CN105212898B - 一种反射式光声显微成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种反射式光声显微成像系统，属于光声成像技术领域，包括脉冲激光器、聚焦透镜、针孔、准直透镜、反射元件、反射式显微物镜、校正透镜、防水式扫描振镜、超声换能器、放大器、数据采集卡、系统控制主机、图像显示器、水箱和样品台。其中，脉冲激光器、聚焦透镜、针孔、准直透镜和反射元件依次共轴排列，反射式显微物镜、校正透镜和防水式扫描振镜依次共轴排列，防水式扫描振镜及校正透镜的部分置于水箱之中，超声换能器、放大器、数据采集卡、系统控制主机、图像显示器通过导线依次连接。本发明在进行快速实时光扫描的同时，又能保证亚微米级的空间分辨率和较大的成像视场，并且具有针对活体动物进行光声成像的能力。

Description

一种反射式光声显微成像系统

技术领域

本发明属于光声成像技术领域，具体涉及一种亚微米级分辨率光声显微成像系统。

背景技术

在一系列领域的光声成像研究中，所采用的成像装置可主要依据其激发光照明及超声接收的方式分为三大类，即光声计算层析成像系统、声学分辨率光声显微系统和光学分辨率光声显微系统。其中，光学分辨率光声显微系统的成像分辨能力最为出色。依据所使用的物镜数值孔径值的不同，其空间横向分辨率可达到数微米乃至亚微米级别。

现有技术存在以下缺点：1、为了达到亚微米级别的分辨率，需要采用数值孔径较高（>0.4）的高倍光学物镜将入射光束聚焦为微小的光斑。然而，传统的高数值孔径物镜对应着较短的工作距离（<10mm），空间上的限制使得用于接收信号的超声换能器必须放置在与物镜相对的一侧才能工作，如果需要在物镜后方增加扫描机构则会更进一步地压缩原本有限的空间，因此传统的方案只能实现对较薄成像样本的离体透射式成像，无法满足针对在体动物和较厚样品的成像要求；2、为实现高速扫描成像，现有的方案一般采用扫描振镜对反射进入物镜前的光束进行快速扫描。然而由于扫描时的光学焦点沿着原焦平面移动，不再与超声换能器的声学焦点共焦重合，因此造成离焦处的信号探测效率下降，从而限制了有效成像区域面积（即视场）的大小，不利于感兴趣的成像区域的选择；3、为了保持足够大小的视场，现有的方案一般采用精密位移平台移动样品或者成像探头的方式进行图像扫描后的拼接，然而这会限制成像速度，不利于针对动态变化的血液流速、氧饱和度等参数进行实时测量和监控。

发明内容

传统的光声成像装置不能同时满足以下这些特性：既快速实时扫描，又保证亚微米级的空间分辨率和较大的（毫米级宽度）成像视场，并且具有针对活体动物进行光声成像的能力。

为了同时实现这些特性，改进光声成像的质量，本发明提供了一种反射式光声成像系统。本发明的技术方案如下：

一种反射式光声显微成像系统，包括脉冲激光器、聚焦透镜、反射式显微物镜、防水式扫描振镜、超声换能器、放大器、数据采集卡、系统控制主机、图像显示器、水箱和样品台，所述防水式扫描振镜置于所述水箱中。所述脉冲激光器发出脉冲光，脉冲光经所述聚焦透镜聚焦后入射至所述反射式显微物镜，然后经所述防水式扫描振镜反射至水箱下方的样品上，并激发出超声信号，所述超声信号经所述防水式扫描振镜反射后被所述超声换能器接收并转化为电信号，所述电信号传送至所述放大器并被放大器放大，所述数据采集卡与所述放大器及所述系统控制主机均信号连通，所述数据采集卡将放大后的电信号采集到系统控制主机，所述系统控制主机安装有采集控制及信号处理系统，并可将处理结果输出至图像显示器显示。

优选地，所述反射式显微物镜腔内包括主反射镜和次级反射镜，主反射镜位于反射式显微物镜的出射口处，次级反射镜位于腔内前半部分，且呈中心开孔的圆环状。

优选地，所述反射式显微物镜数值孔径NA为0.5，工作距离为23.2 mm。

优选地，所述防水式扫描振镜为防水式MEMS二维扫描振镜，包括内框、外框和反射镜，所述外框和内框间用上下两个y转轴连接，反射镜和内框间用左右两个x转轴连接，反射镜镜面镀有高反射率铝膜，所述防水式MEMS二维扫描振镜与所述系统控制主机信号连通，在所述系统控制主机发出的正弦电信号的驱动下，内部线圈或电磁铁产生的磁场与反射镜背面的永磁铁产生相互的电磁力，所述防水式MEMS二维扫描振镜的反射镜镜面周期性转动，经所述防水式MEMS二维扫描振镜反射至样品表面的脉冲光的焦点随之移动，对样品表面进行二维扫描。

