CN103637808A - 光声成像装置 - Google Patents

Abstract

一种光声成像装置，用于测量血氧饱和度，所述光声成像装置包括激光器、光波导、第一分光元件、第二分光元件、第一开关、第二开关、透射反射镜、光电二极管、物镜、水棱镜、水槽、超声换能器、放大器、数据采集模块、控制模块及计算模块，所述激光器发出一种波长的纳秒脉冲激光并耦合进所述光波导，所述光波导具有非线性光学效应，所述脉冲光经过所述光波导后具有两种波长，所述第一分光元件将两种波长的激光分离成两束单波长的激光，利用所述第一开关及所述第二开关，使得所述光声成像装置在任意时刻只有一束激光能到达样品，从而分别得到两种不同波长的激光激发的信号。本发明提供的光声成像装置，制造成本较低，操作方便且可靠。

Description

光声成像装置

技术领域

本发明涉及光声成像领域，尤其涉及一种光声成像装置。

背景技术

光声成像是近年来发展起来的一种无损医学成像方法，它结合了纯光学成像的高对比度特性和纯超声成像的高穿透深度特性，可以提供高分辨率和高对比度的组织成像，更重要的是其能够实现生物的生理功能成像。例如可以利用光声成像技术测量活体生物的血氧饱和度等生理参数。

利用光声成像技术测量活体生物血氧饱和度的基本原理是含氧血红蛋白和去氧血红蛋白对不同波长的光吸收系数不同。因而要测量活体生物的血氧饱和度，至少需要两种波长的脉冲激光来进行光声成像。现有的测量血氧饱和度的光声成像装置通过选用一台可调谐纳秒脉冲激光器，使其交替发出两种不同波长的脉冲激光对生物组织的同一位置进行光声成像。然而这种光声成像装置不仅价格昂贵，而且可调谐纳秒脉冲激光器的交替控制实现起来比较困难。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种光声成像装置，用于测量血氧饱和度，该光声成像装置制造成本低廉，且很方便实现波长的交替控制，具有较高的实用性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光声成像装置，用于测量血氧饱和度，所述光学成像装置包括激光器、光波导、第一分光元件、第二分光元件、第一开关、第二开关、透射反射镜、光电二极管、物镜、水棱镜、水槽、超声换能器、放大器、数据采集模块、控制模块及计算模块，所述激光器发出一种波长的脉冲光耦合进所述光波导中，所述光波导具有非线性光学效应，所述脉冲光经过所述光波导后具有两种波长，其中波长较长的脉冲光透过所述第一分光元件，当第一开关开通时，通过所述第一开关，并透过所述第二分光元件，波长较短的脉冲光经第一分光元件反射，当第二开关开启时，通过第二开关后被所述第二分光元件反射，所述第二分光元件透射的波长较长的脉冲光和反射的波长较短的脉冲光均可入射到所述透射反射镜，所述第一开关和第二开关在任意时刻有且只有一个开通，从而仅有一种波长的脉冲光入射至所述透射反射镜，被所述透射反射镜透射的部分脉冲光入射至光电二极管以产生光功率信号，被所述透射反射镜反射的部分脉冲光经过物镜、水棱镜、水槽到达样品，并激发出超声信号，所述超声信号通过所述水棱镜反射，被所述超声换能器接收并转化为电信号，所述电信号传送至放大器并被放大器放大，所述数据采集卡与所述光电二极管、放大器及计算模块均信号连通，所述数据采集卡将所述光功率信号及所述放大器放大后的电信号采集到计算模块，所述计算模块根据所述电信号计算样品的血氧饱和度。

其中，所述光声成像装置还包括耦合器，所述耦合器设置于所述激光器和光波导之间，其将激光器发出的脉冲光耦合到所述光波导中。

其中，所述光声成像装置还包括第一透镜，所述第一透镜设置于所述光波导与所述第一分光元件之间，所述第一透镜用于将所述光波导出射的脉冲光准直后入射至所述第一分光元件。

其中，所述光声成像装置还包括第一反射元件和第二反射元件，所述第一反射元件用于将所述第一分光元件反射的波长较短的脉冲光反射至所述第二开关，所述第二反射元件用于将从所述第二开关通过的脉冲光反射至所述第二分光元件。

其中，所述光声成像装置还包括载物台，所述载物台为三维位移台，所述光波导的一端、所述第一透镜、所述第一分光元件、所述第一反射元件、所述第一开关、所述第二开关、所述第二反射元件、所述第二分光元件、所述透射反射镜、所述光电二极管、所述物镜、所述第二透镜、所述水棱镜、所述第三透镜及所述超声换能器均固定于所述载物台。

