CN107941708A - 基于微机电扫描振镜的小型光学分辨率光声显微镜 - Google Patents

Abstract

基于微机电扫描振镜的小型光学分辨率光声显微镜，属于自动控制及成像技术领域。包括光源组件、单模光纤耦合组件、光束扫描组件、反射式支架4‑1、信号采集组件和计算机，计算机控制光源组件发射的脉冲激光通过单模光纤耦合组件准直后进入光束扫描组件，光束扫描组件包括微机电扫描振镜3‑4和函数发生器3‑5，计算机通过函数发生器3‑5控制微机电扫描振镜3‑4转动，进入光束扫描组件的脉冲激光经微机电扫描振镜3‑4反射后再经过反射式支架4‑1与目标物体反应产生光声信号，光声信号经透光反声的薄片反射后被信号采集组件采集并传送到计算机进行保存和处理。本发明体积小、重量轻，具有较大的扫描范围和较高的扫描精度。

Description

基于微机电扫描振镜的小型光学分辨率光声显微镜

技术领域

本发明涉及自动控制及成像技术领域，具体涉及一种基于微机电(MEMS)扫描振镜的小型光学分辨率光声显微镜。

背景技术

光学分辨率光声显微镜是近十年来新兴的一种具有高分辨率和高对比度的无损医学成像技术，广泛应用于各种医学研究中。与传统的光学显微镜不同，光学分辨率光声显微镜需要通过逐点扫描的方式获取图像，因此高精度的扫描机制对光学分辨率光声显微镜至关重要。目前，国内外应用光学分辨率光声显微镜对目标物体成像时，应用高性能步进电机或者扫描振镜是实现高精度扫描最为常用的方法。然而这些扫描机制通常体积较大且重量较重，目前仍难以满足很多医学应用中对体积小，重量轻的便携式成像系统的迫切需求。

针对以上的问题，国内外的很多研究小组提出了很多解决方案，例如应用磁力驱动的扫描振镜同时扫描聚焦的激光束和超声波实现二维扫描，以此搭建一套小型化的光学分辨率光声显微镜，相对于传统的光学分辨率光声显微镜，体积得到了一定程度的减小，可以手持，但依然比较笨重，且图像质量有较大损失，因而仍无法应用于内窥成像，口腔检查以及活体小动物自由移动脑成像等应用中。

发明内容

为了解决上述光学分辨率光声显微镜中存在的这些问题，本发明提供一基于微机电扫描振镜的小型光学分辨率光声显微镜，相对于现有的小型化光学分辨率光声显微镜，该系统体积更小重量更轻，结构简单紧凑易于组装调试，成本低廉，而且图像质量与传统的电机式扫描系统相比，仍保持在较高分辨率水平，能够广泛适用于临床医学应用及医疗研究工作中。

本发明的技术方案为：

一种基于微机电扫描振镜的小型光学分辨率光声显微镜，包括光源组件、单模光纤耦合组件、光束扫描组件、反射式支架4-1、信号采集组件和计算机，所述光束扫描组件包括微机电扫描振镜3-4和函数发生器3-5，所述函数发生器3-5分别与所述计算机和所述微机电扫描振镜3-4连接，所述计算机通过所述函数发生器3-5控制所述微机电扫描振镜3-4转动；所述计算机与所述光源组件和信号采集组件电气连接，控制所述光源组件发射脉冲激光和保存并处理所述信号采集组件采集的数据；所述反射式支架4-1为内部充满透明的超声耦合液4-2的封闭腔体，包括进光口4-5和出光口4-4，目标物体设置在所述出光口4-5，所述反射式支架4-1内设置有透光反声的薄片4-3；

所述光源组件发射的脉冲激光通过所述单模光纤耦合组件准直后进入所述光束扫描组件并照射到所述微机电扫描振镜3-4表面，经所述微机电扫描振镜3-5反射后从所述反射式支架4-1的进光口4-5进入所述反射式支架4-1，从所述反射式支架4-1的出光口4-4射出并照射在目标物体表面产生光声信号；所述光声信号经过所述反射式支架4-1内透光反声的薄片反射后被所述信号采集组件采集。