优选地，所述反射式光声显微成像系统还包括准直透镜，所述准直透镜置于所述聚焦透镜和所述反射式显微物镜之间，所述准直透镜用于将经所述聚焦透镜聚焦后的脉冲光准直后入射至所述反射式显微物镜。

优选地，所述反射式光声显微成像系统还包括针孔，所述针孔置于所述聚焦透镜和所述准直透镜之间，所述针孔用于将经所述聚焦透镜聚焦后的脉冲光进行空间滤波整形提高光束质量，整形后的光束再经过所述准直透镜。

优选地，所述反射式光声显微成像系统还包括反射元件，所述反射元件用于将经所述准直透镜准直后的脉冲光反射至所述反射式显微物镜。

优选地，所述反射式光声显微成像系统还包括校正透镜，所述校正透镜置于所述反射式显微物镜与所述防水式扫描振镜之间，所述校正透镜的一部分置于所述水箱中，其余部分在所述水箱外，校正透镜与水箱之间用防水胶固定连接。

优选地，所述光声换能器面向所述防水式扫描振镜，通过胶粘固定于所述校正透镜的表面。

优选地，所述的超声换能器为聚焦型超声换能器。

与现有技术相比，本发明采用反射式显微物镜进行脉冲光的聚焦，相对于普通物镜而言，反射式物镜的消色差特性更为出色，在较大的数值孔径的情况下仍然具有较长的工作距离，因此，既能够实现亚微米级别的空间横向分辨率，又为扫描振镜提供了足够的工作距离；本发明采用反射式的结构来接收信号，不同于现有的透射式系统局限于针对较薄样本进行成像，反射性系统具备对较厚的样本和活体动物的成像能力，大大拓展了应用范围；本发明由于使用了防水式MEMS二维扫描振镜，实现了针对同一扫描点的光-声共焦扫描和信号接收，从而在更大的视场范围内极大地提高了图像的信噪比，根据软件仿真结果，共焦情况下比不共焦情况下的信噪比增强为约14dB (5倍)，因此有效地增加成像的视场。

附图说明

图1是本发明一种反射式光声显微成像系统的示意图。

图2是反射式显微物镜的结构示意图。

图3是防水式MEMS二维扫描振镜结构示意图。

附图标记：导线00，脉冲光01，光声信号02，脉冲激光器1，聚焦透镜2，针孔3，准直透镜4，反射元件5，反射式显微物镜6，主反射镜61，次级反射镜62，校正透镜7，防水式MEMS二维扫描振镜8，外框80，内框81，反射镜82，y转轴83，x转轴84，超声换能器12，放大器13，数据采集卡14，系统控制主机15，图像显示器16，水箱9，样品台10，样品11。

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。所描述的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限于此，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。

本发明实施例基于图1所示的反射式光声显微成像系统，包括脉冲激光器1、聚焦透镜2、针孔3、准直透镜4、反射元件5、反射式显微物镜6、校正透镜7、防水式MEMS二维扫描振镜8、超声换能器12、放大器13、数据采集卡14、系统控制主机15、图像显示器16、水箱9和样品台10。

其中，反射式显微物镜6的结构如图2所示，反射式显微物镜6腔内，主反射镜60位于反射式显微物镜6的出射口处，中心开孔的圆环状次级反射镜61位于腔内前半部分；防水式MEMS二维扫描振镜8的结构如图3所示，包括外框80、内框81和反射镜82，所述外框80和内框81间用上下两个y转轴83连接，反射镜82和内框81间用左右两个x转轴84连接，反射镜82镜面镀有高反射率铝膜，在系统控制主机15发出的正弦电信号的驱动下，内部线圈或电磁铁产生的磁场与反射镜82背面的永磁铁产生相互的电磁力，使反射镜82镜面周期性转动，经防水式MEMS二维扫描振镜8反射至样品表面的脉冲光的焦点也随之移动，对样品表面进行二维扫描。所述反射式光声显微成像系统中，脉冲激光器1、聚焦透镜2、针孔3、准直透镜4和反射元件5依次共轴排列，反射式显微物镜6、校正透镜7和防水式MEMS二维扫描振镜8依次共轴排列，防水式MEMS二维扫描振镜8及校正透镜7的部分置于水箱9之中，校正透镜7与水箱9之间用防水胶固定连接，超声换能器12、放大器13、数据采集卡14、系统控制主机15通过导线依次连接，系统控制主机15与图像显示器16通过导线连接，防水式MEMS二维扫描振镜8和系统控制主机15通过导线信号联通，样品11置于样品台10上。

