CN103054558A - 一体化手持式的光声显微成像探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体化手持式的光声显微成像探头。该探头包括扫描阵镜、光学显微物镜、碗状中空型聚焦超声探测器、光声共焦耦合器和手持把柄；扫描阵镜、光学显微物镜、碗状中空型超声探测器及光声共焦耦合器依次通过螺纹固定紧合，扫描阵镜、光学显微物镜、碗状中空型聚焦超声探测器和光声共焦耦合器可以分别拆卸；手持把柄设置于扫描阵镜和碗状中空型聚焦超声探测器的外壁。本发明采用一体化刚性连结结构和背向接收方式，整个显微探头体积小，适用于在体光声显微成像；各部件采用螺纹的方式进行耦合，易于拆卸更换，成本较低，使用灵活方便；分辨率、信噪比和检测的灵敏度较高，适用于实际的应用和检测。

Description

一体化手持式的光声显微成像探头

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手持式的光声显微成像探头。

背景技术

光声成像是在单个成像模式下实现光学的高对比度及超声的高分辨率的一种无损成像方法，它是基于光声效应的成像方法。生物组织吸收纳秒量级的短脉冲激光后，一部分能量引起热弹性膨胀产生机械波，由此产生超声波，利用超声探测器接收产生的超声波并通过一定的算法就可以得到组织中的光吸收分布，也即光声成像。

高分辨率光学显微成像技术主要面临两大挑战：衍射和散射。衍射限制了成像的空间分辨率，散射限制了成像深度。光声成像利用低散射的超声波作为信息载体，使其对深度方向的功能和分子成像有着很高分辨率。光声显微成像技术利用光声成像的原理，通过物镜将入射光进行聚焦，使其与探测器形成共焦模式，可在毫米深度上获得微米的分辨率。

目前，光声显微探测器有对向、侧向及背向接收模式，其中背向接收模式更适用于在体的显微成像，但是现有的背向模式是将光聚焦、探测器与耦合池分开的模式，并且都是固定在工作台上，探测器只能垂直上下调节，不能倾斜。而且检测时通常是让被检测物贴近探测器，检测活体样品如动物、人体时很难调节耦合，操作不便性已局限了其应用及推广。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种一体化手持式的光声显微成像探头。该光声显微成像探头是由扫描阵镜、光学显微物镜、聚焦超声探测器和声光耦合器组成的一体化构造，由光纤连接，可自由移动、任意摆动，紧贴检测部位即可实现快速光声显微成像，使用灵活方便。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种一体化手持式的光声显微成像探头，包括扫描阵镜、光学显微物镜、碗状中空型聚焦超声探测器、光声共焦耦合器和手持把柄；扫描阵镜、光学显微物镜、碗状中空型超声探测器及光声共焦耦合器依次通过螺纹固定紧合，扫描阵镜、光学显微物镜、碗状中空型聚焦超声探测器和光声共焦耦合器可以分别拆卸；手持把柄设置于扫描阵镜和碗状中空型聚焦超声探测器的外壁；

所述的光学显微物镜与碗状中空型聚焦超声探测器之间的距离可以通过螺纹旋转进行调整，使光学显微物镜的光学焦点与碗状中空型聚焦超声探测器的声学焦点重合，形成共焦结构，提高检测信号的信噪比；

优选的，手持把柄采用螺丝固定于扫描阵镜和碗状中空型聚焦超声探测器的外壁；手持把柄用于进行手持操作；

所述的扫描阵镜包括入射光纤、光纤准直镜、扫描电机及反射镜；扫描阵镜设置有光学入射孔和出光口，扫描电机及反射镜设置于扫描阵镜内，扫描电机及反射镜可以使光束实现二维扫描，并将光路转向光学显微物镜；入射光纤设置于扫描阵镜的光学入射孔处；光纤准直器设置于扫描阵镜的出光口处，光纤准直器的作用在于使激发光平行输出；激光器输出的脉冲光经入射光纤传输，并接入到扫描阵镜的光学入射孔，入射光纤的前端配有光纤准直镜，使射出的光束为准直平行光；