具体的，所述反射式支架4-1的进光口4-5和出光口4-4均利用透明材料密封，所述脉冲激光经过所述透明材料不损失能量。

具体的，所述光源组件包括脉冲激光器1，所述脉冲激光器1产生脉宽在1ns-10ns之间，重频在1Khz-100Khz之间，波长根据成像目标确定的脉冲激光。

具体的，所述单模光纤耦合组件包括空间光滤波器2-1、准直透镜2-2、物镜2-3、单模光纤耦合调整架2-4、单模光纤2-5和单模光纤准直透镜2-6，所述脉冲激光器1、空间光滤波器2-1、准直透镜2-2、物镜2-3和单模光纤耦合调整架2-4共轴安装，所述脉冲激光依次通过所述空间光滤波器2-1、准直透镜2-2、物镜2-3和单模光纤耦合调整架2-4后进入所述单模光纤2-5，经所述单模光纤2-5后的脉冲激光通过所述单模光纤准直透镜2-6进入所述光束扫描组件。

具体的，所述光束扫描组件还包括透镜3-2和反射棱镜3-3，所述进入光束扫描组件的脉冲激光经所述透镜3-2聚焦后再经过所述反射棱镜3-3反射至所述微机电扫描振镜3-4表面。

具体的，所述光束扫描组件还包括光路支架3-1，所述单模光纤准直透镜2-6、透镜3-2、反射棱镜3-3和微机电扫描振镜3-4共轴安装在所述光路支架上。

具体的，所述信号采集组件包括依次电气连接的超声探测器5-1、信号放大器5-2和数据采集卡5-3，所述超声探测器5-1设置在所述反射式支架4-1上，其接收器穿过所述反射式支架4-1的侧壁与所述超声耦合液4-2接触，所述超声探测器5-1探测所述光声信号，所述光声信号经所述信号放大器5-2放大后被所述数据采集卡5-3采集，所述数据采集卡5-3与所述计算机6电气连接。

具体的，所述反射式支架4-1为矩形腔体，所述透光反射的薄片4-3分别与所述反射式支架4-1的出光口4-4所在的侧壁和设置所述超声探测器5-1的侧壁成45°角。

本发明的工作过程为：

计算机控制光源组件发射脉冲激光，通过单模光纤耦合组件准直后进入光束扫描组件照射到微机电扫描振镜3-4表面，由计算机控制光束扫描组件对成像目标进行扫描，即微机电扫描振镜4-3由计算机6通过函数发生器3-5控制其扫描范围，扫描速度，以及扫描轨迹等参数；经微机电扫描振镜3-5反射后的脉冲激光从反射式支架4-1的进光口进入反射式支架4-1，通过反射式支架4-1后从其出光口射出并照射在目标物体表面产生声光信号；声光信号经过反射式支架4-1内透光反声的薄片反射后被信号采集组件采集并传送至计算机进行处理，重建出成像目标的图像。

本发明的有益效果为：本发明利用微机电扫描振镜3-4实现了小型化的二维光束扫描，并使用超声探测器5-1探测超声信号，有效的减小了系统的体积和重量，而且结构小巧紧凑，调试和使用简单方便，易于应用和推广。另外本发明中使用的基于电热效应的微机电扫描振镜具有扫描范围大，精度高的特点，相比于其他的小型化光学分辨率光声显微镜，本发明具有更大的扫面范围和更高的分辨率，能更有效地满足临床应用及生物医学基础研究中对便携式高分辨率成像系统的迫切需求。

附图说明

图1是实施例1中提供的基于微机电扫描振镜的小型光学分辨率光声显微镜的结构示意图。

附图标记：脉冲激光器1，空间光滤波器2-1，准直透镜2-2，物镜2-3，单模光纤耦合调整架2-4，单模光纤2-5，单模光纤准直透镜2-6，光路支架3-1，透镜3-2，反射棱镜3-3，微机电扫描振镜3-4，函数发生器3-5，反射式支架4-1，超声耦合液4-2，透光反声的薄片4-3，超声探测器5-1，信号放大器5-2，数据采集卡5-3，计算机6。

