CN104188625A - 一种多模态显微成像系统 - Google Patents

Abstract

一种利用光学手段检测的多模态显微成像系统，激光光源产生的激光由光束准直扩束机构入射到滤光器滤光后，经过分光镜，一部分入射到参考臂产生弱相干信号，另一部分依次经过准直耦合机构和光束输导聚焦机构形成聚焦光束，该聚焦光束经过超声换能器入射到设置于检测窗口的电动扫描装置，由电动扫描装置对待检测生物组织进行圆周扫描，聚焦光束于待检测生物组织上诱发该生物组织产生后向散射光子和光声信号。本发明对生物组织内部的结构和功能进行成像，为精确监控组织内部结构和功能变化的状态提供快速多模态下的二维和三维图像。

Description

一种多模态显微成像系统

技术领域

本发明涉及的是一种利用光学手段检测的系统，具体是一种多模态显微成像系统。

背景技术

超声内窥成像技术(Ultrasonic endoscopic imaging，USE)是临床生物医学领域应用最普遍的成像技术，其主要基于探测生物组织的力学特性，以及来源于生物组织在机械属性上的差异，对组织进行深层界面成像。光学相干层析成像(OCT)其主要是利用组织散射光子的弱相干干涉信号，检测生物组织内部不同深度组织对入射光子的背向反射或散射强度的变化，从而获得在一定深度范围内的生物组织显微结构信息，进而通过横向扫描获得生物组织的二维或三维结构成像。光声显微成像技术(光声显微成像)是最基于生物组织对脉冲激光吸收，诱发组织因吸收光而产生热弹性膨胀诱发超声波信号，通过周围超声换能器采集超声波信号，获取的超声波信号携带生物组织对光吸收分布的情况，从而获取出组织的结构和功能成像。

然而，当光照射到生物组织上，生物本身的组织特性表现出强的光散射特性，这使得在单独使用光学成像方法时，成像深度受到了限制。US内窥成像技术能够根据探测组织的机械特性而成像，不会受到组织本身光强散射的影响，并能够对深层进行成像。然而，对于软组织成像，其基于机械波动的影像对比度从根本上限制了此成像模式提供生理学上特异性功能信息的能力。同时，超声依赖于组织的声阻抗变化，US内窥成像只能做到组织组份的后向散射和反射回波成像。相反，OCT内窥成像技术，利用组织散射光子的弱相干干涉信号，检测生物组织内部不同深度组织对入射光子的背向反射或散射强度的变化，从而可以弥补US在结构和成像对比度上的不足，提高了成像对比和分辨率。但是其无法提供血氧饱和度和血氧蛋白含量等重要的微循环功能性信息，光声显微成像它基于激光均匀照射生物组织表面，生物组织吸收光能转化为热能，导致组织内部局部升温而发生热弹性膨胀，产生超声信号，在利用算法进行图像重建，通过组织对光能的吸收分布来反应组织内部结构和功能信息。光声内窥镜成像能够对目标组织的相关深度和软组织成像，其不仅能够克服超声内窥的限制，而且还不以牺牲超声内窥的功能，有效的结合了光学成像和超声成像的优点，对生物组织进行光学高对比度和高分辨率图像。而且，还能够弥补OCT不能提供的组织微血管和血红蛋白等微循环重要的功能性信息。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103048294，公开日2013.04.17，公开了一种融合光声成像和光学相干层析成像的便携式多模式成像方法及其系统，该系统由激光二极管、驱动电源、信号发生器、锁相放大器、光电探测器、光纤耦合器、发光二极管、信号处理器、三维平移台、光纤、透镜组、反射镜、分色镜、光路外壳和样品台构成，可实现单独的光学相干层析成像或组合光声成像和光学相干层析成像的多模式成像。但该技术的光学系统采用的是双光源系统，在调整光路时，很难保证通过光学器件的调整做到两束光通过分色镜时做到完全同轴，同时增加系统的成本和系统的复杂性；且其扫描的方式为机械移动方式，扫描速度受到庞大的机械装置限制，测量的精度也有限；同时由于机械带动样品移动，需样品具有非常好的稳定性，扫描区域匹配准确度有限；并且其主要是三个单独的成像系统的组合，无法做到内窥式多模态显微成像。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种多模态显微成像系统，对生物组织内部的结构和功能进行成像，为精确监控组织内部结构和功能变化的状态提供快速多模态下的二维和三维图像。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：激光光源、光束准直扩束机构、激光频带范围可调的滤光器、分光镜、参考臂、准直耦合机构、光束输导聚焦机构、超声换能器、电动扫描装置、光电探测器和控制计算机，其中：激光光源产生的激光由光束准直扩束机构入射到滤光器滤光后，经过分光镜，一部分入射到参考臂产生弱相干信号，另一部分依次经过准直耦合机构和光束输导聚焦机构形成聚焦光束，该聚焦光束经过超声换能器入射到设置于检测窗口的电动扫描装置，由电动扫描装置对待检测生物组织进行圆周扫描，聚焦光束于待检测生物组织上诱发该生物组织产生后向散射光子和光声信号，其中，后向散射光子结合参考臂产生的弱相干信号一同返回至光电探测器并输入控制电脑进行生物组织结构成像；光声信号由超声换能器转化为电信号后输入控制电脑以重建生物组织对光吸收分布的光声显微图像。

