CN105698921A - 基于高速显微成像和声学检测的光声空化瞬态过程研究的实验装置 - Google Patents

基于高速显微成像和声学检测的光声空化瞬态过程研究的实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于高速显微成像和声学检测的光声空化瞬态过程研究的实验装置，主要包括光声空化模块、光学显微成像模块、声学检测模块、激光信号检测模块、时序控制模块和三维微调模块。本发明能够同时引入激光和超声于液体内诱导空化发生，并可同时通过高速显微成像和声学检测对该空化的物理瞬态过程进行研究，为光声空化进一步在生物医学领域的应用提供理论基础和参考依据。

Description

基于高速显微成像和声学检测的光声空化瞬态过程研究的实验装置
技术领域
本发明涉及一种基于高速显微成像和声学检测的光声空化瞬态过程研究的实验装置。
背景技术
空化现象由于其生物学效应在生物医学领域一直备受关注。目前生物组织内空化的方式主要有声空化和激光空化两种：声空化已广泛应用于超声波碎石、组织消融、细胞破碎、血栓溶解和溶血反应等；而激光空化主要应用于细胞或者亚细胞水平的显微手术，如组织消融、细胞或细胞器失活、光穿孔和光转染等。由于组织中不存在或者空化核较少，组织中的空化阈值非常高，并且声空化发生的时间和空间位置存在随机性，从而导致空化区域周围组织附加损伤大和空化难以控制等问题，限制了组织中空化效应的应用。
为了降低组织中的空化阈值、减小附加损伤和实现空化发生的可控性，目前常用方法是添加人工空化核，如造影微泡、纳米粒子等，但是这些方法需要将人工空化核注入血液循环系统，操作复杂且需要考虑空化核的毒性、效率等问题。
光声空化作为一种新型诱导空化的方式，通过同时引入激光和超声，利用两者的协同作用诱导空化。目前亟需提出一种用于研究光声空化瞬态过程的实验装置，以便进一步揭示光声空化的机制，为降低空化阈值、减小附加损伤和实现空化发生的可控性以及增强空化治疗的效率提供依据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于高速显微成像和声学检测的光声空化瞬态过程研究的实验装置，实现同时引入激光和超声诱导空化，并同时运用高速显微成像和声学检测对空化瞬态过程进行监控，可用于研究共聚焦的激光和超声诱导空化的过程和该过程中发射的声学信号的特征。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
该实验装置包括激光发生器、超声换能器、装载数据采集卡的计算机、用于放置空化作用对象的可透光以及透声的微通道、光学显微成像平面可在所述微通道内调节的光学显微系统、用于采集所述光学显微成像平面图像的高速相机、用于检测所述微通道处声信号的针式水听器以及用于控制所述激光发生器、超声换能器、高速相机以及装载数据采集卡的计算机的触发时序的多通道波形发生器，所述针式水听器检测的声信号由所述装载数据采集卡的计算机进行采集、输出和存储，所述激光发生器发出的激光通过所述光学显微系统与所述超声换能器发射的聚焦超声波共聚焦于所述空化作用对象。
所述实验装置还包括图像采集计算机、脉冲发射器、前置放大器以及用于检测激光信号的光电探测器，所述光电探测器以及前置放大器与所述装载数据采集卡的计算机相连，所述针式水听器与所述前置放大器相连，所述脉冲发射器与所述超声换能器相连，所述图像采集计算机与所述高速相机相连，所述多通道波形发生器分别与所述高速相机、激光发生器、脉冲发射器以及装载数据采集卡的计算机相连。
所述实验装置还包括水槽以及设置于所述水槽内的用于固定所述微通道的微通道平移台，所述水槽的外侧设置有与所述微通道的入口以及出口分别相连的微量注射泵以及废液收集器。
所述水槽上设置有两个开口，其中一个开口位于所述水槽的底面，另一个开口位于所述水槽的侧面，所述两个开口的中轴线相交于一点，所述光学显微系统的物镜设置于所述水槽底面的开口处，所述超声换能器设置于所述水槽侧面的开口处。
