CN103149152B - 一种变焦扫描的光声显微成像装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变焦扫描的光声显微成像装置及其方法。该装置包括扫描阵镜、变焦系统、显微样品台、固定支架和控制采集及图形重建软硬件；扫描阵镜设置于固定支架的顶部，变焦系统设置于固定支架的中部，显微样品台设置于固定支架的底部；固定支架和控制采集及图形重建软硬件连接。本发明采用光声共焦的激发探测结构，将光激发、光焦点扫描及声探测统一整合在一个显微平台上，使光焦点只在探测器声场焦腰上进行扫描，通过空间微移动光声激发光学焦点，提高了探测灵敏度。本发明采用可变焦点扫描方式，修正了单层焦点扫描时光声成像图像分辨率严重不均匀的现象，保证了同分辨率下的深层组织的光声显微成像。
Description
技术领域
本发明属于显微成像技术领域，特别涉及一种变焦扫描的光声显微成像装置及其方法。
背景技术
光声成像是指短脉冲激光照射到生物组织，组织中的光吸收体吸收脉冲激光后，会产生组织温升，由于照射时间极短，因而产生瞬时热膨胀导致应激出超声信号（称为光声信号），利用超声探测器接收组织周围产生的光声信号，并通过一定的算法进行图像重建，可以反演出组织内部光吸收的分布结构，它是一种基于光学吸收差异特性反映组织生理病变的功能成像技术。光声显微成像技术，与光学显微成像类似，利用聚焦激发光实现点激发与声探测的显微成像。一方面，由于超声在组织中的穿透深度要比光在组织中的穿透深度大2-5个数量级；所以，相对于光学显微成像，光声显微成像能够对更深层的组织进行成像，一般大于200微米而小于几个毫米。但是由于随着深度的增加，激发光斑仍然受到强烈的光散射作用影响，所以，尽管光声显微成像能够获得比传统光学显微成像更深的组织成像，但其成像在深度方向上由于光斑的散射会呈现不均匀分辨率分布，即焦点所处的深度其分辨率最高，在焦点上方或者下方其分辨率会逐渐降低；同时由于不同深度其光能量密度分布亦不均匀，所以光声显微成像不同深度的信噪比也不一致，从而影响了光声成像在生物医学、电子工程学上的应用，特别是影响了需要定量计算光吸收系数时的应用研究。
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，提供一种变焦扫描的光声显微成像装置。
本发明的另一目的在于提供运用上述变焦扫描的光声显微成像装置的成像方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种变焦扫描的光声显微成像装置，包括扫描阵镜、变焦系统、显微样品台、固定支架和控制采集及图形重建软硬件；扫描阵镜设置于固定支架的顶部，变焦系统设置于固定支架的中部，显微样品台设置于固定支架的底部；固定支架和控制采集及图形重建软硬件连接；
优选的，所述的显微样品台采用螺丝设置于固定支架的底部；
所述的扫描阵镜内设置有依次连接的扫描电机和反射镜；扫描电机及反射镜用于实现光束的二维扫描；
优选的，所述的扫描阵镜内设置2个扫描电机及反射镜；
所述的扫描阵镜优选为二维快速扫描阵镜；二维快速扫描阵镜的扫描速度可以达到2000步/秒；
所述的变焦系统包括显微物镜、聚焦超声探测器、一维移动平台、步进电机、固定架A和固定架B；显微物镜设置于固定架A上，显微物镜通过步进电机调整水平位置；固定架A设置于一维移动平台的中上部；聚焦超声探测器设置于固定架B上，固定架B设置于一维移动平台的底部；步进电机设置于一维移动平台的顶端，一维移动平台设置于固定支架的中部；
所述的显微物镜与聚焦超声探测器同轴；显微物镜能够通过一维移动平台上下移动，调整其与聚焦超声探测器的间距，显微物镜的最小移动步距为2微米；聚焦超声探测器用于接收光声信号；