在本实施例中，脉冲激光器1发出波长λ为532nm的脉冲光01，经由聚焦透镜2聚焦后由针孔3进行空间滤波整形提高光束质量，整形后的脉冲光再经过一个准直透镜4变成准直的平行光束，准直的平行光束经反射元件5反射至反射式显微物镜6，所述反射式显微物镜6数值孔径NA为0.5，工作距离为23.2 mm，根据衍射极限公式w=0.61*λ/NA计算其分辨距离为649.04nm，满足亚微米空间分辨率的要求，利用该反射式显微物镜位于出射口处的主反射镜60对二次反射光束形成的部分遮挡，沿轴线方向将超声换能器12面向防水式MEMS二维扫描振镜8通过胶粘固定于校正透镜7的表面，既能够实现在有限空间内接收同样反射自防水式MEMS二维扫描振镜8的光声信号02，又不会过多地增加超声换能器12对脉冲光束01的遮挡。聚焦后的光束经校正透镜7后由防水式MEMS二维扫描振镜8反射至水箱9下方的样品11上，样品11放置在样品台10上，其中校正透镜7充当空气和超声信号传播媒介水之间的光学匹配层，使得入射光束01不受空气与水之间折射率的不匹配对光聚焦的影响。当防水式MEMS二维扫描振镜8进行扫描时，激发光束的焦点也将沿着样品11的表面进行二维移动，从而逐点激发光声信号02，然后超声波将再次经同一防水式MEMS二维扫描振镜6反射后被固定于校正透镜7上的超声换能器12接收，接收到的超声电信号数据将被放大器13同步放大并由数据采集卡14获取并进行成像，系统控制主机15安装有采集控制及信号处理系统，并将处理结果输出至图像显示器16显示。

Claims (9)

1.一种反射式光声显微成像系统，其特征在于，所述反射式光声显微成像系统包括脉冲激光器、聚焦透镜、反射式显微物镜、防水式扫描振镜、超声换能器、放大器、数据采集卡、系统控制主机、图像显示器、水箱和样品台，所述防水式扫描振镜置于所述水箱中，所述脉冲激光器发出脉冲光，脉冲光经所述聚焦透镜聚焦后入射至所述反射式显微物镜，然后经所述防水式扫描振镜反射至水箱下方的样品台上的样品表面，并激发出超声信号，所述超声信号经所述防水式扫描振镜反射后被所述超声换能器接收并转化为电信号，所述电信号传送至所述放大器并被放大器放大，所述数据采集卡与所述放大器及所述系统控制主机均信号连通，所述数据采集卡将放大后的电信号采集到系统控制主机，所述系统控制主机安装有采集控制及信号处理系统，并将处理结果输出至图像显示器显示；所述防水式扫描振镜为防水式MEMS二维扫描振镜，包括内框、外框和镜面，所述外框和内框间通过上下两个转轴连接，镜面和内框间通过左右两个转轴连接，镜面镀有高反射率铝膜，所述防水式MEMS二维扫描振镜与所述系统控制主机信号连通，在所述系统控制主机发出的正弦电信号的驱动下，所述防水式MEMS二维扫描振镜的反射镜镜面周期性转动，经所述防水式MEMS二维扫描振镜反射至样品表面的脉冲光的焦点随之移动，对样品台上的样品进行二维扫描。

2.如权利要求1所述的反射式光声显微成像系统，其特征在于，所述反射式显微物镜腔内包括主反射镜和次级反射镜，所述主反射镜位于反射式显微物镜的出射口处，所述次级反射镜位于腔内前半部分，且呈中心开孔的圆环状。

3.如权利要求2所述的反射式光声显微成像系统，其特征在于，所述反射式显微物镜的数值孔径NA为0.5，工作距离为23.2mm。

4.如权利要求1所述的反射式光声显微成像系统，其特征在于，所述反射式光声显微成像系统还包括准直透镜，所述准直透镜置于所述聚焦透镜和所述反射式显微物镜之间，所述准直透镜用于将经所述聚焦透镜聚焦后的脉冲光准直后入射至所述反射式显微物镜。

5.如权利要求1所述的反射式光声显微成像系统，其特征在于，所述反射式光声显微成像系统还包括针孔，所述针孔置于所述聚焦透镜和所述准直透镜之间，所述针孔用于将经所述聚焦透镜聚焦后的脉冲光进行空间滤波整形提高光束质量，整形后的光束再经过所述准直透镜。

6.如权利要求1所述的反射式光声显微成像系统，其特征在于，所述反射式光声显微成像系统还包括反射元件，所述反射元件用于将经所述准直透镜准直后的脉冲光反射至所述反射式显微物镜。

7.如权利要求1所述的反射式光声显微成像系统，其特征在于，所述反射式光声显微成像系统还包括校正透镜，所述校正透镜置于所述反射式显微物镜与所述防水式扫描振镜之间，所述校正透镜的一部分置于所述水箱中，其余部分在所述水箱外，校正透镜与水箱之间用防水胶固定连接。

8.如权利要求1所述的反射式光声显微成像系统，其特征在于，所述超声换能器面向所述防水式扫描振镜，通过胶粘固定于所述校正透镜的表面。

9.如权利要求1所述的反射式光声显微成像系统，其特征在于，所述的超声换能器为聚焦型超声换能器。