所述的扫描阵镜的大小为78.5*69*78mm，优选设置2个扫描电机及反射镜；扫描电机及反射镜用于实现光束的二维扫描；

所述的光学显微物镜包括螺纹A、透镜组合、螺纹B以及出光口；扫描阵镜与光学显微物镜通过螺纹A紧密连接，透镜组合设置于光学显微物镜内，光学显微物镜与碗状中空型聚焦超声探测器通过螺纹B紧密连接，出光口设置于光学显微物镜的底部，出光口与碗状中空型聚焦超声探测器连接；光学显微物镜的主要作用是将入射光进行聚焦；

所述的光学显微物镜优选为4倍光学显微物镜；

所述的碗状中空型聚焦超声探测器包括薄膜固定片、薄膜A、碗状基底、环形压电晶片、通光孔和信号输出接口；薄膜固定片设置于光学显微物镜的底部和薄膜A之间，薄膜A设置于薄膜固定片和碗状基底之间，环形压电晶片设置于碗状基底和光声共焦耦合器之间，通光孔设置于碗状基底的中间，信号输出接口输出设置于碗状基底之间的左下角；光学显微物镜的出光口通过通光孔与光声共焦耦合器连接；

所述的薄膜A为透明的薄膜；

薄膜固定片的主要作用将薄膜A进行固定，防止薄膜A变形或脱落；

薄膜A的主要作用是封住碗状聚焦超声探测器的通光孔的上表面，使得光学显微物镜与碗状聚焦超声探测器实现水隔离及光的耦合；

碗状基底的主要作用是生成环形压电晶片并将其固定，同时使得环形压电晶片的探测焦点在碗状基底的几何曲率中心；

环形压电晶片的环宽优选为3mm，环形压电晶片将接收到的超声信号转换为电信号通过信号输出接口输出；

信号输出接口的主要作用是将碗状中空型超声探测器接收到的光束信号输出；

优选的，所述的薄膜固定片为中空环形，其内孔径与通光孔大小相同，外孔径与碗状中空型聚焦探测器的内孔径相同；

优选的，所述的通光孔是圆柱形的通孔；光从通光孔中穿过，照射到样品上面；

优选的，所述的碗状中空型聚焦超声探测器在碗状基底上镀有一层环形压电陶瓷晶体，主频为2.5～20MHz，优选为10MHz；焦长为5～30mm，优选为23mm；

所述的光声共焦耦合器为杯状，包括耦合杯、环片、薄膜B和螺纹C；耦合杯通过螺纹C与碗状基底连接，薄膜B设置于耦合杯的底部，环片设置于薄膜B的外面；

所述的薄膜B为透明的薄膜；

所述的环片的底部为环形，侧边与耦合杯的侧壁紧密连接；环片的主要作用是将薄膜B固定，防止薄膜B脱落；薄膜B与样品进行接触，薄膜B用于水与组织的隔离以及进行声光的耦合；声、光的焦点共焦于薄膜B的下方；

所述的薄膜A与薄膜B之间填充水，环形压电晶片浸没于水中，实现光声信号的耦合探测；

使用一体化手持式的光声显微成像探头时，薄膜B与组织紧密接触，并在组织表面涂一层水；

入射光从入射光纤出来后经光纤准直镜，入射到扫描阵镜内部的两个反射镜上，经反射后通过透镜组合聚焦后，依次经过光学显微物镜的出光口、薄膜A进入水中，在水中聚焦到薄膜B的下表面，薄膜B与样品进行紧密接触，样品的表面涂一层水用于进行样品和薄膜之间的声耦合；样品产生的光声信号通过薄膜B耦合进入光声共焦耦合器中，在水中进行传播，声波被环形压电晶片接收，并转换成电信号，再通过信号输出接口输出。