优选的，所述的聚焦超声探测器为碗状中空型聚焦超声探测器；
所述的碗状中空型聚焦超声探测器优选在碗状基底上镀有一层环形压电陶瓷晶体；
所述的碗状中空型聚焦超声探测器的主频优选为15MHz；焦长为20～30mm，优选为23mm；
所述的固定支架设置有信号线连接口、控制线连接口；控制采集及图形重建软硬件通过控制线连接口与固定支架连接，聚焦超声探测器通过信号线连接口与控制采集及图形重建软硬件连接；
所述的控制采集及图形重建软硬件设置有放大器和采集卡；
所述的放大器的放大倍数为70dB，带宽为50KHz～500MHz；
所述的放大器优选为多级级联放大器；
所述的采集卡的实时采样率为100MHz，最小电压分辨率为12.2uV，板载内存32MB；
运用上述变焦扫描的光声显微成像装置的成像方法，包括如下步骤：
（1）将样品置于显微样品台上，启动变焦扫描的光声显微成像装置，短脉冲激光入射扫描阵镜内，经扫描电机及反射镜实现光束点扫描；
（2）从扫描阵镜出射的激光束入射到显微物镜后被聚焦，然后穿过聚焦超声探测器到达样品的表面；
（3）扫描阵镜控制聚焦光斑在样品的表面进行一维或二维点扫描，采集光声信号；
（4）通过一维移动平台控制显微物镜与聚焦超声探测器之间的距离，调整激发光焦点的扫描位置的深度，重复步骤（3）；
（5）重建多个不同深度的焦点扫描的光声信号图像；
步骤（1）中：
所述的短脉冲激光为脉冲激光器发出的激光；
所述的脉冲激光器优选采用高能量激光微片；
所述的高能量激光微片的单脉冲能量优选为1.76uJ，平均功率优选为33mW，脉冲宽度优选为8ns，重复频率最大优选为25KHz；
步骤（4）中：
所述的调整激发光焦点的扫描位置的深度采用以下方法进行：通过一维移动平台带动显微物镜移动，从而上下微调光焦点位置，光焦点每次微调范围可为2～500微米；每次变焦扫描成像的焦点位置可由采集程序控制，一般扫描5～10层；
步骤（5）中所述的重建优选通过matlab编程的算法进行重建；重建通过每次焦点移动前后的所有数据叠加作权重计算得出；
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
（1）本发明采用光声共焦的激发探测结构，将光激发、光焦点扫描及声探测统一整合在一个显微平台上，使光焦点只在探测器声场焦腰上进行扫描，通过空间微移动光声激发光学焦点（即变焦扫描），实现在一定范围内高的、均匀的图像分辨率及对比度，提高了探测灵敏度。
（2）本发明采用可变焦点扫描方式，修正了单层焦点扫描时光声成像图像分辨率严重不均匀的现象，保证了同分辨率下的深层组织的光声显微成像。
（3）本发明提供的变焦扫描的光声显微成像装置的结构简单，操控方便，有利于推广及应用。
附图说明
图1是实施例1的变焦扫描的光声显微成像装置的结构示意图；其中：1扫描阵镜、1-1扫描电机A、1-2反射镜A、1-3扫描电机B、1-4反射镜B、2-变焦系统、2-1显微物镜、2-2聚焦超声探测器、2-3一维移动平台、2-4步进电机、2-5固定架A、2-6固定架B、3显微样品台、4固定支架、4-1信号线连接口、4-2控制线连接口、4-3线连接口、5控制采集及图形重建软硬件。
图2是变焦扫描的光声显微成像装置的变焦扫描的光学原理图示意图；其中：4-1聚焦激光、4-2聚焦光焦点、4-3超声探测器探测声场分布。
图3是实施例2的浑浊介质里的不同深度的头发丝的光声显微成像图；其中：(a)是深度为0mm的头发丝的光声显微成像图；(b)是深度为0.4mm的头发丝的光声显微成像图；(c)是深度为0.8mm的头发丝的光声显微成像图；(d)是深度为1.2mm的头发丝的光声显微成像图；(e)是深度为1.6mm的头发丝的光声显微成像图；(f)是深度为0～1.6mm的头发丝的光声显微成像图。
