CN104614349B - 反射式分光瞳共焦‑光声显微成像装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种反射式分光瞳共焦‑光声显微成像装置与方法，其基于具有大工作距、高轴向分辨力和抗杂散光干扰的分光瞳共焦显微成像系统，将反射式分光瞳共焦显微成像系统与光声成像系统的结构与功能有机融合，利用反射式分光瞳共焦显微成像系统探测生物样品的空间结构信息，利用光声显微成像系统探测生物样品的功能信息，继而实现生物样品空间结构信息和功能信息的同时探测，以期对生物活体进行原位、无创的实时成像。分光瞳共焦成像技术的采用使分光瞳共焦光声显微成像装置的轴向分辨力和工作距得以有效兼顾，可抑制高散射样品焦面杂散光对成像质量的干扰，系统信噪比高，便于分光瞳共焦‑光声显微成像装置的集成化和手持式设计。

Description

反射式分光瞳共焦-光声显微成像装置与方法

技术领域

本发明涉及一种反射式分光瞳共焦-光声显微成像装置与方法，属于共焦显微成像技术和光声显微成像技术领域。

技术背景

共焦显微成像技术由于具有光学领域独特的层析成像能力和高空间分辨能力，而被作为重要的技术手段在生物医学研究、物理化学研究、材料测试、微纳测试等领域得到广泛的应用。但是，现有共焦显微成像技术主要采用物体的散射光或荧光来进行成像，它获得的仅是被观察物体的结构图像，无法获得细胞或生物大分子的功能图像，同时共焦显微成像的层析深度仅达亚毫米量级。

光声成像是基于光声信号以样品的光学吸收特性为对比机制来进行成像，由于光声信号与生物组织的光学、热学和声学特性有关，因而光声信号所携带的信息量远多于共焦显微成像中散射光和荧光所携带的信息量，因此，光声成像可实现生物功能的成像，即可获得生物组织的化学组分及生物学行为(如生长、凋亡、代谢、病变、突变等)特征信息，同时光声成像的层析深度可达厘米量级。但是，光声成像的分辨力仅达10微米，它无法实现细胞水平的结构图像。

若将上述两种成像技术结合在一起，来进行生物组织光声和荧光互补成像，便可获取组织或细胞的更多的信息，同时可通过共焦聚焦提高横向分辨力，通过超声时间探测进一步拓展层析成像深度。

基于上述情况，本发明提出一种同时利用后向散射光子来实现共焦显微成像与光声成像的反射式分光瞳共焦-光声显微成像装置与方法，以期对生物活体进行原位、无创的实时成像。

本发明将反射式分光瞳共焦显微成像系统与光声成像系统的结构与功能有机融合，利用共焦显微成像系统探测样品的成分空间信息，利用光声显微成像系统探测样品的成分功能信息，继而实现样品成分空间信息和功能信息的同时探测。

反射式分光瞳共焦显微成像系统的采用使共焦-光声显微成像装置的轴向分辨力和工作距得以有效兼顾，抑制高散射样品焦面杂散光对共焦显微成像质量的干扰，便于共焦-光声显微成像装置的集成化和手持式设计。

发明内容

本发明的目的是设计一种反射式分光瞳共焦-光声显微成像装置及方法，以期同时获得样品成分空间信息和功能信息。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种反射式分光瞳共焦-光声显微成像装置，包括点光源系统，还包括依次放置在脉冲光束行进方向的准直镜、反射聚光镜、三维光束扫描器和被测样品，依次放置在被测样品背向散射方向来探测光声信号的声学透镜和超声换能器，以及用于探测被测样品背向散射光或荧光信号的反射式分光瞳共焦探测系统；其中，反射式分光瞳共焦探测系统包括：沿被测样品背向散射方向依次放置的三维光束扫描器、反射聚光镜、集光镜和点探测器。

本发明反射式分光瞳共焦-光声显微成像装置中，反射聚光镜与声学透镜背向贴近放置，且经反射聚光镜和三维光束扫描器聚焦的光学焦点与声学透镜的焦点重合。

本发明反射式分光瞳共焦-光声显微成像装置中，点光源系统可以采用出射光纤，点探测器可以采用探测光纤。

本发明反射式分光瞳共焦-光声显微成像装置中，点光源系统还可以由激光器、放置在激光出射方向的聚焦镜和放置在聚焦镜焦点位置的第一针孔构成。其中，激光器可采用脉冲激光或周期性强度调制激光，其波长、脉宽和重复频率可根据需要选择。