图2是利用实例1的装置对埋在琼脂内部的碳纤维丝成像的图像。

图3是利用实例1的装置对活体小鼠耳朵血管所成的最大值投影图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例详细描述本发明。

实施例1

如图1所示为本实施例中提供的基于微机电扫描振镜的小型光学分辨率光声显微镜的结构示意图，包括光源组件、单模光纤光耦合组件、光束扫描组件、信号采集组件和计算机，其中，光源组件由脉冲激光器1组成，并与计算机6电气连接，脉冲激光器1用于产生脉宽在1ns-10ns之间，重频在1Khz-100Khz之间，波长根据成像目标确定的脉冲激光。单模光纤耦合组件中空间光滤波器2-1，准直透镜2-2，物镜2-3，单模光纤耦合调整架2-4依次与脉冲激光器1共轴安装组成，并通过单模光纤2-5和单模光纤准直透镜2-6与光路支架3-1相连接；光路支架3-1同时也用于固定小透镜3-2，小型直角反射棱镜3-3及微机电扫描振镜3-4，并且确保这些元器件与单模光纤准直透镜2-6处于同一主光轴上。计算机6通过多功能函数发生器3-5控制微机电扫描振镜3-4的扫描动作；光路支架3-1通过反射式支架4-1与小型平场超声探测器5-1组合在一起，反射式支架4-1为内部充满透明的超声耦合液4-2的封闭腔体，包括进光口4-5和出光口4-4，目标物体设置在出光口4-4，进光口4-5和出光口4-4均利用透明材料密封，且透明材料为脉冲激光经过不损失能量的材料，反射式支架4-1内设置有透光反声的薄片4-3，小型平场超声探测器5-1安装在反射式支架4-1上并通过透光反声的薄片4-3使得其中心轴和光路的主光轴重合，本实施例中反射式支架4-1为矩形腔体，透光反射的薄片4-3与反射式支架4-1设置小型平场超声探测器5-1的侧面成45°角，使得光声信号经过透光反声的薄片4-3反射后能被小型平场超声探测器探测并将探测到的光声信号通过信号放大器5-2放大后由数据采集卡5-3传输到计算机6。

其中脉冲激光器1选用CryLas公司的FDSS-Q3-532激光器，可产生波长532nm，脉冲宽度<2ns，最高重频2500Hz的激光脉冲，并在输出脉冲激光的同时发出同步脉冲信号；脉冲激光的能量通过单模光纤耦合组件进入单模光纤2-5，通过依次单模光纤准直透镜2-6，小透镜3-2及小型直角反射棱镜3-3到达微机电扫描振镜3-4。其中小透镜3-2的焦距较长，使得被聚焦的激光束在经过小型直角反射棱镜3-3和微机电扫描振镜3-4两次反射之后才会汇聚为一点。由微机电扫描振镜3-4反射的聚焦激光束透过充满探测器支架4-1内部的透明超声耦合液4-2和透光反声的薄片4-3聚焦到放置在探测器支架4-1端面上的目标物体上，产生光声信号；光声信号产生之后，由小型平场超声探测器5-1进行探测，经过放大器5-2放大后传输到数据采集卡5-3，并在脉冲激光器同步脉冲的触发下将数据记录并保存到计算机6中，完成了对一个扫描点的信号采集。

计算机内装有采集控制软件和数据处理软件，采集控制软件可以是Labview软件，数据处理软件可以是Matlab软件；采集控制软件用于控制光束扫描组件对成像目标进行扫描，以及信号采集组件采集成像区域内每一个扫描点处的光声信号；数据处理软件对采集到的光声信号进行处理，重建出成像目标的图像。

微机电扫描振镜系统3-4选用的是无锡微奥科技有限公司的WM-LS-5微型扫描振镜，在计算机6的控制下，聚焦激光束对成像区域进行光栅式扫描，并在扫描轨迹上的各个扫描点处激发光声信号，这些信号通过探测器支架4-1中的超声耦合液4-2传播，并被透光反声的薄片4-3反射，最终传输到小型平场超声探测器5-1；探测到的光声信号经过放大器5-2放大后由数据采集卡5-3记录并保存到计算机6中，由计算机6通过数据处理软件对光声信号数据进行处理并得到目标物体的图像。

