CN107677621A - 多光谱光学技术融合的测温装置 - Google Patents
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Abstract
一种多光谱多光学技术融合的测温装置，包括：多光谱可调谐激光器、可变滤光镜、光束整形器、光束二向分束器、参考臂、光谱仪、准直扩束透镜组、针孔光阑、高速扫描振镜、大孔径显微物镜、水槽、超声探测器、高精度温度加热控制器、温度传感器和计算单元；本发明能全面、实时、快速测量肿瘤局部热疗的组织内部温度分布情况，且可对组织在受热过程中，其内部精细形态结构特征信息发生改变进行同时成像与精确测量，实现肿瘤热疗中组织内部结构和组份变化的状态提供快速多维成像。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种光学测温领域的技术，具体是一种多光谱多光学技术融合的测温装置。
背景技术
针对肿瘤瘤位进行热疗是抑制肿瘤生长的重要手段之一，其基本原理主要是利用外部的物理热源对目标进行加热使肿瘤区域温度上升，达到对肿瘤细胞凋亡又不对正常组织造成损伤的治疗目的。然而，在温度不断上升的过程中对目标组织内部的温度变化进行精准、高灵敏检测对提高治疗效果非常关键。传统的核磁共振检测技术可获取高分辨和高对比度的温升图像，但其时间长且价格昂贵，且该方法易受组织电传导系数的影响；近红外热成像只能获取组织的浅表层温度分布的热图像，而不能对组织深处进行检测；超声扫描技术能够提供实时深层组织内部温升图像，但其对比度和温升敏感性却较低。因此，高灵敏、快速而精准地实时监控目标组织内部温升的情况，并获取组织内部温升与目标受热情况下，温度的分布图像来反应组织特性改变与热疗效效果，对临床的肿瘤诊断有着非常重要的意义。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种多光谱光学技术融合的测温装置，不仅能够高分辨、实时、高灵敏、快速测量肿瘤局部热疗的组织内部温度分布情况，而且可获取组织在受热过程中其内部精细形态结构与功能特征信息参数；并采用多光谱测温方法，这种多光谱作为声信号激励源，获取多个波长下的同一样品进行温度检测，从而获取最终的组织温升的情况，能够有助于提高温升检测的精度，降低系统带来的误差；并融合光学相干模块同时成像与精确温升测量，有望成为临床中肿瘤热疗一种稳定可靠的精准探测装置，有益于临床热疗中的方案优化与治疗效果评估。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：多光谱可调谐激光器、可变滤光镜、光束整形器、光束二向分束器、参考臂、光谱仪、准直扩束透镜组、针孔光阑、高速扫描振镜、大孔径显微物镜、水槽、超声探测器、高精度温度加热控制器、温度传感器和计算单元；其中：多光谱可调谐激光器发出的光束经光束二向分束器分离，一部分作为参考光作为参考臂，参考臂与光束二向分束器相连并传输反射参考光信息，经样品反射回来的光与参考臂上参考光经光束二向分束器融合后，形成光程差匹配的干涉信号经光谱仪采集；另一部分光束经过光束二向分束器反射后经准直扩束透镜组与针孔光阑入射到高速扫描振镜再到大孔径显微物镜实现聚焦，高精度温度加热控制器置于水槽底部对样品进行全方位均匀加热，由于待测样品在加热过程中微细形态结构改变而诱导后向散射信号的光沿原光路返回与参考臂中参考光形成干涉信号，干涉信号经光束分光镜入射到光谱仪，光谱仪采集经样品反射回来的光与参考臂上反射光经光束二向分束器融合后，形成光程差匹配的干涉信号，高速扫描振镜再进行横纵向两方向扫描，经计算单元重构出组织断层与三维图像，即组织结构图像；而由聚焦光束诱发的光声信号被置于水槽底部的超声探测器探测并输出至计算单元，重构出样品因温升而改变的光吸收分布图像。
所述的高精度温度加热控制器与水槽连接，输出采集到的模拟检测信号并接收加温指令，并实施对样品进行均匀加热与实时显示温度值。高精度加热块避免了单以一热棒而造成同一目标组织加热不均的因素。
所述的重构，即通过调整参考光的光程实现参考臂的轴向运动，通过对干涉信号进行傅里叶逆变换，从而重建样品因温升而发生的组织形态学结构特征信息的深度方向上的图像，具体是指：通过监测光声信号幅值的变化来反应组织温度的状态，再通过高速振镜扫描实现组织的二维图像，其中采取多光谱可调谐激光器作为激励源诱发的光声信号，由于组织内不同的吸收体对不同光谱所反应的组织的光吸收系数μa、脉冲激光光通量F与组织的温度T和散射系数的差异，声压P满足：P＝ΓμaF，其中：格鲁内森常数Γ＝βc2/cp＝A+BT，A和B为常数，T为组织的温度，声压的表达式可以表达为：P＝(A+BT)μaF；最终获得样品组织因受温而改变的组织结构图像与光吸收分布图像，并进行融合得到其组织图像与温度之间的关系，精确反应样品温升的情况。