本发明反射式分光瞳共焦-光声显微成像装置中，点探测器可以由放置集光镜焦点处的第二针孔和位于第二针孔后的光电探测器构成。

本发明的一种反射式分光瞳共焦-光声显微成像方法，包括以下步骤：

步骤一、打开点光源系统，使点光源系统出射的脉冲光束经准直镜、反射聚光镜、三维光束扫描器后聚焦到被测样品上激发出光声信号、散射光或荧光信号；

步骤二、利用声学透镜和超声换能器来收集和探测光声信号，用于表征被测样品的生物功能信息；

步骤三、利用三维光束扫描器、反射聚光镜、集光镜和点探测器来收集和探测被测样品的散射光或荧光信号，用于表征被测样品的结构图像信息；

步骤四、通过三维光束扫描器来控制聚焦光束对被测样品进行三维扫描，来实现对被测样品激发出的光声信号、散射光或荧光信号的层析成像。

有益效果：

本发明对比已有技术，具有以下优点：

1)本发明基于斜入射的激光共焦显微成像系统，使激发光照射区域与超声探头检测区域相重合，用同一激发光源通过斜入射照射方式同时激发出光声和荧光信号，以期实现光声和荧光信号的同时双成像，可获得单模式方式难以获得的信息；

2)斜入射的激光共焦成像技术，在不降低轴向分辨力的前提下，大幅增加了成像系统的工作距，使光声成像系统和三维光束扫描器便于集成到反射式分光瞳共焦-光声显微成像装置，便于生物活体成分结构信息和功能信息的原位、无创、实时成像；

3)在不引入高数值孔径的物镜的条件下，利用低数值孔径的物镜即可提高共焦系统的轴向分辨力，扩展了共焦显微系统的工作距离，更易于测量装置实现小型化和手持式；

4)斜入射的激光共焦成像技术可抑制焦面上生物样品杂散光对共焦显微成像质量的干扰等。

附图说明

图1.反射式分光瞳共焦-光声显微成像装置；

图2.反射式分光瞳共焦-光声显微成像装置；

图3.反射式分光瞳共焦-光声显微成像装置；

图4.反射式分光瞳共焦-光声显微成像装置实施例；

图5.反射式分光瞳共焦显微成像示意图；

图6.反射式分光瞳共焦显微结构示意图；

图7.反射式分光瞳共焦显微成像与共焦显微成像轴向分辨力比较。

其中：1-点光源系统、2-脉冲光束、3-准直镜、4-反射聚光镜、5-超声换能器，6-声学透镜、7-像差补偿半球镜、8-三维光束扫描器、9-集光镜、10-点探测器、11-被测样品、12-第一针孔、13-聚焦镜、14-激光器、15-第二针孔、16-光电探测器、17-出射光纤、18-探测光纤、19-信号采集系统、20-超声探测电路系统、21-计算机、22-斜入射激发光束、23-斜出射被测样品散射光、24-照明光学系统点扩散函数(PSF)、25-收集光学系统PSF、26-系统合成PSF、27-反射式分光瞳共焦显微系统仿真轴向响应曲线、28-共焦显微系统仿真轴向响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本发明实施例基于图4所示的反射式分光瞳共焦-光声显微成像装置，包括激光器14、聚焦镜13和第一针孔12构成的点光源系统1，依次放置在脉冲光束2行进方向的准直镜3、反射聚光镜4、像差补偿半球镜7、三维光束扫描器8和被测样品11，依次放置在被测样品11背向散射方向来探测光声信号的声学透镜6和超声换能器5，以及用于探测被测样品11背向散射光或荧光信号的反射式分光瞳共焦探测系统；其中，反射式分光瞳共焦探测系统包括：沿被测样品背向散射方向依次放置的像差补偿半球镜7、三维光束扫描器8、反射聚光镜4、第二针孔15和光电探测器16。