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，一种变焦扫描的光声显微成像装置，包括扫描阵镜1、变焦系统2、显微样品台3、固定支架4和控制采集及图形重建软硬件5；扫描阵镜1设置于固定支架4的顶部，变焦系统2设置于固定支架4的中部，显微样品台3设置于固定支架4的底部；固定支架4和控制采集及图形重建软硬件5连接；
显微样品台3采用螺丝设置于固定支架4的底部；
扫描阵镜1内设置有扫描电机A1-1、反射镜A1-2、扫描电机B1-3和反射镜B1-4；扫描电机A1-1与反射镜A1-2连接，扫描电机B1-3和反射镜B1-4连接；
扫描阵镜1为二维快速扫描阵镜；二维快速扫描阵镜的扫描速度可以达到2000步/秒；
变焦系统2包括显微物镜2-1、聚焦超声探测器2-2、一维移动平台2-3、步进电机2-4、固定架A2-5和固定架B2-6；显微物镜2-1设置于固定架A2-5上，显微物镜2-1通过步进电机2-4调整水平位置；固定架A2-5设置于一维移动平台2-3的中上部；聚焦超声探测器2-2设置于固定架B2-6上，固定架B2-6设置于一维移动平台2-3的底部；步进电机2-4设置于一维移动平台2-3的顶端，一维移动平台2-3设置于固定支架4的中部；
显微物镜2-1与聚焦超声探测器2-2同轴；显微物镜2-1能够通过一维移动平台2-3上下移动，调整其与聚焦超声探测器2-2的间距，显微物镜2-1的最小移动步距为2微米；
聚焦超声探测器2-2为碗状中空型聚焦超声探测器；
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15MHz，焦长为23mm；
固定支架4设置有信号线连接口4-1、控制线连接口4-2和线连接口4-3；控制采集及图形重建软硬件5分别通过控制线连接口4-2、线连接口4-3与固定支架4连接，聚焦超声探测器2-2通过信号线连接口4-1与控制采集及图形重建软硬件5连接；
控制采集及图形重建软硬件5设置有放大器和采集卡；
放大器的放大倍数为70dB，带宽为50KHz～500MHz，放大器为多级级联放大器；
采集卡的实时采样率为100MHz，最小电压分辨率为12.2uV，板载内存32MB。
实施例2
运用上述变焦扫描的光声显微成像装置的成像方法，包括如下步骤：
（1）将样品（样品为在介质中埋入两个60～100微米长的头发丝；介质为5wt%牛奶+4wt%琼脂+91wt%水）置于显微样品台上，启动变焦扫描的光声显微成像装置，短脉冲激光（单脉冲能量为1.76uJ，平均功率为33mW，脉冲宽度为8ns，重复频率最大为25KHz）入射扫描阵镜内，经电机及反射镜实现光束二维的扫描；
（2）从扫描阵镜出射的激光束入射到显微物镜后被聚焦，然后穿过聚焦超声探测器到达头发丝的表面；
（3）扫描阵镜控制聚焦光斑在头发丝的表面进行一维或二维扫描，采集光声信号；
（4）通过一维移动平台控制显微物镜与聚焦超声探测器之间的距离，调整激发光焦点的扫描位置的深度（通过一维移动平台带动显微物镜移动，从而上下微调光焦点位置，光焦点每次微调范围为2～500微米；每次变焦扫描成像的焦点位置由采集程序控制，扫描5～10层），重复步骤（3）；
（5）采用matlab编程的算法、通过每次焦点移动前后的所有数据相加作平均值投影重建出多个焦点扫描的光声图像；
在介质里不同深度的头发丝的光声显微成像图见图3；从图3可以看出，单一焦点的光声成像只能清晰重建出焦点所在深度的图像，偏离焦点深度的图像不能被分辨清楚；而采用变焦扫描及组合叠加重建的图像(f)就能把上下两个深度的头发丝清晰成像。
