CN105548022B - 一种暗场照明声学分辨率光声显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种暗场照明声学分辨率光声显微镜，包括激光光源、耦合光路、三维位移平台、光声耦合探头、超声信号收发仪以及控制与数据采集系统；其中，光声耦合探头包括环形光束生成元件、超声换能器、聚光镜以及将超声换能器和聚光镜相耦合的适配件；激光光源发射脉冲激光经由耦合光路生成平行光，平行光经过环形光束生成元件形成平行环形光出射，平行环形光经聚光镜会聚，形成一个光的弱聚焦，超声换能器设置在聚光镜的中心钻孔处，以实现声与光的共轴共焦；适配件的外径与聚光镜的中心钻孔相适配，内径与超声换能器相适配，通过对超声换能器的位置进行调整，使得超声的焦点与光的焦点重合。本发明在进行跨尺度成像时，只需要更换一个配合件和超声换能器即可，不再需要进行额外的调试操作，简单易行，且成本低廉。

Description

一种暗场照明声学分辨率光声显微镜

技术领域

本发明涉及光声成像领域，尤其涉及一种光声显微镜，具体的讲是一种暗场照明声学分辨率光声显微镜。

背景技术

光声成像的原理是吸收体在吸收短脉冲激光后，受热膨胀，从而产生高频率的超声波，超声波的强度大小在一定范围的光吸收强度内，与光吸收的强度成正比。激发出超声波的短脉冲激光，其脉冲宽度需要满足热弛豫和压力弛豫两个限制。热弛豫和压力弛豫代表了热和压力从吸收体中传播出去所需要的时间，即短脉冲激光的脉宽需要满足一个脉冲激光结束后，吸收体中的热和压力还来不及往外传播。组织中的吸收体主要是血红蛋白、黑色素、水、脂质等。每种吸收体都有它的特异性光谱吸收曲线，通过选择待观测吸收体与其它吸收体吸收系数差异大，且接近或者处于待观测吸收体的光谱吸收峰时所对应的波长作为激发光，就能够将待观测吸收体与其它的吸收体的特异性的区分出来。图像的对比度来源于吸收体的光谱吸收差异。超声波在组织中的散射要比光的散射弱两到三个数量级。因此，通过接收光致超声波的方法，可以比接收光的成像方法要具有更大成像深度。光学成像深度通常在1mm以内，而光声成像的深度可达到6-7cm。从图像对比度而言，光声成像的对比度又远高于超声成像，因此，光声成像在医学成像领域得到了广泛的应用。

暗场照明声学分辨率光声显微镜是光声成像技术中成像深度最大的一种成像技术，在光能足够的情况下，能够充分发挥换能器的性能，获得最大的声学成像深度。现有的暗场照明声学分辨率光声显微镜一般是对激光器的出光进行准直扩束，然后耦合进光纤(或使用反射镜组实现光束的空间传播)，再对光纤出光准直成平行光入射锥透镜(或直接入射锥透镜)，平行光经过锥透镜后形成平行的环形光出射，平行环形光最后经过一个聚光镜会聚，形成一个光的弱聚焦。聚光镜中间钻孔，用于放置超声换能器，实现声与光的共轴共焦。但是，由于一个换能器只有一个中心频率，而换能器的分辨率和成像深度均与其中心频率有关，因此，想获得不同深度的高分辨率的图像时(即实现跨尺度成像)，只能通过更换换能器的方式来实现。而现有的聚光镜、换能器、夹具都是配套的，更换换能器，必然导致聚光镜和夹具都得换。这样不仅每换一次都需要重新调试系统，而且高质量的聚光镜和夹具的成本也响应大幅提升，这给每次实验造成了不必要的操作麻烦和成本浪费。

发明内容

本发明针对现有的暗场照明声学分辨率光声显微镜在实现跨尺度成像时，需要同时更换换能器、聚光镜和夹具，造成操作麻烦和成本增加的问题，设计了一种暗场照明声学分辨率光声显微镜。