激光器14采用脉冲激光器或周期性的强度调制光，其波长、脉宽和重复频率可根据需要选择。

三维光束扫描器8用于聚焦光束的三维层析扫描，采用MEMS器件，便于系统的集成化。

像差补偿半球镜7用于补偿系统像差和匹配被测对象折射率。

对样品进行原位、无创成像的过程如下：

激光器14发出的激光光束经聚焦镜13聚焦到第一针孔12形成点光源，第一针孔12出射的脉冲光束2经准直镜3、反射聚光镜4、像差补偿半球镜7后聚焦到被测样品11上激发出光声信号、散射光或荧光信号。

光声信号由声学透镜6收集后被超声换能器5探测，再经超声探测电路系统20处理后传送给计算机21。

聚焦光束激发的被测样品散射光或荧光信号再经像差补偿半球镜7、三维光束扫描器8、反射聚光镜4、集光镜9聚焦到第二针孔15，被位于其后的光电探测器16探测，信号采集系统19将光电探测器16探测到的强度信号进行处理和转换后传送到计算机21。

计算机21控制三维光束扫描器8、信号采集系统19和超声探测电路系统20对被测样品11进行三维层析扫描和信号探测。

计算机21依据发给三维光束扫描器8的三维位置信号、信号采集系统19采集的共焦信号和超声探测电路系统20采集的光声信号进行数据融合处理，即可同时得到生物组织的成分空间信息和功能信息。

如图6所示，反射式分光瞳共焦显微成像技术利用光轴之间存在一定夹角θ的照明光学系统与收集光学系统的PSF相互制约，减小系统PSF的主瓣宽度，从而达到提高轴向分辨力和工作距离的目的。

如图5所示，反射式分光瞳共焦显微成像装置利用低数值孔径的反射聚光镜4分别构成照明光学系统和收集光学系统，照明光学系统光轴(z_i轴)和收集光学系统光轴(z_c轴)成θ角放置，(x，y，z)为系统坐标系，(x_i，y_i，z_i)和(x_c，y_c，z_c)分别为斜入射激发光束22和斜出射被测样品散射光23在样品空间的坐标。

三个坐标系之间的变换关系为：

x_i＝x cosθ-z sinθ x_c＝x cosθ+z sinθ (1)

y_i＝y y_c＝y (2)

z_i＝x sinθ+z cosθ z_c＝-x sinθ+z cosθ (3)

反射式分光瞳共焦-光声显微成像装置的理论模型可由基于旁轴近似的衍射理论进行推导。

准直镜3、反射聚光镜4、像差补偿半球镜7构成照明光学系统，照明光学系统的点扩散函数(PSF)24的表达式为：

像差补偿半球镜7、反射聚光镜4、集光镜9构成了收集光学系统，收集光学系统的点扩散函数(PSF)25的表达式为：

其中，P_i(x_iρ，y_iρ)和P_c(x_cρ，y_cρ)分别是用于照明的反射聚光镜4和用于收集光的反射聚光镜4的瞳函数，v_ix、v_iy和u_i是反射聚光镜4在样品空间的归一化光学坐标，v_cx、v_cy和u_c是反射聚光镜4在样品空间的归一化光学坐标。

因此，探测到的反射式分光瞳共焦成像系统的合成PSF 26的表达式为：

h_cs(x，y，z)＝h_i(x_i，y_i，z_i)×h_c(x_c，y_c，z_c) (6)

反射式分光瞳共焦成像系统的强度响应为：

I_cs(x，y，z)＝|h_i(x_i，y_i，z_i)×h_c(x_c，y_c，z_c)|² (7)

由公式(4)可求得照明光学系统的PSF如图6中的24所示，由公式(5)可求得收集光学系统的PSF如图6中的25所示，由公式(6)可求得反射式分光瞳共焦显微成像系统的合成PSF如图6中的26所示。

由于反射式分光瞳共焦显微成像系统合成PSF是照明光学系统PSF24与采集光学系统PSF25的乘积，因此在反射式分光瞳共焦结构中可以得到一个轴向(z方向)宽度Δz和横向(x方向)宽度Δx相近的系统合成PSF 26。

从图6中可以看出：系统合成PSF 26的焦体越小，共焦显微系统就能观察被测样品的更精细结构的信息，从而达到了提高共焦系统轴向分辨力的目的。理论上当两个光轴正交时，系统的合成焦体体积最小，可形成一个近乎球形的焦体。