所述微通道平移台包括呈U字型的底座以及插板，所述底座固定于所述水槽的底面上，所述插板的边沿插入所述底座上的插槽内，所述插板上设置有支撑台，所述微通道通过支撑台支撑在所述物镜上方。
所述实验装置还包括三维平移台以及与三维平移台相连的支架，所述水槽设置于所述支架上。
所述光学显微系统采用装载水镜的倒置光学显微系统，所述激光为脉冲激光，所述聚焦超声波的声学参数可调，脉冲激光与聚焦超声波相位差可调。
本发明的有益效果体现在：
本发明建立了一种基于高速显微成像和声学检测的光声空化瞬态过程研究的实验装置，实现同时引入激光和超声诱导空化发生，可同时运用高速显微成像和声学检测对空化瞬态过程进行监控，观测在激光和超声协同作用下诱导空化的物理过程，获取空化过程发射的声学信号，为阐明光声空化的机理、建立光声空化模型、确定影响参数等相关研究提供理论基础和参考数据。
附图说明
图1是光声空化实验系统示意图；
图2是水槽的结构示意图；其中，(a)为主视图，(b)为俯视图；
图3是微通道平移台的结构示意图；其中，(a)为底座主视图，(b)为底座左视图，(c)为底座俯视图，(d)为插板主视图，(e)为插板左视图，(f)为插板俯视图；
图4是激光和超声共聚焦设置的实验系统示意图；
图5是激光和超声共聚焦设置的步骤和原理框图；其中，F0：超声焦距，Cl：超声在水中传播速度，PA：原始超声波幅值，PR：反射超声波幅值；
图6是光声空化实验系统的工作时序图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
本发明申请人通过对光学显微系统进行改造，构建了可实现光声空化并同时可实时监控空化瞬态过程的实验装置。该装置可同时引入共聚焦的激光和超声于液体中诱导空化(光声空化)，并且采用光学显微成像和声学检测两种方式获取不同激光、超声和环境温度等实验参数条件下，光声空化动力学过程的高速图像以及空化过程中发射的声学特征信号，两种检测结果相互印证，对液体在激光和超声协同作用下诱导空化的物理现象进行研究，为其在生物医学领域的潜在应用提供研究手段和监控方法。
首先对整个实验系统进行说明，参见图1，本发明所述基于高速显微成像和声学检测的光声空化瞬态过程研究的实验装置包括以下组件：装载水镜的倒置光学显微系统1、支架2、微通道3、微量注射泵4、废液收集器5、激光发生器6、准直器7、超声换能器8、脉冲发射器9、高速相机10、图像采集计算机11、针式水听器12、前置放大器13、装载数据采集卡的计算机14、光电检测器15、多通道波形发生器16、三维平移台17以及水槽21。上述组件按照功能可划分至以下几个模块中：光声空化模块、光学显微成像模块、声学检测模块、激光信号检测模块、时序控制模块和三维微调模块。
实验装置的光声空化模块包括装载水镜的倒置光学显微系统1、水槽21、微通道3(内直径为200微米左右)、微量注射泵4、废液收集器5、激光发生器6、准直器7、超声换能器8以及脉冲发射器9。水槽21设置于支架2上，支架2左侧存在螺孔可固定支架2于三维平移台17之上，水槽21通过支架2固定在三维平移台17之上；微通道3固定于水槽21内底部的微通道平移台上，微通道3入口和出口通过管路分别与设置在水槽21外的微量注射泵4和废液收集器5相连；装载水镜的倒置光学显微系统1位于微通道3正下方，激光发生器6发射的激光(例如纳秒级脉冲激光)先通过准直器7后由装载水镜的倒置光学显微系统1的物镜聚焦于光学显微成像平面；脉冲发生器9激励超声换能器8发射声压、周期数和脉冲重复频率等声学参数可调的聚焦超声波。实验时，启动微量注射泵4使液体由微通道3入口注入，经过微通道3内部，从微通道3出口流出至废液收集器5，关闭微量注射泵4，待微通道3内液体处于平衡静止状态，然后以一定时序触发激光发生器6和脉冲发射器9，发射的激光和超声同时作用于微通道3内的液体，诱导光声空化发生，完成光声空化实验后更新微通道3内部的液体，以便进行下一次光声空化实验。
