振镜连接。
2.根据权利要求1所述的宽频带无换能器光声和荧光双成像装置，其特征在于：所述的光声/荧光激发光源和光声信号检测光源组件、光声信号检测组件和光声/荧光信号采集/处理组件依次电气连接。
3.根据权利要求1所述的宽频带无换能器光声和荧光双成像装置，其特征在于：
所述的光声/荧光激发光源、光声信号检测光源和二向色镜A严格光学同轴；
所述的平场物镜、偏振分束器A、偏振分束器B、偏振分束器C、共焦法布里-珀罗干涉仪、聚焦透镜、光电倍增管A、光电倍增管B和二维扫描振镜严格光学同轴。
4.根据权利要求1所述的宽频带无换能器光声和荧光双成像装置，其特征在于：所述的共焦法布里珀罗干涉仪、压电陶瓷驱动器、光电倍增管A、光电倍增管B和计算机组成一个闭合伺服系统。
5.根据权利要求1所述的宽频带无换能器光声和荧光双成像装置，其特征在于：所述的光声信号检测组件在平场物镜和偏振分束器A之间设置1/4波片，平场物镜和1/4波片分别与荧光信号检测组件连接。
6.根据权利要求1所述的宽频带无换能器光声和荧光双成像装置，其特征在于：所述的宽频带无换能器光声和荧光双成像装置设置有与平场物镜连接的样品台。
7.根据权利要求2所述的宽频带无换能器光声和荧光双成像装置，其特征在于：
所述的计算机、光电倍增管A、光电倍增管B、光电倍增管C、光声/荧光激发光源、光声信号检测光源和二维扫描振镜依次电气连接。
8.运用权利要求1～7任一项所述的宽频带无换能器光声和荧光双成像装置的检测方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将光声信号检测组件和荧光信号检测组件置于样品表面的正上方，并使光声信号检测组件和荧光信号检测组件处于铅直方向；
(2)使光声激发光和光声信号检测光通过二向色镜A合为一束光后依次经过二维扫描振镜、偏振分束器和平场物镜照射到样品表面，使得光声信号检测光聚焦于样品的表面；
(3)使光声激发光照射到样品上，样品吸收光能以后产生光声信号，光声信号引起样品表面的振动，样品表面的振动引起光声信号检测光产生多普勒频移，产生多普勒频移的样品表面的后向散射光和反射光经过共焦法布里珀罗干涉仪后光强会产生相应的变化；
(4)使样品表面的后向散射光和反射光依次通过平场物镜、偏振分束器A、偏振分束器B、共焦法布里珀罗干涉仪、偏振分束器C和聚焦透镜后照射在光电倍增管B上，检测光强的变化，即为光声信号；而由光声激发光激发的荧光依次通过二向色镜、滤色片和聚焦透镜后被光电倍增管C接收，即为荧光信号；改变二维扫描振镜X、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，重新进行光声和荧光双成像，二维扫描振镜每偏转一次，采集卡就进行一次光声/荧光信号采集；
(5)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和荧光二维图像及三维图像。
9.根据权利要求8所述的宽频带无换能器光声和荧光双成像装置的检测方法，其特征在于：
所述的光声/荧光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；
所述的光声信号检测光源的波长为300～800nm，线宽为1～20MHz。
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