其中，所述光波导为单模光纤。

其中，所述第一分光元件及所述第二分光元件均为二向色镜。

其中，所述第一开关及所述第二开关均为电控快门，所述电控快门包括开通和截止两种工作模式，当所述电控快门的工作模式为开通时，光束可以正常通过，当所述电控快门的工作模式为截止时，光束无法通过。

其中，所述控制模块同时控制所述载物台的三维移动，所述第一开关和所述第二开关的开通与截止及所述激光器的同步输出。

其中，所述光声成像装置还包括第二透镜，所述第二透镜设置于所述物镜与所述水棱镜之间，所述第二透镜为修正透镜。

本发明提供的光声成像装置中，由于所述光波导具有非线性光学效应，因而所述激光器发出一种波长的脉冲激光经过所述光波导后将具有两种波长。所述第一分光元件将含有两种波长的激光束在空间上分离成两束含一种波长的激光，两束激光分别到达所述第一开关及所述第二开关，利用所述第一开关及所述第二开关控制所述激光的开通与截止。在实验过程中，通过所述控制模块的控制，使得所述第一开关及所述第二开关在任意时刻只有一个处于开通状态，所以任意时刻只有一束激光能到达样品，从而分别得到两种波长的激光激发的光声信号。利用两种波长的激光分别激发的光声信号，就可以通过所述计算模块计算得到样品的血氧饱和度。本发明提供的光声成像装置，制造成本较低，操作容易且可靠，具有很高的实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的光声成像装置的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例公开了一种测量血氧饱和度的光声成像装置100，其包括激光器1、耦合器2、光波导3、第一透镜4、第一分光元件5、第一反射元件6、第一开关7、第二开关8、第二反射元件9、第二分光元件10、透射反射镜11、光电二极管12、物镜13、第二透镜14、水棱镜15、水槽16、第三透镜17、超声换能器18、放大器18、数据采集模块20、计算模块21、控制模块22及载物台23。其中所述光波导3的一端，第一透镜4、第一分光元件5、第一反射元件6、第一开关7、第二开关8、第二反射元件9、第二分光元件10、透射反射镜11、光电二极管12、物镜13、第二透镜14、水棱镜15、第三透镜17及超声换能器18都固定于所述载物台23上。

在本实施例中，所述激光器1为单波长纳秒脉冲激光器，其发射出波长为λ₁的脉冲光束①，该脉冲光束①经耦合器2后进入光波导3，所述耦合器2为光纤耦合器，所述光波导3为特种单模光纤，所述光波导3具有非线性光学效应，所述脉冲光束①经过所述光波导3后将变成具有两种波长的脉冲光束②，其中一个波长与所述脉冲光束①的波长相等，均为λ₁，另一个波长为λ₂，且有λ₂＞λ₁。所述脉冲光束②经所述第一透镜4后将变成准直的平行光束，随后该平行光束入射到所述第一分光元件6上，所述第一分光元件6为二向色镜，其可以透射波长较长的光并反射波长较短的光，因此所述脉冲光束②将被所述第一分光元件6分离成两束包含不同波长的光束，其中波长为λ₂的激光束透过所述第一分光元件6后变成所述脉冲光束③到达所述第一开关7，波长为λ₁的光经所述第一分光元件6反射后变成所述脉冲光束④并经所述第一反射元件6反射到达所述第二开关8。

在本实施例中，所述第一开关7及第二开关8均为电控快门，所述电控快门包括开通和截止两种工作模式，当所述第一开关7及第二开关8的工作模式为开通时，光束可以正常通过，当所述第一开关7及第二开关8的工作模式为截止时，光束被截止不能通过。在实验测量过程中的任意一个时刻，所述第一开关7及第二开关8有且只有一个处于开通的工作模式。

当所述第一开关7处于开通的工作模式时，所述第二开关8处于截止的工作模式，此时所述脉冲光束③将透过所述第一开关7，而所述脉冲光束④无法通过所述第二开关8。所述脉冲光束③依次透过所述第一开关7及所述第二分光元件10后到达所述透射反射镜11，所述透射反射镜11同时透射和反射所述脉冲光束③，被所述透射反射镜11透射的部分脉冲光入射至光电二极管12，所述光电二极管12与所述数据采集模块20及所述计算模块21信号连通，所述光电二极管12将光功率信号传输到所述数据采集模块20，所述数据采集模块20将收集的光功率信号传输到所述计算模块21，所述计算模块21通过分析该光功率信号的变化实时监测所述激光器发出的光功率的大小。被所述透射反射镜11反射的部分脉冲光依次经过所述物镜13、所述第二透镜14、所述水棱镜15、所述水槽16及所述第三透镜17后到达样品。其中所述第二透镜14为修正透镜，其修正所述第三透镜17引起的像差。所述水棱镜15呈长方体，其表面为玻璃，内部注满水，所述水棱镜的对角面上装有光学元件，所述脉冲光束③经所述第二透镜透过所述水棱镜15时，将不改变传播方向直接透过。