本实施例的工作过程为：脉冲激光器1发出脉冲激光，经过孔径光阑，空间光滤波器2-1，准直透镜2-2和物镜2-3后，通过单模光纤耦合调整架2-4进入单模光纤2-5；单模光纤2-5通过单模光纤准直透镜2-6连接到光束扫描组件，从单模光纤2-5中输出的激光束经过单模光纤准直透镜2-6准直后先通过透镜3-2聚焦，再由反射棱镜3-3反射到微机电扫描振镜3-4表面；这其中透镜3-2的焦距较长，使得被透镜3-2聚焦的激光束在经过反射棱镜3-3和微机电扫描振镜3-4两次反射之后才会汇聚为一点；由微机电扫描振镜3-4反射的聚焦激光束穿过反射式支架4-1内部透明的超声耦合液4-2及透光反声的薄片4-3聚焦到目标物体上，产生光声信号；聚焦的脉冲激光束在计算机6通过函数发生器3-5控制微机电扫描振镜3-4的驱动下对成像区域做光栅式扫描，扫描过程中各个扫描位置产生的光声信号通过超声耦合液4-2进行传播，并被反射式支架4-1内部透光反声的薄片4-3反射到超声探测器5-1处；超声探测器5-1探测到的光声信号经过信号放大器5-2预处理后再由数据采集卡5-3采集，并被存储到计算机6中进行数据处理。在扫描及信号采集的过程中，微机电扫描振镜4-3由计算机6通过函数发生器3-5控制其扫描范围，扫描速度，以及扫描轨迹等参数，同时计算机6还控制着激光器1的脉冲输出和数据采集卡5-3的信号采集，扫描过程中的扫描步长，范围，采样点数等系统参数可以根据实际情况进行选择。

实施例2应用本发明的方法和装置对埋在琼脂内部的碳纤维丝进行成像

利用实施例1的装置按照对埋在琼脂内部的碳纤维丝进行成像，其中脉冲激光器输出的波长为532nm，脉宽2ns，重复频率2000Hz，扫描范围为2.5mm，扫描步长为5μm，共采集500组信号，得到如图2所示的图像，由图像可以看出，琼脂中的碳纤维丝可以很清晰的被观察到，说明本发明的方法和装置能够得到对较大成像区域内的目标物体进行清晰的成像。

实施例3应用本发明的方法和装置对活体小鼠耳朵血管进行成像

利用实施例1的装置对活体小鼠耳朵血管进行成像，其中脉冲激光器输出的波长为532nm，脉宽2ns，重复频率2500Hz，二维扫描振镜系统沿成像区域的直径进行扫描，扫描范围为2.5mm，扫描步长为5μm，共采集500组信号，得到如图3所示的图像，由图像可以看出，活体小鼠耳朵中的毛细血管被清晰的呈现出来，说明本发明的方法和装置能够以很高的分辨率对目标物体成像。

本发明在光学分辨率光声显微镜中利用微机电扫描振镜，可以大幅减小系统的体积，本实施例中系统的体积在15mm见方左右，而通常的光声显微成像系统都在20cm*20cm*20cm左右，由于体积减小，系统可以更灵活更轻便，从而实现传统的光声显微成像系统无法实现的应用或者功能。

本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.基于微机电扫描振镜的小型光学分辨率光声显微镜，其特征在于，包括光源组件、单模光纤耦合组件、光束扫描组件、反射式支架(4-1)、信号采集组件和计算机，所述光束扫描组件包括微机电扫描振镜(3-4)和函数发生器(3-5)，所述函数发生器(3-5)分别与所述计算机和所述微机电扫描振镜(3-4)连接，所述计算机通过所述函数发生器(3-5)控制所述微机电扫描振镜(3-4)转动；所述计算机与所述光源组件和信号采集组件电气连接，控制所述光源组件发射脉冲激光和保存并处理所述信号采集组件采集的数据；所述反射式支架(4-1)为内部充满透明的超声耦合液(4-2)的封闭腔体，包括进光口(4-5)和出光口(4-4)，目标物体设置在所述出光口(4-5)，所述反射式支架(4-1)内设置有透光反声的薄片(4-3)；