为了达到上述目的，本发明实施例提供一种暗场照明声学分辨率光声显微镜，包括激光光源、耦合光路、三维位移平台、光声耦合探头、超声信号收发仪以及控制与数据采集系统；其中，所述光声耦合探头包括环形光束生成元件、超声换能器、聚光镜以及将所述超声换能器和聚光镜相耦合的适配件；所述激光光源发射脉冲激光经由所述耦合光路生成平行光，所述平行光经过所述环形光束生成元件形成平行环形光出射，所述平行环形光经所述聚光镜会聚，形成一个光的弱聚焦，所述超声换能器设置在所述聚光镜的中心钻孔处，以实现声与光的共轴共焦；所述适配件的外径与所述聚光镜的中心钻孔相适配，内径与所述超声换能器相适配，通过对所述超声换能器的位置进行调整，使得超声的焦点与光的焦点重合。

进一步地，在一实施例中，所述环形光束生成元件包括第一锥形反射镜和第二锥形反射镜，所述第一锥形反射镜和第二锥形反射镜的反射面平行，且所述第一锥形反射镜的锥角为45°。

进一步地，在一实施例中，所述第二锥形反射镜为去顶、内空的锥形反射镜。

进一步地，在一实施例中，所述第一锥形反射镜的底面直径比所述配合件的外径大1～10mm。

进一步地，在一实施例中，所述聚光镜为去顶的锥形，其与所述第二锥形反射镜的锥面在底面的投影长度相等。

进一步地，在一实施例中，所述聚光镜的中心钻孔的直径比所述超声换能器的直径大3～5mm。

进一步地，在一实施例中，所述将所述超声换能器和聚光镜相耦合的适配件为塑料件，所述塑料件的与所述超声换能器相适配的内径可以制成不同的形状。

进一步地，在一实施例中，所述三维位移平台带动所述光声耦合探头进行二维栅格扫描，以获得三维图像所需要的数据。

进一步地，在一实施例中，所述超声换能器接收从组织处激发的光声信号，转换为电信号后被所述超声信号收发仪接收并放大。

进一步地，在一实施例中，所述控制与数据采集系统用于以所述激光光源输出的电脉冲信号作为同步信号，对所述超声信号收发仪接收到的电信号进行采集和处理。

本发明实施例的暗场照明声学分辨率光声显微镜，能够通过新的环形光束获取方式，一次获得满足大于不同横向尺寸的超声换能器的环形光束，从而在更换换能器后，不再需要像已有的暗场照明声学分辨率光声显微镜一样调节聚光镜和锥形透镜之间的距离，以使环形光不被大尺寸的换能器遮挡。同时，能够在不更换夹具和聚光镜的情况下，用低成本的经过设计的适配件耦合超声换能器和聚光镜，从而在进行跨尺度成像时，只需要更换一个适配件和超声换能器即可，不再需要进行额外的调试操作，简单易行，且成本低廉。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的暗场照明声学分辨率光声显微镜的结构示意图；

图2为本发明的光声耦合探头的一实施例的结构示意图；

图3为本发明的光声耦合探头的另一实施例的结构示意图。

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。

本发明揭示了一种暗场照明声学分辨率光声显微镜，由激光光源，耦合光路，三维位移平台，光声耦合探头，控制与数据采集系统和超声信号收发仪组成。其中光声耦合探头中引入新的环形光束生成元件，以获得能够适应不同尺寸超声换能器的环形光束，聚光镜与超声换能器的耦合由一个特制的配合件完成，可以重复循环利用，一个换能器对应一个适配件，其能够减少更换超声换能器时的不必要的光声耦合调节过程，并降低显微镜的成本。

图1为本发明实施例的暗场照明声学分辨率光声显微镜的结构示意图。如图1所示，包括激光光源1、耦合光路2、三维位移平台3、光声耦合探头4、超声信号收发仪5以及控制与数据采集系统6。

激光光源1发射脉冲激光经由耦合光路2生成平行光进入光声耦合探头4。脉冲激光经过光声耦合探头4入射到组织表面，进入组织内部，激发出光声信号(即超声波信号)。光声信号从组织内往外传播，被光声耦合探头4中的超声换能器接收，并转换为电信号被超声信号收发仪5接收并放大。