优选地，为了进一步提高测量的精准度，采用多光谱模式分别对不同波长组光声信号进行检测，根据简化后的声压P表达式，其检测的组织温度为：T(λ1)＝α1+β1P(λ1)，T(λ2)＝α2+β2P(λ2)，T(λ3)＝α3+β3P(λ3)，T(λn)＝αn+βnP(λn)，其中：α和β是关于入射波长λ、μa与散射系数μs有关的常数，可获取两个波长或两个以上波长检测的温度平均值Tmeans＝f(T(λn),T(λn+1),T(λn+2)...)。
所述的多光谱可调谐激光器，脉冲频率≥20Hz；输出脉冲能量≥20mJ；波长范围：680-970nm及1200-2000nm。
所述的光束二向分束器与针孔光阑之间设有聚焦透镜；所述的准直扩束透镜组和聚焦透镜由单个或者多个焦距分别为30mm和60mm的透镜组成。
所述的温度传感器通过热电偶传感器实现，其测量范围为-50℃～250℃，分辨率小于0.01℃。
技术效果
与现有技术相比，本发明的技术效果包括:
1)本发明采用多光谱可调谐激光器，能有效解决单一波长测温时精度不准的问题，可根据实验的需求选择单点、多点以及大范围样品图像测量，扩大了测量范围；能够有效提高温升检测的准确度，降低单一波长带来的误差。
2)本发明多光谱光学技术融合的测温装置，不仅能获取组织结构形态学特性变化的轴向高分辨组织结构图像，还能够同时获得光声显微光吸收分布图像。弥补了单一模式的图像对组织温升评价的不足，提高了单一系统获得的图像与温升之间匹配的精准度。有望应用于对肿瘤与皮肤疾病热疗的检测与治疗。
3)本发明采用高精度温度加热控制器，避免了样品受热不均的问题，提高了样品受温的稳定性于均匀性，可对样品进行全方位加热，且能够实时显示温度改变的值，能够进一步提高系统测试结果的精准度。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图中：1多光谱可调谐激光器、2可变滤光镜、3光束整形器、4光束二向分束器、5光谱仪、6参考臂、7聚焦透镜、8针孔光阑、9准直扩束透镜组、10高速扫描振镜、11大孔径显微物镜、12样品、13高精度温度加热控制器、14水槽、15超声探测器、16温度传感器、17计算单元；
图2为不同温度下肿瘤部位的图像示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例中多光谱可调谐激光器1作为光源的输出端，输出的平行光束经过可变滤光镜2对能量进行衰减，然后再经过光束整形器4对光束进行整形扩束；然后入射到光束二向分束器4对光束进行分束，一部分光作为光学相干显微模块的参考臂的参考光，一部分光经过聚焦透镜7，再通过深孔光阑8入射到准直扩束透镜组9，实现光束扩束后，入射到高速扫描振镜10，再通过大孔径显微物镜11实现光束聚焦并通过水槽14，聚焦光斑照射到样品12；然后高精度温度加热控制器13开始对水槽中的水进行缓慢加温，让样品能够均匀的受热，同时通过温度传感器显示水槽中的样品的实时温度。当水温开始被加热，样品也因水温上升而开始升温，此时光学相干显微模块与光声显微系统开始采集信号，加热与信号采集同步进行；由温升引起组织结构改变所产生的散射信号原光路返回到光谱仪5采集与存储，以获得光学相干显微图像；由由温升引起组织内部对光吸收分布的光声信号被置于样品底部的超声探测器15接收，并传输到计算单元17中，以获取样品组织的光声显微图像，最终将两种模式下的图像进行融合；并通过多光谱可调谐激光器，选择不同激光波长，进行多次信号采集与图像重建，并于温度传感器16所显示的温度做对应，得出两种模式下图像与温度之间的关系，从而精准反应组织内温升的情况。
本实施例中的多光谱可调谐激光器，脉冲频率≥20Hz；脉冲能量≥20mJ(输出能量)；波长可调范围：680-970nm及1200-2000nm或者同参数的多波长可调谐激光器。
本实施例中的准直扩束透镜组和聚焦透镜由单个或者多个焦距分别为30mm和60mm的透镜组成。
本实施例中的温度传感器通过热电偶传感器实现，其测量范围为-50℃～250℃，分辨率小于0.01℃，配有计算机控制软件，能采集和存储温度数据以及计算单元实时显示温度曲线。
本实施例包括以下具体步骤：
步骤1)选取组织中吸收较强的波长如：560和580nm作为诱发组织产生光声信号的特征波长；
步骤2)在高精度温度加热控制器平均升温0.1℃，分别在多光谱下采集相应的光声信号，经超声探测器接收，并存储计算单元进行数据处理；
步骤3)将第一个波长下采集到的光声信号与温度传感器显示实际的温度进行拟合，并获取在该波长条件下组织温升与光声信号的数学模型；