在本实施例中，所述样品为活体生物的血红蛋白，该血红蛋白包括有含氧血红蛋白和去氧血红蛋白，所述含氧血红蛋白和所述去氧血红蛋白分别对不同波长的激光具有不同的摩尔吸收系数且所述含氧血红蛋白和所述去氧血红蛋白二者对相同波长的激光的摩尔吸收系数也不相同。所述脉冲光束③入射到所述样品上并被所述样品中的血红蛋白吸收，所述血红蛋白吸收激光后受热膨胀并随即辐射出超声信号，该超声信号经所述水槽16耦合后到达所述第三透镜17，所述第三透镜17为声透镜，其准直超声信号，准直后的超声信号被所述水棱镜15反射并被所述超声换能器18接收，所述超声换能器18与所述放大器19、所述数据采集模块20、所述计算模块21均信号连通，所述超声换能器18将接收到的超声信号转换为电信号，并将该电信号传送至所述放大器19放大，放大后的电信号被所述数据采集模块20采集并传输入所述计算模块21进行计算分析并得到第一个光声信号强度I(λ₁)。

当所述第一开关8处于开通的工作模式，所述第一开关7处于截止的工作模式，此时所述脉冲光束④将透过所述第二开关8，而脉冲光束③无法通过第一开关7。所述脉冲光束④依次经所述第一反射元件6反射，所述第二开关8，所述第二反射元件9反射后到达所述第二分光元件10，并经所述第二分光元件10再次反射后到达所述透射反射镜11，其中所述第一反射元件及所述第二反射元件均为反射镜。此后所述脉冲光束④的光路情况与上述的脉冲光束③的光路情况完全相同，在此不在赘述，所不同的是入射到样品的脉冲光束的波长由λ₁变成λ₂，并得到的第二个光声信号强度I(λ₂)。

在本实施例中，利用上述获得的光声信号强度I(λ₁)、I(λ₂)可以测量活体生物的血氧饱和度，具体为：所述含氧血红蛋白和所述去氧血红蛋白分别对不同波长的激光具有不同的摩尔吸收系数且所述含氧血红蛋白和所述去氧血红蛋白对相同波长的激光的摩尔吸收系数也不相同，两种不同波长λ₁、λ₂的激光在血液中的光吸收系数μ_a(λ₁)、μ_a(λ₂)分别可以表示为：

μ_a(λ₁)＝ln(10)ε_ox(λ₁)C_ox+ln(10)ε_de(λ₁)C_de   (1)

μ_a(λ₂)＝ln(10)ε_ox(λ₂)C_ox+ln(10)ε_de(λ₂)C_de   (2)

其中，ε_ox(λ₁)、ε_de(λ₁)分别表示含氧血红蛋白和去氧血红蛋白对λ₁波长激光的摩尔吸收系数，ε_ox(λ₂)、ε_de(λ₂)分别表示含氧血红蛋白和去氧血红蛋白对λ₂波长激光的摩尔吸收系数，这四个参数都是已知的；C_ox、C_de分别表示含氧血红蛋白和去氧血红蛋白的摩尔浓度。由于测得的光声信号强度I(λ₁)、I(λ₂)与激光在血液中的吸收系数μ_a(λ₁)、μ_a(λ₂)正相关，因此可以直接利用测得的光声信号强度I(λ₁)、I(λ₂)来表示波长λ₁、λ₂的激光在血液中的光吸收系数μ_a(λ₁)、μ_a(λ₂)。通过表达式(1)和(2)，就可以计算得到活体生物组织的血氧饱和度：

${\mathrm{SO}}_2=\frac{C_{\mathrm{ox}}}{C_{\mathrm{ox}}+C_{\mathrm{de}}}\×100\%---\left(3\right)$

在本实施例中，所述控制模块22控制所述第一开关7及所述第二开关8的开通与截止，使得所述第一开关7及所述第二开关8在任意时刻均只有一个处于开通状态。同时，所述控制模块22还控制所述载物台23的移动及所述激光器1的同步输出，所述载物台23为三维位移台，其经所述控制模块22控制在三维方向上移动，从而实现对样品的扫描。