参见图1，光学显微成像模块主要由所述装载水镜的倒置光学显微系统1、高速相机10和图像采集计算机11组成。声学检测模块主要由针式水听器12、前置放大器13和装载数据采集卡的计算机14组成。激光信号检测模块主要由光电探测器15和所述装载数据采集卡的计算机14组成。实验装置中的光学显微成像模块、声学检测模块和激光信号检测模块构成了光声空化的检测系统。光学显微成像模块中，高速相机10设置于装载水镜的倒置光学显微系统1下端右侧接口，并与图像采集计算机11相连；声学检测模块中，针式水听器12位于光声空化发生位点左上方约5mm处，用于检测光声空化过程中发射的声学信号，并通过前置放大器13后接入所述装载数据采集卡的计算机14进行信号采集、输出和保存；激光信号检测模块中，光电检测器15位于激光焦点正上方10cm处，用于检测激光信号，并与所述装载数据采集卡的计算机14相连进行信号采集、输出和保存。实验时，通过触发高速相机10和所述装载数据采集卡的计算机14，不仅可同时对微通道3内的光声空化进行光学和声学监控，并且可对激光信号进行检测，例如，利用装载水镜的倒置光学显微系统1对空化过程进行放大和观测，利用高速相机10捕获光声空化过程中的瞬态图像，并在图像采集计算机11中进行图像输出和保存。利用针式水听器12对光声空化过程中发射的声学信号进行检测，前置放大器13放大信号后由所述装载数据采集卡的计算机14对信号进行采集(利用数据采集卡将模拟信号转化为数字信号)、输出和保存。利用光电探测器15将激光信号转化为电信号，并利用所述装载数据采集卡的计算机14对信号进行采集、输出和保存，从而能够监控激光作用微通道3内液体的时间，为分析针式水听器所获取的声学信号提供时间参考点。
三维微调模块主要由所述装载水镜的倒置光学显微系统1、水槽21、支架2和三维平移台17等组成。参见图2a以及图2b，在水槽21底部开口，水槽21底部开口处设置所述装载水镜的倒置光学显微系统1的物镜，并使用弹性较好的薄膜对所述物镜与水槽21底部开口边缘之间进行密封，可允许光学显微成像和聚焦激光引入微通道3，在水槽21右侧上方开口，放置超声换能器8，以允许聚焦超声引入微通道3。两个开口22的中轴线相交于一点，并且相交点距离水槽21上激光和超声引入接口(指上文两个开口22)的距离分别粗略地等于激光和超声的焦距，以便后续通过三维平移台17精确调节，从而进行激光和超声的共聚焦设置。微通道3的材质选用透光性和透声性能都较好的材料，例如，纤维素材料。本实验装置采用透光性和透声性能都较好的微通道3作为空化作用对象的载体，有利于研究在受限空间内光声空化的动力学过程。例如将光声空化定位于微通道壁附近能够研究空化泡对其周围界面的作用模式和物理机制。
参见图3(a)～(f)，微通道平移台可将微通道3固定于水槽21内，微通道平移台包括呈U字型的底座以及插板，底座固定于水槽21内(水槽21内底部具有固定底座四个角的卡子25，参见图2(a)、图2(b))，插板的边沿插入底座上的插槽23内，使微通道平移台整体形状呈“U”型，以便所述装载水镜的倒置光学显微系统1的物镜的放置，插板上设置有支撑台24，通过支撑台24将微通道3支撑在所述物镜上方。插板可在底座上左右滑动，以便实验中粗略地调节微通道3的位置。
实验装置工作前需调整超声换能器8位置使超声与激光共焦点，具体的共聚焦设置原理如下：由于激光聚焦于装载水镜的倒置光学显微系统1的光学显微成像平面，因此调整微通道3的位置和装载水镜的倒置光学显微系统1的焦平面，使微通道3在装载水镜的倒置光学显微系统1的光学显微成像平面，即可确保激光焦点在微通道3内；然后将聚焦超声聚焦于微通道3内，即可最终实现激光和超声的共聚焦设置。激光和超声共聚焦设置的实验系统参见图4，光学显微成像模块中高速相机10设置于装载水镜的倒置光学显微系统1下端右侧接口并与图像采集计算机11相连，以便直接观察微通道3的位置和状态。超声换能器8采用自发自收模式，首先在脉冲发射器9驱动下发射聚焦超声波，超声波经由微通道3与水槽21内除气水的界面反射后再由超声换能器8接收，并通过双通器18和功率放大器19后显示于示波器20上。调节超声换能器8的位置，并根据超声波的反射信号的变化确定超声焦点与微通道3之间的相对位置。
