CN108056754A - 基于声梯度折射率镜的快速轴向扫描光声显微成像装置 - Google Patents

基于声梯度折射率镜的快速轴向扫描光声显微成像装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于声梯度折射率镜的快速轴向扫描光声显微成像装置，包括激光发生器、声梯度折射率镜、轴向扫描电路、信号发生器、二维平移台和信号采集卡，激光发生器发射的激光束垂直入射至声梯度折射率镜的中心位置，从声梯度折射率镜出射后聚焦在待测物上产生光声信号；信号采集卡采集光声信号并输出采集同步信号；信号发生器用于向声梯度折射率镜发出驱动信号，声梯度折射率镜的有效焦距根据接收到的驱动信号的周期同步变化；二维平移台用于产生位置同步信号；轴向扫描电路用于根据采集同步信号、位置同步信号和驱动信号输出占空比周期性变化的方波信号，用于触发激光发生器发射激光束。本发明实现了快速轴向扫描进而提升轴向成像景深。

Description

基于声梯度折射率镜的快速轴向扫描光声显微成像装置
技术领域
本发明涉及光声显微成像快速成像领域，特别涉及一种基于声梯度折射率镜的快速轴向扫描光声显微成像装置。
背景技术
新近出现的光声显微成像技术是一种新型的、无损医学成像技术，它有机结合了纯光学成像的高对比度和纯超声成像的高分辨率优点。光声成像技术已经广泛应用于生物研究中，例如脉管系统的结构成像、脑结构与功能的成像、肿瘤探测等。考虑到横向分辨率，光声显微成像系统可分为光学分辨光声显微成像系统(OR-PAM)和声学光声显微成像系统(AR-PAM)。在AR-PAM中，由于聚焦在样品上的光为弱聚焦，光斑尺寸较大，系统的横向分辨率取决于焦点较小的声焦点。相反，光学分辨光声显微成像系统中，由于入射光为强聚焦，光斑尺寸通常能达到几个微米，远小于声焦点。通常光学分辨光声显微成像系统中，入射光需要通过较大数值孔径的聚光镜来聚焦，这会导致成像系统的成像景深(DoF)很小。所以传统的光声显微成像系统会在成像分辨率和成像景深之间权衡。小的成像景深使系统进行三维成像或者深度动态信息的获取变得困难。
针对这个问题，已经有了很多方法。一种用的比较普遍又简单的方法是通过机械扫描，这种方法的缺点是存在扫描速度慢，精度有限，引入机械振动等问题。针对机械扫描速度慢的问题，有很多方法对扫描轴向扫描速度进行了提升。一种是通过双照明的方式，入射光从上下两个方向对样品进行激发，从而获得比单向照明双倍的成像景深，但该方法由于是透射式，成像工作空间有限，仅能对一些薄的样品进行成像。所以应用范围相对于反射式的成像系统来说受到限制。也有研究者利用非消色差物镜的色差特性，利用多波长激光器来产生沿轴向的多个焦点，从而获得系统轴向成像范围的提升，但该方法牺牲了系统的功能成像。贝塞尔光束由于其相对于高斯光束具有无衍射特性，光斑大小变化在焦点附近很长一段距离较小，因此也有被应用到光声显微成像系统中。但贝塞尔光束具有比较强的旁瓣，旁瓣会影响系统成像分辨率等，这需要采用额外的程序来消除。电控变焦透镜(ETL)也被应用于光声系统中，该系统中变焦速度为15毫秒，该速度对于脉冲发放频率为几十赫兹的激光器来说足够快，但对于几千甚至几百千赫兹的激光器来说就有点慢了。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的光声显微成像系统中轴向上扫描速度慢导致轴向成像景深小缺陷，提供一种能够进行轴向上快速扫描进而提升轴向成像景深的基于声梯度折射率镜的快速轴向扫描光声显微成像装置。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
本发明提供了一种基于声梯度折射率镜的快速轴向扫描光声显微成像装置，包括激光发生器和工作站，所述激光发生器用于发射激光束，其特点在于，所述快速轴向扫描光声显微成像装置还包括声梯度折射率镜、轴向扫描电路、信号发生器、二维平移台和信号采集卡；
所述激光束经整形后垂直入射至所述声梯度折射率镜的中心位置，所述激光束从所述声梯度折射率镜出射后依次经放大扩束系统和物镜后聚焦在待测物上，产生光声信号；
所述信号采集卡用于采集经放大处理后的所述光声信号并输出采集同步信号；
所述工作站用于接收所述信号采集卡输出的信号并进行图像重建；
所述信号发生器用于向所述声梯度折射率镜发出驱动信号，所述声梯度折射率镜的有效焦距根据接收到的所述驱动信号的周期同步变化；
所述二维平移台用于产生位置同步信号；
所述轴向扫描电路用于根据三个参考电压、所述采集同步信号、所述位置同步信号和所述驱动信号输出占空比周期性变化的方波信号，所述方波信号用于触发所述激光发生器发射激光束。
本方案中，声梯度折射率镜垂直安装并由信号发生器发出的驱动信号驱动，三个参考电压、声梯度折射率镜的驱动信号、信号采集卡的采集同步信号以及二维平移台的位置同步信号共同输入轴向扫描电路，该轴向扫描电路根据前述的输入输出占空比周期性变化的方波信号，该方波信号用于触发激光发生器在声梯度折射率镜变焦的不同时间点出光，因此在B型扫描中，光焦点的深度位置也将周期性的变化。