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 (10)
1.一种变焦扫描的光声显微成像装置，其特征在于包括扫描阵镜、变焦系统、显微样品台、固定支架和控制采集及图形重建软硬件；扫描阵镜设置于固定支架的顶部，变焦系统设置于固定支架的中部，显微样品台设置于固定支架的底部；固定支架和控制采集及图形重建软硬件连接；
所述的扫描阵镜内设置有依次连接的扫描电机和反射镜；
所述的变焦系统包括显微物镜、聚焦超声探测器、一维移动平台、步进电机、固定架A和固定架B；显微物镜设置于固定架A上，显微物镜通过步进电机调整水平位置；固定架A设置于一维移动平台的中上部；聚焦超声探测器设置于固定架B上，固定架B设置于一维移动平台的底部；步进电机设置于一维移动平台的顶端，一维移动平台设置于固定支架的中部；
所述的固定支架设置有信号线连接口、控制线连接口；控制采集及图形重建软硬件通过控制线连接口与固定支架连接，聚焦超声探测器通过信号线连接口与控制采集及图形重建软硬件连接；
所述一维移动平台带动显微物镜移动，控制显微物镜与聚焦超声探测器之间的距离。
2.根据权利要求1所述的变焦扫描的光声显微成像装置，其特征在于：所述的显微物镜与聚焦超声探测器同轴；显微物镜能够通过一维移动平台上下移动。
3.根据权利要求1所述的变焦扫描的光声显微成像装置，其特征在于：所述的聚焦超声探测器为碗状中空型聚焦超声探测器。
4.根据权利要求3所述的变焦扫描的光声显微成像装置，其特征在于：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。
5.根据权利要求4所述的变焦扫描的光声显微成像装置，其特征在于：所述的碗状中空型聚焦超声探测器的主频为15MHz；焦长为20～30mm。
6.根据权利要求1所述的变焦扫描的光声显微成像装置，其特征在于：所述的扫描阵镜内设置2个扫描电机及反射镜。
7.根据权利要求1所述的变焦扫描的光声显微成像装置，其特征在于：所述的显微样品台采用螺丝设置于固定支架的底部；所述的扫描阵镜为二维快速扫描阵镜；所述的控制采集及图形重建软硬件设置有放大器和采集卡。
8.根据权利要求7所述的变焦扫描的光声显微成像装置，其特征在于：所述的放大器为多级级联放大器；所述的放大器的放大倍数为70dB，带宽为50KHz～500MHz；所述的采集卡的实时采样率为100MHz。
9.运用权利要求1～8任一项所述的变焦扫描的光声显微成像装置的成像方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将样品置于显微样品台上，启动变焦扫描的光声显微成像装置，短脉冲激光入射扫描阵镜内，经扫描电机及反射镜实现光束点扫描；
(2)从扫描阵镜出射的激光束入射到显微物镜后被聚焦，然后穿过聚焦超声探测器到达样品的表面；
(3)扫描阵镜控制聚焦光斑在样品的表面进行一维或二维点扫描，采集光声信号；
(4)通过一维移动平台控制显微物镜与聚焦超声探测器之间的距离，调整激发光焦点的扫描位置的深度，重复步骤(3)；每次变焦扫描成像的焦点位置由采集程序控制，扫描5～10层；
(5)重建多个不同深度的焦点扫描的光声信号图像。
10.根据权利要求9所述的变焦扫描的光声显微成像装置的成像方法，其特征在于：步骤(4)中所述的调整激发光焦点的扫描位置的深度采用以下方法进行：通过一维移动平台带动显微物镜移动，从而上下微调光焦点位置，光焦点每次微调范围为2～500微米。
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