本发明的发明机理：本发明采用一体化刚性连结结构，基于机械连结，采用螺纹的方式紧固扫描阵镜、光学显微物镜、碗状中空型超声探测器及光声共焦耦合器，并设计成手持式的结构，能够实现手持自由操作。通过光纤输出激光，经光纤准直镜入射到扫描阵镜内部的两个反射镜上，经反射后通过透镜组合聚焦后，依次经过光学显微物镜的出光口、薄膜A进入水中，在水中聚焦到薄膜B的下表面，薄膜B与样品进行紧密接触，样品的表面涂一层水用于进行样品和薄膜之间的声耦合；样品产生的光声信号通过薄膜B耦合进入光声共焦耦合器中，在水中进行传播，声波被环形压电晶片接收，并转换成电信号，再通过信号输出接口输出。采用背向接收方式，实现了激发光与探测声共焦结构，提高了分辨率及信噪比，也提高了检测的灵敏度。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

（1）本发明采用一体化刚性连结结构，整个显微探头体积小，适用于在体光声显微成像；各部件采用螺纹的方式进行耦合，易于拆卸更换，成本较低，使用灵活方便，实现了手持式操作，更适用于实际的应用和检测。

（2）本发明采用背向接收方式，实现了激发光与探测声共焦结构，提高了分辨率及信噪比，也提高了检测的灵敏度。

（3）本发明采用透明薄膜进行水的封装，便于光的穿透，而且也易于更换，价格低廉。

附图说明

图1为实施例1的一体化手持式的光声显微成像探头的整体结构图；其中：1扫描阵镜、2显微物镜、3碗状中空型聚焦超声探测器、4光声共焦耦合器、5手持把柄。

图2为实施例1的一体化手持式的光声显微成像探头的剖面结构图；其中：1扫描阵镜、1-1入射光纤、1-2光纤准直镜、1-3扫描电机及反射镜；2显微物镜、2-1螺纹A、2-2透镜组合、2-3螺纹B、2-4出光口；3碗状中空型聚焦超声探测器、3-1薄膜固定片、3-2薄膜A、3-3碗状基底、3-4压电晶片、3-5通光孔、3-6信号输出接口；4光声共焦耦合器、4-1耦合杯、4-2环片、4-3薄膜B、4-4螺纹C；5手持把柄。

图3为实施例1的一体化化手持式的光声显微成像探头的光声传输示意图；其中：6入射光、6-1光焦点、6-2吸收体、6-3超声。

图4为实施例2的利用一体化手持式的光声显微成像探头检测的小白鼠背部皮下血管的光声成像图。

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，一种一体化手持式的光声显微成像探头，包括扫描阵镜1、光学显微物镜2、碗状中空型聚焦超声探测器3、光声共焦耦合器4和手持把柄5；扫描阵镜1、光学显微物镜2、碗状中空型超声探测器3及光声共焦耦合器4依次通过螺纹固定紧合，扫描阵镜1、光学显微物镜2、碗状中空型聚焦超声探测器3和光声共焦耦合器4可以分别拆卸；手持把柄5采用螺丝固定于扫描阵镜1和碗状中空型聚焦超声探测器3的外壁；

光学显微物镜2与碗状中空型聚焦超声探测器3之间的距离可以通过螺纹旋转进行调整，使光学显微物镜的光学焦点与碗状中空型聚焦超声探测器的声学焦点重合，形成共焦结构；

如图2所示，扫描阵镜1包括入射光纤1-1、光纤准直镜1-2、扫描电机及反射镜1-3；扫描阵镜设置有光学入射孔和出光口，扫描电机及反射镜1-3设置于扫描阵镜内，扫描电机及反射镜1-3使光束实现二维扫描，并将光路转向光学显微物镜2；入射光纤1-1设置于扫描阵镜的光学入射孔处；光纤准直器1-2设置于扫描阵镜的出光口处；激光器输出的脉冲光经入射光纤传输，并接入到扫描阵镜的光学入射孔，入射光纤的前端配有光纤准直镜，使射出的光束为准直平行光；