基于生物组织产生的机械波的差异，经生物组织反射后超声波的变化和组织形状特性有关，所述的超声换能器发出超声波电动扫描装置对待检测生物组织进行扫描，反射回携带生物组织内部信息的超声波，再由超声换能器获取并传输到控制计算机以反映生物组织二维切面断层图像。

所述的光束准直扩束机构包括：顺序设置的调整激光光斑大小的可变光阑和第一透镜组，以及设置于第一透镜组中间的针孔光阑。

所述的参考臂包括：依次设置的聚焦物镜、经色散块、可调光阑狭缝和反射镜。

所述的准直耦合机构包括：顺次设置的第二透镜组和准直耦合器。

所述的光束输导聚焦机构包括：顺次设置的单模光纤和聚焦透镜。

所述的聚焦透镜为梯度折射率分布逐渐减小特性，使光束能够沿内窥探头的中心轴向传输的光产生连续折射，从而使入射光束平滑且连续的汇聚，聚焦到一点。

所述的超声换能器为中空结构的探头，中心频率10-100MHz，直径0.1-2mm，该超声换能器由放大器与控制计算机相连。

所述的电动扫描装置包括：圆周扇形结构的扫描镜及其驱动电机，其中，扫面镜与控制计算机相连，扫描镜由驱动电机驱动进行线性等角度扫描。

所述的光束输导聚焦机构、超声换能器和电动扫描装置依次设置于外套中。

技术效果

与现有技术相比，本发明具有显微结构和代谢功能的多模态融合成像功能，能够为临床消化道系统和血管内窥成像提供实时高分辨率和高对比度的丰富的组织图像信息，本发明即使使用一个激光光源就能够实现，系统结构简化，稳定性增加。

附图说明

图1为发明的结构示意图；

图2为准直耦合机构、光束输导聚焦机构、超声换能器及电动扫描装置结构示意图；

图3为单模光纤、聚焦透镜、超声换能器及电动扫描装置结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1、图2和图3所示，本实施例包括：激光光源1，可变光阑2，第一透镜组3、5，针孔光阑4，滤光器6，分光镜7，参考臂12，第二透镜组13、14，准直耦合器15、单模光纤16、聚焦透镜17、不锈钢套18，扫描镜19、驱动电机20、扫描窗口21、超声换能器22、电机线缆23、连接线24、放大器25、控制电脑26、光电探测器27。