激光和超声共聚焦设置的实施步骤如下：首先通过所述微通道平移台和三维平移台17调整微通道3的位置，使其在装载水镜的倒置光学显微系统1的成像平面，确保激光聚焦于微通道3内。对于超声聚焦于微通道3，参见图5：第一步，通过微量注射泵4将微通道3内注满空气，超声换能器8采用自发自收模式，观察示波器20中超声波在气-液界面的反射信号，并轻微调整超声换能器8与微通道3的距离，直到反射信号幅值最大，并且反射信号和原始信号的时间差Δt等于超声在水中传播2倍的超声换能器焦距的路程所需时间；第二步，向微通道3内注入除气水，示波器20上超声波反射信号消失，即可确定超声聚焦于微通道3；第三步，通过微量注射泵4在微通道3内的激光焦点处形成气液界面，同时微调三维平移台17，直到示波器20上超声波反射信号幅值为微通道3内充满空气时的超声波反射信号幅值的一半，即可确保激光焦点位于聚焦超声焦点的中轴处(激光焦点远小于超声焦点)。经过上述三步即可完成激光和超声的共聚焦设置。
时序控制模块主要由所述激光发生器6、脉冲发射器9、高速相机10、装载数据采集卡的计算机14和多通道波形发生器16组成。多通道波形发生器16的四个触发输出接口分别与激光发生器6、脉冲发射器9、高速相机10、装载数据采集卡的计算机14四个组件的触发输入接口相连，并在多通道波形发生器内编写脉冲触发时序控制激光、超声、高速显微成像和声学检测的触发。
实验时为了确保激光和超声同时作用于微通道3内的液体和确保高速显微成像和声学检测可监控瞬态的光声空化过程，实验中通过多通道波形发生器16控制激光、超声、光学显微成像模块和声学检测模块的触发时序。参见图6，以光声空化发生时刻为时间参考点，考虑到超声的传播时间和激光发生器的延时，所以超声和激光分别提前tA和tL触发，以确保激光和超声同时作用于微通道3内液体。为了确保观察到光声空化的瞬态过程，高速相机和数据采集(例如声学检测)都提前tB触发。实验时发现控制激光作用于超声负压相时，不仅可进一步降低光声空化阈值，而且能够在高速显微成像中观察到半径较大的空化泡。
本发明中，通过改造倒置显微成像系统和设计与制作水槽、水槽支架和微通道平移台，可同时引入共聚焦的激光和超声作用于微通道内的液体诱导空化现象；实验中一方面可利用高速显微成像系统对空化过程进行直观的观测并记录，另一方面可利用声学检测系统对空化过程中发射的声学信号进行检测；通过时序控制，可确保激光和超声同时作用于液体以及可确保高速相机和数据采集记录瞬态的空化过程。该发明中，低能量的纳秒级脉冲激光通过光学显微系统的物镜引入，可确保物镜聚焦后的激光焦点始终在显微成像平面，因此实验中可通过调节显微成像平面精确控制激光作用位点；聚焦超声从右上方引入可减少水槽底部和物镜等界面的超声反射信号影响，调节超声换能器位置可使超声和激光共焦点。在选择微通道的制作材料时，充分考虑材料的透光性和透声性，减少激光和超声在传播过程中的损失。实验时，液体通过微量注射泵注入微通道内，待微通道内液体静止后，通过多通道波形发生器控制激光和超声同时作用于液体诱导空化现象。以倒置光学显微系统、高速相机和计算机为成像系统，利用光学显微系统对空化过程进行放大和观测，利用高速相机捕获瞬态的空化过程，并在计算机中进行图像输出和保存；同时以针式水听器、前置放大器、装载数据采集卡的计算机为声学检测系统，对空化过程中发射的声学信号进行采集、输出和保存。