所述光源组件发射的脉冲激光通过所述单模光纤耦合组件准直后进入所述光束扫描组件并照射到所述微机电扫描振镜(3-4)表面，经所述微机电扫描振镜(3-4)反射后从所述反射式支架(4-1)的进光口(4-5)进入所述反射式支架(4-1)，从所述反射式支架(4-1)的出光口(4-4)射出并照射在目标物体表面产生光声信号；所述光声信号经过所述反射式支架(4-1)内透光反声的薄片反射后被所述信号采集组件采集。

2.根据权利要求1所述的基于微机电扫描振镜的小型光学分辨率光声显微镜，其特征在于，所述反射式支架(4-1)的进光口(4-5)和出光口(4-4)均利用透明材料密封，所述脉冲激光经过所述透明材料不损失能量。

3.根据权利要求1所述的基于微机电扫描振镜的小型光学分辨率光声显微镜，其特征在于，所述光源组件包括脉冲激光器(1)，所述脉冲激光器(1)产生脉宽在1ns-10ns之间，重频在1Khz-100Khz之间，波长根据成像目标确定的脉冲激光。

4.根据权利要求1所述的基于微机电扫描振镜的小型光学分辨率光声显微镜，其特征在于，所述单模光纤耦合组件包括空间光滤波器(2-1)、准直透镜(2-2)、物镜(2-3)、单模光纤耦合调整架(2-4)、单模光纤(2-5)和单模光纤准直透镜(2-6)，所述脉冲激光器(1)、空间光滤波器(2-1)、准直透镜(2-2)、物镜(2-3)和单模光纤耦合调整架(2-4)共轴安装，所述脉冲激光依次通过所述空间光滤波器(2-1)、准直透镜(2-2)、物镜(2-3)和单模光纤耦合调整架(2-4)后进入所述单模光纤(2-5)，经所述单模光纤(2-5)后的脉冲激光通过所述单模光纤准直透镜(2-6)进入所述光束扫描组件。

5.根据权利要求1所述的基于微机电扫描振镜的小型光学分辨率光声显微镜，其特征在于，所述光束扫描组件还包括透镜(3-2)和反射棱镜(3-3)，所述进入光束扫描组件的脉冲激光经所述透镜(3-2)聚焦后再经过所述反射棱镜(3-3)反射至所述微机电扫描振镜(3-4)表面。

6.根据权利要求4或5所述的基于微机电扫描振镜的小型光学分辨率光声显微镜，其特征在于，所述光束扫描组件还包括光路支架(3-1)，所述单模光纤准直透镜(2-6)、透镜(3-2)、反射棱镜(3-3)和微机电扫描振镜(3-4)共轴安装在所述光路支架上。

7.根据权利要求1所述的基于微机电扫描振镜的小型光学分辨率光声显微镜，其特征在于，所述信号采集组件包括依次电气连接的超声探测器(5-1)、信号放大器(5-2)和数据采集卡(5-3)，所述超声探测器(5-1)设置在所述反射式支架(4-1)上，其接收器穿过所述反射式支架(4-1)的侧壁与所述超声耦合液(4-2)接触，所述超声探测器(5-1)探测所述光声信号，所述光声信号经所述信号放大器(5-2)放大后被所述数据采集卡(5-3)采集，所述数据采集卡(5-3)与所述计算机(6)电气连接。

8.根据权利要求7所述的基于微机电扫描振镜的小型光学分辨率光声显微镜，其特征在于，所述反射式支架(4-1)为矩形腔体，所述透光反射的薄片(4-3)分别与所述反射式支架(4-1)的出光口(4-4)所在的侧壁和设置所述超声探测器(5-1)的侧壁成45°角。