所述参考臂12包括聚焦透镜8，色散补偿块9，可调谐光阑10和反射镜11。

所述的聚焦透镜17为梯度折射率分布逐渐减小特性，使光束能够沿内窥探头的中心轴向传输的光产生连续折射，从而使入射光束平滑且连续的汇聚，聚焦到一点。其具圆柱状小巧的外形特征，直径0.2-1.8mm，长度4-6mm，焦距1.8-8mm，节距0.23-0.29，透过率>90％,380-2000nm。

本实施例包括：光学相干层析成像子系统和光声显微成像子系统，结合内窥式探头实现双模态内窥成像，其主要实现步骤如下：

第一步：激光光源1产生激光经可变光阑2调整光斑大小后，经第一透镜组3、5以及针孔光阑4，光束被准直扩束后入射到光学滤光器6滤光，然后经过分光镜7，一部分激光通过聚焦物镜8、经色散块9后经可调光阑狭缝10到反射镜11这部分作为光学相干层析成像的参考臂12，另外一部分经第二透镜组13、14、准直耦合进单模光纤16进入，光束由单模光纤输出到聚焦透镜17把光束聚焦穿过中空内窥式超声换能器22到扫描镜19，扫描镜19控制线23连接的驱动电机20控制，并于扫描窗口21进行圆周扫描，由聚焦光斑在生物组织上诱发组织产生的后向散射光子结合参考臂产生弱相干信号返回给光电探测器27输入控制电脑26进行后期重建二维和三维组织结构成像。

第二步：激光光源1产生激光经可变光阑2调整光斑大小后，经第一透镜组3、5以及针孔光阑4，光束被准直扩束后入射到光学滤光器6滤光，然后经过分光镜7，一部分激光通过聚焦物镜8经色散块9后经可调光阑狭缝10到反射镜11这部分作为光学相干层析成像的参考臂12，另外一部分经第二透镜组13、14准直耦合进单模光纤16进入光束由单模光纤输出到聚焦透镜17使平行光束聚焦，并穿过中空超声换能器22到扫描镜19，扫描镜19控制线23连接的驱动电机20控制进行圆周扫描，由激光在生物组织上诱发组织产生的光声信号由再由中空内窥式超声换能器22转化为电信号，再通过探头电缆24把信号输入放大器25对信号进行放大，进入数据采集电脑26重建出生物组织对光吸收的分布的光声显微图像。

第三步：调试好两种模态下的光路和声路，以及扫描镜位置和系统参数后，平行光束在探头内被聚焦和并使聚焦光斑反射到被探测区域，再由扇形扫描镜旋转对周围区域进行扫描，并通过调谐激光的波长，获取两种模态下组织结构和代谢活动的功能多维双模态成像。

实施例2

如图1、图2和图3所示，本实施例包括：光学相干层析成像子系统、光声显微成像子系统和超声成像子系统三部分结合内窥式探头构成的多模态内窥式成像系统，其主要实现步骤如下：

第一步：激光光源1产生激光经可变光阑2调整光斑大小后，经第一透镜组3、5以及针孔光阑4，光束被准直扩束后入射到光学滤光器6滤光，然后经过分光镜7，一部分激光通过聚焦物镜8、经色散块9后经可调光阑狭缝10到反射镜11这部分作为光学相干层析成像的参考臂12，另外一部分经第二透镜组13、14、准直耦合进单模光纤16进入，光束由单模光纤输出到聚焦透镜17把光束聚焦穿过中空内窥式超声换能器22到扫描镜19，扫描镜19由控制线23连接的驱动电机20控制，并于扫描窗口21进行圆周扫描，由聚焦光斑在生物组织上诱发组织产生的后向散射光子结合参考臂产生弱相干信号返回给光电探测器27输入控制电脑26进行后期重建二维和三维组织结构成像。