步骤4)在同样的测试条件与等温度下采集第二波长下的光声信号，并利用第一波长下光声信号计算得出的数学模型推导出组织的温度，并于实际测试的温度进行对比验证。
也可以根据实际被测样品的需要，采用三个或三个以上的特征波长进行如此反复的测试和多组测量温度，并获取平均值。
本实施例采用高精度温度加热控制器均匀的对样品进行加温，让被测样品满足四周均匀缓慢受温的目的，降低系统对结果的影响，提高加温的精度。同时，考虑到温度在水中的传输过程，为了准确反应组织内部实际温度的变化，采用单元或者多元高灵敏性温度传感器，精细反应实际组织内部温升的变化，主要用来反射与光声信号与实际温度拟合结果的验证。
所述的光学相干显微模块在光声显微系统获取图像的同时，且获得每一个特征波长与温度下组织的精细组织形态结构图像，弥补光声显微系统成像模式无法获取轴向高分辨的组织结构图像的缺陷。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (8)
1.一种多光谱多光学技术融合的测温装置，其特征在于，包括：多光谱可调谐激光器、可变滤光镜、光束整形器、光束二向分束器、参考臂、光谱仪、准直扩束透镜组、针孔光阑、高速扫描振镜、大孔径显微物镜、水槽、超声探测器、高精度温度加热控制器、温度传感器和计算单元；其中：多光谱可调谐激光器发出的光束经光束二向分束器分离，一部分作为参考光作为参考臂，参考臂与光束二向分束器相连并传输反射参考光信息，经样品反射回来的光与参考臂上参考光经光束二向分束器融合后，形成光程差匹配的干涉信号经光谱仪采集；另一部分光束经过光束二向分束器反射后经准直扩束透镜组与针孔光阑入射到高速扫描振镜再到大孔径显微物镜实现聚焦，高精度温度加热控制器置于水槽底部对样品进行全方位均匀加热，由于待测样品在加热过程中微细形态结构改变而诱导后向散射信号的光沿原光路返回与参考臂中参考光形成干涉信号，干涉信号经光束分光镜入射到光谱仪，光谱仪采集经样品反射回来的光与参考臂上反射光经光束二向分束器融合后，形成光程差匹配的干涉信号，高速扫描振镜再进行横纵向两方向扫描，经计算单元重构出组织断层与三维图像，即组织结构图像；而由聚焦光束诱发的光声信号被置于水槽底部的超声探测器探测并输出至计算单元，重构出样品因温升而改变的光吸收分布图像。
2.根据权利要求1所述的测温装置，其特征是，所述的高精度温度加热控制器与水槽连接，输出采集到的模拟检测信号并接收加温指令，并实施对样品进行均匀加热与实时显示温度值。
3.根据权利要求1所述的测温装置，其特征是，所述的重构，即通过调整参考光的光程实现参考臂的轴向运动，通过对干涉信号进行傅里叶逆变换，从而重建样品因温升而发生的组织形态学结构特征信息的深度方向上的图像。
4.根据权利要求1所述的测温装置，其特征是，所述的重构，具体是指：通过监测光声信号幅值的变化来反应组织温度的状态，再通过高速振镜扫描实现组织的二维图像，其中采取多光谱可调谐激光器作为激励源诱发的光声信号，由于组织内不同的吸收体对不同光谱所反应的组织的光吸收系数μa、脉冲激光光通量F与组织的温度T和散射系数的差异，声压P满足：P＝ΓμaF，其中：格鲁内森常数Γ＝βc2/cp＝A+BT，A和B为常数，T为组织的温度，声压的表达式可以表达为：P＝(A+BT)μaF；最终获得样品组织因受温而改变的组织结构图像与光吸收分布图像，并进行融合得到其组织图像与温度之间的关系，精确反应样品温升的情况。
5.根据权利要求4所述的测温装置，其特征是，为了进一步提高测量的精准度，采用多光谱模式分别对不同波长组光声信号进行检测，根据简化后的声压P表达式，其检测的组织温度为：T(λ1)＝α1+β1P(λ1)，T(λ2)＝α2+β2P(λ2)，T(λ3)＝α3+β3P(λ3)，T(λn)＝αn+βnP(λn)，其中：α和β是关于入射波长λ、μa与散射系数μs有关的常数，可获取两个波长或两个以上波长检测的温度平均值Tmeans＝f(T(λn),T(λn+1),T(λn+2)...)。
6.根据权利要求1所述的测温装置，其特征是，所述的多光谱可调谐激光器，脉冲频率≥20Hz；输出脉冲能量≥20mJ；波长范围：680-970nm及1200-2000nm。
7.根据权利要求1所述的测温装置，其特征是，所述的光束二向分束器与针孔光阑之间设有聚焦透镜；所述的准直扩束透镜组和聚焦透镜由单个或者多个焦距分别为30mm和60mm的透镜组成。
8.根据权利要求1所述的测温装置，其特征是，所述的温度传感器通过热电偶传感器实现，其测量范围为-50℃～250℃，分辨率小于0.01℃。
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