依据公式(7)本实施例的仿真轴向响应曲线27如图7所示，同等数值孔径NA.条件下共焦显微系统的仿真轴向响应曲线28如图7所示。

从仿真轴向响应曲线27和28可以看出，反射式分光瞳共焦显微成像系统大幅提高了共焦显微系统的轴向分辨力，换言之，在达到同等轴向分辨力的前提下，反射式分光瞳共焦显微成像系统的数值孔径NA.要比共焦显微系统的NA.小得多，即反射式分光瞳共焦显微成像系统的工作距大幅提高。

反射式分光瞳共焦显微成像系统的工作距大幅提高为三维光束扫描器8的安放以及光束的三维层析扫描成像提供了必要的前提。

实施例2

如图2所示，在实施例1的反射式分光瞳共焦-光声显微成像装置中，将点光源系统1替换为出射光纤17。出射光纤17出射的脉冲光束2经准直镜3、反射聚光镜4、像差补偿半球镜7后聚焦到被测样品11上激发出光声信号、散射光或荧光信号。

在实施例1的反射式分光瞳共焦-光声显微成像装置中，将点探测器10替换为探测光纤18。聚焦光束激发的被测样品散射光或荧光信号经像差补偿半球镜7、三维光束扫描器8、反射聚光镜4、集光镜9聚焦到探测光纤18进行探测。

其余测量方法与实施例1相同。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围。

本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种反射式分光瞳共焦-光声显微成像装置，包括点光源系统(1)，其特征在于：还包括依次放置在脉冲光束(2)行进方向的准直镜(3)、反射聚光镜(4)、三维光束扫描器(8)和被测样品(11)，依次放置在被测样品(11)背向散射方向来探测光声信号的声学透镜(6)和超声换能器(5)，以及用于探测被测样品(11)背向散射光或荧光信号的反射式分光瞳共焦探测系统；其中，反射式分光瞳共焦探测系统包括：沿被测样品(11)背向散射方向依次放置的三维光束扫描器(8)、反射聚光镜(4)、集光镜(9)和点探测器(10)；其中，反射聚光镜(4)与声学透镜(6)背向贴近放置，且经反射聚光镜(4)和三维光束扫描器(8)聚焦的光学焦点与声学透镜(6)的焦点重合。

2.根据权利要求1所述的反射式分光瞳共焦-光声显微成像装置，其特征在于：点光源系统(1)可以采用出射光纤(17)，点探测器(10)可以采用探测光纤(18)。

3.根据权利要求1所述的反射式分光瞳共焦-光声显微成像装置，其特征在于：点光源系统(1)还可以由激光器(14)、放置在激光出射方向的聚焦镜(13)和放置在聚焦镜(13)焦点位置的第一针孔(12)构成。

4.根据权利要求3所述的反射式分光瞳共焦-光声显微成像装置，其特征在于：激光器(14)可采用脉冲激光或周期性强度调制激光，其波长、脉宽和重复频率可根据需要选择。

5.根据权利要求1所述的反射式分光瞳共焦-光声显微成像装置，其特征在于：点探测器(10)可以由放置集光镜(9)焦点处的第二针孔(15)和位于第二针孔(15)后的光电探测器(16)构成。

6.根据权利要求1所述的反射式分光瞳共焦-光声显微成像装置的成像方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、打开点光源系统(1)，使点光源系统(1)出射的脉冲光束(2)经准直镜(3)、反射聚光镜(4)、三维光束扫描器(8)后聚焦到被测样品(11)上激发出光声信号、散射光或荧光信号；

步骤二、利用声学透镜(6)和超声换能器(5)来收集和探测光声信号，用于表征被测样品(11)的生物功能信息；

步骤三、利用三维光束扫描器(8)、反射聚光镜(4)、集光镜(9)和点探测器(10)来收集和探测被测样品(11)的散射光或荧光信号，用于表征被测样品(11)的结构图像信息；

步骤四、通过三维光束扫描器(8)来控制聚焦光束对被测样品(11)进行三维扫描，来实现对被测样品(11)激发出的光声信号、散射光或荧光信号的层析成像。