第二步：激光光源1产生激光经可变光阑2调整光斑大小后，经第一透镜组3、5以及针孔光阑4，光束被准直扩束后入射到光学滤光器6滤光，然后经过分光镜7，一部分激光通过聚焦物镜8经色散块9后经可调光阑狭缝10到反射镜11这部分作为光学相干层析成像的参考臂12，另外一部分经第二透镜组13、14准直耦合进单模光纤16进入光束由单模光纤输出到聚焦透镜17使平行光束聚焦，并穿过中空超声换能器22到扫描镜19，扫描镜19由控制线23连接的驱动电机20控制进行圆周扫描，由激光在生物组织上诱发组织产生的光声信号由再由超声换能器22转化为电信号，再通过探头电缆24把信号输入放大器25对信号进行放大，进入数据采集电脑26重建出生物组织对光吸收的分布的光声显微图像。

第三步：光束经带有金属护套的单模光纤16中传输，光束通过聚焦透镜17聚焦，使得光学相干层析成像光束和光声显微成像光束融合在同轴线上，并通过超声换能器22，光束再通过圆周扇形扫描镜19，光束在水平和垂直方向正交形式，光束经扫描镜19后垂直反射到扫描窗口21被待测区域，扫描镜19由控制线23连接的驱动电机20控制进行线性等角度扫描，由组织产生的反射光信号通过原光路返回和参考臂形成相干光信号被光电探测器探测27再存储于计算机，光声信号则再次通过超声换能器22探测并由电缆24输出经放大器25并存储于计算机26。

所述的单模光纤16、聚焦透镜17、超声换能器22、扫描镜19及其驱动电机20依次设置于不锈钢外套18中。

第四步：经融合后多模态内窥式成像系统，光路和声路以及激光参数优化到最佳的状态，以及内窥探头的位置，获取第一，二，三步的子系统光信号和光声和超声信号数据，通过数据处理软件，进行图像重建，迭加融合三种模态的图像数据，从而获得组织内部结构和功能的多模态图像。

所述激光光源1其特性可为宽谱脉冲激光器，波长500-1700nm，脉宽小于100ns，特别是小于10ns，或同等条件下的可调谐激光器。

所述的超声换能器22为探头，中心频率10-100MHz，直径0.1-2mm，要求超声和光束共轴。

Claims (7)

1.一种多模态显微成像系统，其特征在于，包括：激光光源、光束准直扩束机构、激光频带范围可调的滤光器、分光镜、参考臂、准直耦合机构、光束输导聚焦机构、超声换能器、电动扫描装置、光电探测器和控制计算机，其中：光束准直扩束机构包括：顺序设置的调整激光光斑大小的可变光阑和第一透镜组，以及设置于第一透镜组中间的针孔光阑；激光光源产生的激光由光束准直扩束机构入射到滤光器滤光后，经过分光镜，一部分入射到参考臂产生弱相干信号，另一部分依次经过准直耦合机构和光束输导聚焦机构形成聚焦光束，该聚焦光束经过超声换能器入射到设置于检测窗口的电动扫描装置，由电动扫描装置对待检测生物组织进行圆周扫描，聚焦光束于待检测生物组织上诱发该生物组织产生后向散射光子和光声信号，其中，后向散射光子结合参考臂产生的弱相干信号一同返回至光电探测器并输入控制电脑进行生物组织结构成像；光声信号由超声换能器转化为电信号后输入控制电脑以重建生物组织对光吸收分布的光声显微图像。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的超声换能器发出超声波电动扫描装置对待检测生物组织进行扫描，反射回携带生物组织内部信息的超声波，再由超声换能器获取并传输到控制计算机以反映生物组织二维切面断层图像。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的参考臂包括：依次设置的聚焦物镜、经色散块、可调光阑狭缝和反射镜。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的准直耦合机构包括：顺次设置的第二透镜组和准直耦合器。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的光束输导聚焦机构包括：顺次设置的单模光纤和聚焦透镜。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的超声换能器为中空结构的探头，中心频率10-100MHz，直径0.1-2mm，该超声换能器由放大器与控制计算机相连。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的电动扫描装置包括：圆周扇形结构的扫描镜及其驱动电机，其中，扫面镜与控制计算机相连，扫描镜由驱动电机驱动进行线性等角度扫描。