扫描阵镜的大小为78.5*69*78mm，设置有2个扫描电机及反射镜；

光学显微物镜2包括螺纹A2-1、透镜组合2-2，螺纹B2-3以及出光口2-4；扫描阵镜1与光学显微物镜2通过螺纹A2-1紧密连接，透镜组合2-2设置于光学显微物镜2内，光学显微物镜2与碗状中空型聚焦超声探测器3通过螺纹B2-3紧密连接，出光口2-4设置于光学显微物镜2的底部，出光口2-4与碗状中空型聚焦超声探测器3连接；

光学显微物镜2为4倍光学显微物镜；

碗状中空型聚焦超声探测器3包括薄膜固定片3-1、透明薄膜A3-2、碗状基底3-3、环形压电晶片3-4、通光孔3-5和信号输出接口3-6；薄膜固定片3-1设置于光学显微物镜2的底部和薄膜A3-2之间，薄膜A3-2设置于薄膜固定片3-1和碗状基底3-3之间，环形压电晶片3-4设置于碗状基底3-3和光声共焦耦合器4之间，通光孔3-5设置于碗状基底3-3的中间，信号输出接口3-6输出设置于碗状基底3-3之间的左下角；光学显微物镜2的出光口2-4通过通光孔3-5与光声共焦耦合器4连接；

环形压电晶片3-4的环宽为3mm，环形压电晶片将接收到的超声信号转换为电信号通过信号输出接口3-6输出；

薄膜固定片3-1为中空环形，其内孔径与通光孔3-5大小相同，外孔径与碗状中空型聚焦探测器3的内孔径相同；

通光孔是圆柱形的通孔，光从通光孔中穿过，照射到样品上面；

碗状中空型聚焦超声探测器3在碗状基底上镀有一层环形压电陶瓷晶体，主频为10MHz，焦长为23mm；

光声共焦耦合器4为杯状，包括耦合杯4-1、环片4-2、透明薄膜B4-3和螺纹C4-4；耦合杯4-1通过螺纹C4-4与碗状基底连接，薄膜B4-3设置于耦合杯4-1的底部，环片4-2设置于薄膜B4-3的外面；

环片4-2的底部为环形，侧边与耦合杯4-1的侧壁紧密连接；薄膜B与样品进行接触；

薄膜A与薄膜B之间填充水，环形压电晶片浸没于水中，实现光声信号的耦合探测；

入射光从入射光纤1-1出来后经光纤准直镜1-2，入射到扫描阵镜内部的两个反射镜上，经反射后通过透镜组合2-2聚焦后，依次经过光学显微物镜的出光口2-4、薄膜A3-2进入水中，在水中聚焦到薄膜B4-3的下表面，薄膜B4-3与样品进行紧密接触，样品的表面涂一层水用于进行样品和薄膜之间的声耦合；样品产生的光声信号通过薄膜B4-3耦合进入光声共焦耦合器4中，在水中进行传播，声波被环形压电晶片3-4接收，并转换成电信号，再通过信号输出接口3-6输出。

实施例2

运用实施例1的一体化手持式的光声显微成像探头进行小白鼠背部检测的方法，包括如下步骤：

将小白鼠背部置于一体化手持式的光声显微成像探头下，启动激发光和一体化手持式的光声显微成像探头，入射光从入射光纤出来后经光纤准直镜，入射到扫描阵镜内部的两个反射镜上，经反射后通过透镜组合聚焦后，依次经过光学显微物镜的出光口、薄膜A进入水中，在水中聚焦到薄膜B的下表面，薄膜B与样品进行紧密接触，样品的表面涂一层水用于进行样品和薄膜之间的声耦合；样品产生的光声信号通过薄膜B耦合进入光声共焦耦合器中，在水中进行传播，声波被环形压电晶片接收，并转换成电信号，再通过信号输出接口输出；