三维位移平台3带动光声耦合探头4进行二维栅格扫描，以获得三维图像所需要的数据。

所述控制与数据采集系统6用于以所述激光光源1输出的电脉冲信号作为同步信号，对所述超声信号收发仪5接收到的电信号进行采集和处理，并利用图像处理团建对采集到的光声信号进行滤波，希尔伯特变换等处理后，三维重建图像，得到组织的三维图像以及横截面图像。

图2为本发明实施例的光声耦合探头的结构示意图。如图2所示，本发明实施例的光声耦合探头4包括环形光束生成元件41、超声换能器42、聚光镜43以及将所述超声换能器42和聚光镜43相耦合的适配件44；所述激光光源1发射脉冲激光经由所述耦合光路2生成平行光，所述平行光经过所述环形光束生成元件41形成平行环形光出射，所述平行环形光经所述聚光镜43会聚，形成一个光的弱聚焦，所述超声换能器42设置在所述聚光镜43的中心钻孔处，以实现声与光的共轴共焦；所述适配件44的外径与所述聚光镜43的中心钻孔相适配，内径与所述超声换能器42相适配，通过对所述超声换能器42的位置进行调整，使得超声的焦点与光的焦点重合。

如图2所示，所述环形光束生成元件41包括第一锥形反射镜411和第二锥形反射镜412，平行光入射在第一锥形反射镜411上，第一锥形反射镜411可以是由玻璃、铝合金、石英、塑料等制成，其表面镀上高反射率的金属膜或者介质膜。第一锥形反射镜411的锥角是45°，其底面直径比适配件44的直径大1～10mm。被第一锥形反射镜411反射的光束平行入射在一个去顶、内空的第二锥形反射镜412上，第二锥形反射镜412的反射面与第一锥形反射镜411的反射面平行。第二锥形反射镜412可以由玻璃、铝合金、石英、塑料的制成，在内表面镀上高反射率的金属膜或者介质膜。进入光声耦合探头的平行光经第一锥形反射镜411和第二锥形反射镜412进行两次反射后，变为平行出射的环形光。环形光入射到聚光镜43，聚光镜43由玻璃、石英或者亚克力制成去顶的锥形，锥形的上下底面是平面，用来透光，经抛光处理后，可以镀上增透膜增加光的透射率。锥面具有一定的倾角，入射在锥面的光发生全内反射，通过聚光镜43的下表面出射。倾角的大小保证入射的环形光能在聚光镜43下表面距离为f处产生光的会聚效果。聚光镜43和第二锥形反射镜412的锥面在底面的投影长度d相等。聚光镜43的中心钻一个通孔，通孔的直径大小比所用到最大的超声换能器42的直径大3～5mm。定制的适配件44的外径等于聚光镜43的中心通孔的直径，由于第一锥形反射镜411的底面直径比适配件44的直径大1～10mm，所以，不会有光被遮挡。

适配件44的外边缘(外径)与聚光镜43的孔相配合，内边缘(内径)与超声换能器42相配合，根据不同的超声换能器42，适配件44的内边缘相应的制成不同的形状，图2和图3分别涵盖了两种不同的超声换能器及其所对应的适配件。由于不同的超声换能器42具有不同的超声焦距，而光的聚焦位置f已经由聚光镜43的锥面角度所固定。为了在适用不同的超声换能器42时，不再更换聚光镜43，就需要对超声换能器42的位置进行调整，使得超声的焦点与光的焦点重合。实现声与的光焦点重合，通过对适配件44的内边进行设计，使得超声换能器42的底边不一定与聚光镜43的底边平行，可以有一定距离，这个距离就是超声与光的焦距的差值。为了不让超声换能器42遮挡从聚光镜43出射的光，聚光镜43的f要小于超声换能器42中的最小的焦距值，这样，就能通过适配件44使得超声换能器42不伸出聚光镜43而遮光。

图2和图3表现了两种不同的超声换能器的放置方式，均能达到光声共轴共焦的目的。

在本实施例中，适配件44可以为塑料件。使用塑料制成的适配件，可以最大程度的降低生产成本，且容易制成不同的形状。当然，在其他实施例中，也可以使用其他材质来制成适配件，例如树脂、硅胶等等。