通过实验，对共聚焦的激光和超声协同作用于液体中诱导空化的瞬态过程进行研究，实现了液体中光声空化的显微可视化，可直观观察光声空化过程以及激光和超声对空化的影响；通过声学检测方法同时获取光声空化过程中发射的声学信号，研究光声协同作用条件下空化过程的声学信号特征。两种检测方法同时监控光声空化过程，从光学和声学同时揭示空化过程特征，并且两种检测结果相互印证，为降低空化阈值、减小附加损伤和实现空化发生的可控性提供依据，为光声空化物理机制及其在生物医学领域的潜在应用提供研究手段和监控手段。

Claims (7)

1.基于高速显微成像和声学检测的光声空化瞬态过程研究的实验装置，其特征在于：该实验装置包括激光发生器(6)、超声换能器(8)、装载数据采集卡的计算机(14)、用于放置空化作用对象的可透光以及透声的微通道(3)、光学显微成像平面可在所述微通道(3)内调节的光学显微系统(1)、用于采集所述光学显微成像平面图像的高速相机(10)、用于检测所述微通道(3)处声信号的针式水听器(12)以及用于控制所述激光发生器(6)、超声换能器(8)、高速相机(10)以及装载数据采集卡的计算机(14)的触发时序的多通道波形发生器(16)，所述针式水听器(12)检测的声信号由所述装载数据采集卡的计算机(14)进行采集、输出和存储，所述激光发生器(6)发出的激光通过所述光学显微系统(1)与所述超声换能器(8)发射的聚焦超声波共聚焦于所述空化作用对象。
2.根据权利要求1所述基于高速显微成像和声学检测的光声空化瞬态过程研究的实验装置，其特征在于：所述实验装置还包括图像采集计算机(11)、脉冲发射器(9)、前置放大器(13)以及用于检测激光信号的光电探测器(15)，所述光电探测器(15)以及前置放大器(13)与所述装载数据采集卡的计算机(14)相连，所述针式水听器(12)与所述前置放大器(13)相连，所述脉冲发射器(9)与所述超声换能器(8)相连，所述图像采集计算机(11)与所述高速相机(10)相连，所述多通道波形发生器(16)分别与所述高速相机(10)、激光发生器(6)、脉冲发射器(9)以及装载数据采集卡的计算机(14)相连。
3.根据权利要求1所述基于高速显微成像和声学检测的光声空化瞬态过程研究的实验装置，其特征在于：所述实验装置还包括水槽(21)以及设置于所述水槽(21)内的用于固定所述微通道(3)的微通道平移台，所述水槽(21)的外侧设置有与所述微通道(3)的入口以及出口分别相连的微量注射泵(4)以及废液收集器(5)。
4.根据权利要求3所述基于高速显微成像和声学检测的光声空化瞬态过程研究的实验装置，其特征在于：所述水槽(21)上设置有两个开口(22)，其中一个开口位于所述水槽(21)的底面，另一个开口位于所述水槽(21)的侧面，所述两个开口的中轴线相交于一点，所述光学显微系统(1)的物镜设置于所述水槽(21)底面的开口处，所述超声换能器(8)设置于所述水槽(21)侧面的开口处。
5.根据权利要求3所述基于高速显微成像和声学检测的光声空化瞬态过程研究的实验装置，其特征在于：所述微通道平移台包括呈U字型的底座以及插板，所述底座固定于所述水槽(21)的底面上，所述插板的边沿插入所述底座上的插槽(23)内，所述插板上设置有支撑台(24)，所述微通道(3)通过支撑台(24)支撑在所述物镜上方。
6.根据权利要求3所述基于高速显微成像和声学检测的光声空化瞬态过程研究的实验装置，其特征在于：所述实验装置还包括三维平移台(17)以及与三维平移台(17)相连的支架(2)，所述水槽(21)设置于所述支架(2)上。
7.根据权利要求1所述基于高速显微成像和声学检测的光声空化瞬态过程研究的实验装置，其特征在于：所述光学显微系统(1)采用装载水镜的倒置光学显微系统，所述激光为脉冲激光，所述聚焦超声波的声学参数可调，脉冲激光与聚焦超声波相位差可调。
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