小白鼠背部的光声成像如图4所示，成像扫描范围是1.5*1.5mm，共扫描10000个点；从图4可以看出，利用一体化手持式光声显微成像探头能够清晰成像小白鼠背部皮下的血管分布，并且能够高分辨的识别出相邻的动脉和静脉。

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 (10)

1.一种一体化手持式的光声显微成像探头，其特征在于包括扫描阵镜、光学显微物镜、碗状中空型聚焦超声探测器、光声共焦耦合器和手持把柄；扫描阵镜、光学显微物镜、碗状中空型超声探测器及光声共焦耦合器依次通过螺纹固定紧合，扫描阵镜、光学显微物镜、碗状中空型聚焦超声探测器和光声共焦耦合器可以分别拆卸；手持把柄设置于扫描阵镜和碗状中空型聚焦超声探测器的外壁；

所述的光学显微物镜与碗状中空型聚焦超声探测器之间的距离可以通过螺纹旋转进行调整。

2.根据权利要求1所述的一体化手持式的光声显微成像探头，其特征在于：所述的手持把柄采用螺丝固定于扫描阵镜和碗状中空型聚焦超声探测器的外壁。

3.根据权利要求1所述的一体化手持式的光声显微成像探头，其特征在于：所述的扫描阵镜包括入射光纤、光纤准直镜、扫描电机及反射镜；扫描阵镜设置有光学入射孔和出光口，扫描电机及反射镜设置于扫描阵镜内，入射光纤设置于扫描阵镜的光学入射孔处；光纤准直器设置于扫描阵镜的出光口处。

4.根据权利要求1所述的一体化手持式的光声显微成像探头，其特征在于：所述的光学显微物镜包括螺纹A、透镜组合、螺纹B以及出光口；扫描阵镜与光学显微物镜通过螺纹A紧密连接，透镜组合设置于光学显微物镜内，光学显微物镜与碗状中空型聚焦超声探测器通过螺纹B紧密连接，出光口设置于光学显微物镜的底部，出光口与碗状中空型聚焦超声探测器连接。

5.根据权利要求1所述的一体化手持式的光声显微成像探头，其特征在于：所述的碗状中空型聚焦超声探测器包括薄膜固定片、薄膜A、碗状基底、环形压电晶片、通光孔和信号输出接口；薄膜固定片设置于光学显微物镜的底部和薄膜A之间，薄膜A设置于薄膜固定片和碗状基底之间，环形压电晶片设置于碗状基底和光声共焦耦合器之间，通光孔设置于碗状基底的中间，信号输出接口输出设置于碗状基底之间的左下角；光学显微物镜的出光口通过通光孔与光声共焦耦合器连接。

6.根据权利要求1所述的一体化手持式的光声显微成像探头，其特征在于：所述的光声共焦耦合器为杯状，包括耦合杯、环片、薄膜B和螺纹C；耦合杯通过螺纹C与碗状基底连接，薄膜B设置于耦合杯的底部，环片设置于薄膜B的外面；耦合杯通过所述的通光孔与薄膜A连接。

7.根据权利要求6所述的一体化手持式的光声显微成像探头，其特征在于：所述的薄膜A与薄膜B之间填充水。

8.根据权利要求3所述的一体化手持式的光声显微成像探头，其特征在于：所述的扫描阵镜的大小为78.5*69*78mm，扫描阵镜设置有2个扫描电机及反射镜。

9.根据权利要求5所述的一体化手持式的光声显微成像探头，其特征在于：所述的环形压电晶片的环宽为3mm；所述的通光孔是圆柱形的通孔；所述的薄膜固定片为中空环形，其内孔径与通光孔大小相同，外孔径与碗状中空型聚焦探测器的内孔径相同；所述的碗状中空型聚焦超声探测器在碗状基底上镀有一层环形压电陶瓷晶体，主频为2.5～20MHz，焦长为5～30mm。

10.根据权利要求6所述的一体化手持式的光声显微成像探头，其特征在于：所述的环片的底部为环形，侧边与耦合杯的侧壁紧密连接。

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