本发明引入了环形光生成元件和与聚光镜和超声换能器相配合的特制适配件，使得能够在不调节聚光镜位置的情况下，生成合适大小的环形光。更换超声换能器后，不需要再调节聚光镜的位置。与聚光镜和超声换能器相配合的适配件，可以是任意与聚光镜中心孔和超声换能器外形相吻合的形状。一个超声换能器对应一个适配件，从而不再需要连聚光镜和夹具一起更换，简单易行。

综上所述，本发明实施例的暗场照明声学分辨率光声显微镜，能够通过新的环形光束获取方式，一次获得满足大于不同横向尺寸的超声换能器的环形光束，从而在更换换能器后，不再需要像已有的暗场照明声学分辨率光声显微镜一样调节聚光镜和锥形透镜之间的距离，以使环形光不被大尺寸的换能器遮挡。同时，能够在不更换夹具和聚光镜的情况下，用低成本的经过设计的适配件耦合超声换能器和聚光镜，从而在进行跨尺度成像时，只需要更换一个适配件和超声换能器即可，不再需要进行额外的调试操作，简单易行，且成本低廉。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种暗场照明声学分辨率光声显微镜，其特征在于，包括激光光源、耦合光路、三维位移平台、光声耦合探头、超声信号收发仪以及控制与数据采集系统；

其中，所述光声耦合探头包括环形光束生成元件、超声换能器、聚光镜以及将所述超声换能器和聚光镜相耦合的适配件；

所述激光光源发射脉冲激光经由所述耦合光路生成平行光，所述平行光经过所述环形光束生成元件形成平行环形光出射，所述平行环形光经所述聚光镜会聚，形成一个光的弱聚焦，所述超声换能器设置在所述聚光镜的中心钻孔处，以实现声与光的共轴共焦；

所述适配件的外径与所述聚光镜的中心钻孔相适配，内径与所述超声换能器相适配，通过对所述超声换能器的位置进行调整，使得超声的焦点与光的焦点重合。

2.根据权利要求1所述的暗场照明声学分辨率光声显微镜，其特征在于，所述环形光束生成元件包括第一锥形反射镜和第二锥形反射镜，所述第一锥形反射镜和第二锥形反射镜的反射面平行，且所述第一锥形反射镜的锥角为45°。

3.根据权利要求2所述的暗场照明声学分辨率光声显微镜，其特征在于，所述第二锥形反射镜为去顶、内空的锥形反射镜。

4.根据权利要求2所述的暗场照明声学分辨率光声显微镜，其特征在于，所述第一锥形反射镜的底面直径比所述适配件的外径大1～10mm。

5.根据权利要求2所述的暗场照明声学分辨率光声显微镜，其特征在于，所述聚光镜为去顶的锥形，其与所述第二锥形反射镜的锥面在底面的投影长度相等。

6.根据权利要求1所述的暗场照明声学分辨率光声显微镜，其特征在于，所述聚光镜的中心钻孔的直径比所述超声换能器的直径大3～5mm。

7.根据权利要求1～6任一项所述的暗场照明声学分辨率光声显微镜，其特征在于，所述将所述超声换能器和聚光镜相耦合的适配件为塑料件，所述塑料件的与所述超声换能器相适配的内径可以制成不同的形状。

8.根据权利要求1～6任一项所述的暗场照明声学分辨率光声显微镜，其特征在于，所述三维位移平台带动所述光声耦合探头进行二维栅格扫描，以获得三维图像所需要的数据。

9.根据权利要求1～6任一项所述的暗场照明声学分辨率光声显微镜，其特征在于，所述超声换能器接收从组织处激发的光声信号，转换为电信号后被所述超声信号收发仪接收并放大。

10.根据权利要求9所述的暗场照明声学分辨率光声显微镜，其特征在于，所述控制与数据采集系统用于以所述激光光源输出的电脉冲信号作为同步信号，对所述超声信号收发仪接收到的电信号进行采集和处理。