综上所述，本发明实施例提供了一种光声成像装置，可用于测量活体生物的血氧饱和度，本发明采用由单模光纤制成的光波导3，由于所述光波导3具有非线性光学效应，因而所述激光器1发出一种波长的脉冲光通过所述光波导中将具有两种波长。所述第一分光元件5将含有两种波长的激光在空间上分离成两束只含一种波长的激光，两束激光分别到达所述第一开关7及所述第二开关8，利用所述第一开关7及所述第二开关8控制两束激光的开通与截止。在实验过程中，通过所述控制模块22的控制，使得所述第一开关7及所述第二开关8在任意时刻均只有一个处于开通状态，所以任意时刻也只有一束激光能到达样品，交替控制所述第一开关7及所述第二开关8的开通与截止，则分别得到两种波长的激光激发得到的光声信号。利用两种波长的激光分别激发的光声信号，通过所述计算模块21计算分析该光声信号，获得样品的血氧饱和度，从而达到测量样品血氧饱和度的目的。相比现有的用于测量血氧饱和度的光声成像装置，本发明实施例提供的光声成像装置只需要采用一台通用的单波长纳秒脉冲激光器而不需要使用昂贵的可调谐纳秒脉冲激光器，因而生产及制造成本较低，同时利用所述分光元件5将两种波长的激光分离，再采用所述第一开关7及所述第二开关8实现两种波长激光的开通与截止，其操作比可调谐纳秒脉冲激光器的光束交替控制更容易实现且可靠。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光声成像装置，用于测量血氧饱和度，其特征在于，所述光声成像装置包括激光器、光波导、第一分光元件、第二分光元件、第一开关、第二开关、透射反射镜、光电二极管、物镜、水棱镜、水槽、超声换能器、放大器、数据采集模块、控制模块及计算模块，所述激光器发出一种波长的脉冲光耦合进所述光波导中，所述光波导具有非线性光学效应，所述脉冲光经过所述光波导后具有两种波长，其中波长较长的脉冲光透过所述第一分光元件，当第一开关开通时，通过所述第一开关，并透过所述第二分光元件，波长较短的脉冲光经第一分光元件反射，当第二开关开通时，通过所述第二开关后被所述第二分光元件反射，所述第二分光元件透射的波长较长的脉冲光和反射的波长较短的脉冲光均可入射到所述透射反射镜，所述第一开关和第二开关在任意时刻有且只有一个开通，从而仅有一种波长的脉冲光入射至所述透射反射镜，被所述透射反射镜透射的部分脉冲光入射至光电二极管以产生光功率信号，被所述透射反射镜反射的部分脉冲光经过物镜、水棱镜、水槽到达样品，并激发出超声信号，所述超声信号通过所述水棱镜反射，被所述超声换能器接收并转化为电信号，所述电信号传送至放大器并被放大器放大，所述数据采集卡与所述光电二极管、放大器及计算模块均信号连通，所述数据采集卡将所述光功率信号及所述放大器放大后的电信号采集到计算模块，所述计算模块根据所述电信号计算样品的血氧饱和度。

2.根据权利要求1所述的光声成像装置，其特征在于，所述光声成像装置还包括耦合器，所述耦合器设置于所述激光器和所述光波导之间，其将所述激光器发出的脉冲光耦合到所述光波导中。

3.根据权利要求1所述的光声成像装置，其特征在于，所述光声成像装置还包括第一透镜，所述第一透镜设置于所述光波导与所述第一分光元件之间，所述第一透镜用于将所述光波导出射的脉冲光准直后入射至所述第一分光元件。

4.根据权利要求1所述的光声成像装置，其特征在于，所述光声成像装置还包括第一反射元件和第二反射元件，所述第一反射元件用于将所述第一分光元件反射的波长较短的脉冲光反射至所述第二开关，所述第二反射元件用于将从所述第二开关通过的脉冲光反射至所述第二分光元件。

5.根据权利要求1所述的光声成像装置，其特征在于，所述光声成像装置还包括载物台，所述载物台为三维位移台，所述光波导的一端、所述第一透镜、所述第一分光元件、所述第一反射元件、所述第一开关、所述第二开关、所述第二反射元件、所述第二分光元件、所述透射反射镜、所述光电二极管、所述物镜、所述第二透镜、所述水棱镜、所述第三透镜及所述超声换能器均固定于所述载物台上。

6.根据权利要求1所述的光声成像装置，其特征在于，所述光波导为单模光纤。

7.根据权利要求1所述的光声成像装置，其特征在于，所述第一分光元件及所述第二分光元件均为二向色镜。

8.根据权利要求1所述的光声成像装置，其特征在于，所述第一开关及所述第二开关均为电控快门，所述电控快门包括开通和截止两种工作模式，当所述电控快门的工作模式为开通时，光束可以正常通过，当所述电控快门的工作模式为截止时，光束无法通过。

9.根据权利要求1所述的光声成像装置，其特征在于，所述控制模块同时控制所述载物台的三维移动，所述第一开关和所述第二开关的开通与截止及所述激光器的同步输出。

10.根据权利要求1所述的光声成像装置，其特征在于，所述光声成像装置还包括第二透镜，所述第二透镜设置于所述物镜与水棱镜之间，所述第二透镜为修正透镜。