本方案中，产生的光声信号被放大后被采集卡采集，并输出采集同步信号，最后输入工作站进行图像重建，具体采用最大值投影图像重建方法进行图像重建。
本方案中，利用声梯度折射率镜快速选择焦面的能力，使光声显微成像装置的焦面随着B型扫描的每一步周期性的变化，进行轴向上快速扫描进而提升轴向成像景深。
较佳地，所述声梯度折射率镜包括一圆柱体压电壳，所述圆柱体压电壳的两端分别设有光学窗口，所述圆柱体压电壳内装有光学透明液体。
较佳地，所述光学透明液体为硅油。
较佳地，所述硅油的运动粘度为50～150cSt(厘斯)，所述硅油的折射率为1～2，所述硅油的声速为800～1200米/秒。
较佳地，所述圆柱体压电壳为压电陶瓷圆管，所述压电陶瓷圆管经过极化后在内外壁上加镀形成内电极和外电极。
本方案中，压电陶瓷圆管具有较高的机械Q值和较好的稳定性。
较佳地，所述内电极从一端延展到外壁上，所述内电极与所述外电极在外壁上和另一端的端面形成两个间隙。
较佳地，所述轴向扫描电路包括双D触发器、与门、数据选择器、电压偏置器、电压比较器和第三D触发器，所述双D触发器包括第一D触发器和第二D触发器；
所述采集同步信号接至所述第一D触发器和所述第二D触发器的时钟输入端，所述与门的两个输入端分别与所述第一D触发器的反向数据输出端、所述第二D触发器的反向数据输出端电连接，所述与门的输出端与所述第一D触发器的数据输入端电连接；
所述数据选择器包括第一片选端、第二片选端、第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，所述第一D触发器的数据输出端、所述第二D触发器的数据输入端以及所述第一片选端电连接，所述第二D触发器的数据输出端与所述第二片选端电连接；所述第一输入端、所述第二输入端及所述第三输入端一一对应接入三个所述参考电压；
所述驱动信号输入至所述电压偏置器，所述电压偏置器的输出端以及所述数据选择器的输出端分别接至所述电压比较器，所述电压比较器输出信号至所述第三D触发器的时钟输入端，所述位置同步信号输入至所述第三D触发器的数据输入端，所述第三D触发器的数据输出端用于输出所述方波信号。
本方案中，所述的轴向扫描电路由一个双D触发器、一个与门、一个数据选择器、一个电压偏置器、一个电压比较器和一个D触发器构成。该电路有三个输入信号：信号采集卡的采集同步信号，其接入双D触发器的时钟输入端，用于触发数据选择器进行参考电压的选择；声梯度折射率镜的驱动信号，其作用是作为比较信号，和参考电压比较得到声梯度折射率镜驱动信号的同步信号，该同步信号接入D触发器的时钟输入端；二维平移台的位置同步信号接入D触发器的数据输入端。D触发器最终输出信号作为激光发生器的触发信号。所述的轴向扫描电路的功能是输出占空比周期性变化的方波信号，该方波信号触发激光发生器发射激光束。
较佳地，所述驱动信号为正弦射频信号。
本方案中，声梯度折射率镜在施加正弦射频信号条件下变焦能力随时间成正弦变化。
较佳地，所述有效焦距表示为f(t)，
其中L为所述声梯度折射率镜等效的透镜的长度，ω表示所述驱动信号的频率，t表示时间，v表示所述光学透明液体中的声速，na表示声波对所述光学透明液体折射率的调制常数。
本方案中，声梯度折射率镜包括装满光学透明液体的圆柱体压电壳空腔和两端的光学窗口构成。对其施加正弦射频信号，其傍轴部分等效于一个透镜，有效焦距f(t)呈现出与正弦射频信号同步的周期性变化，L为透镜长度，na是与驱动信号和光学透明液体固有声学性质有关的常数，代表声波对光学透明液体折射率的调制。
较佳地，所述放大扩束系统包括依次设置的第一聚光透镜和第二聚光透镜；所述快速轴向扫描光声显微成像装置还包括声透镜、超声换能器和放大器，所述光声信号依次经所述声透镜、所述超声换能器和所述放大器放大后被所述信号采集卡采集。
本发明的积极进步效果在于：本发明提供的基于声梯度折射率镜的快速轴向扫描光声显微成像装置利用声梯度折射率镜实现光焦点深度位置随着扫描周期性的变化，拓展了装置的轴向成像视野，实现快速轴向扫描进而提升轴向成像景深，拓展了该装置的使用范围，使该装置能够对表面不平整、具有一定深度的样品进行三维高分辨、快速成像。
附图说明
图1为本发明一较佳实施例的基于声梯度折射率镜的快速轴向扫描光声显微成像装置的结构示意图。
图2为图1中轴向扫描电路12的结构图。
图3为光焦点在一个B扫描中随着每一步周期性变化的效果图。
图4为图1中声梯度折射率镜的结构图。
图5为图1中声梯度折射率镜的结构图。
图6为图1中声梯度折射率镜的装配图。
图7为图1中声梯度折射率镜的金属盖板的上视图。
图8为图7中A处的剖面图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
如图1所示的基于声梯度折射率镜的快速轴向扫描光声显微成像装置，包括激光发生器1、工作站2、声梯度折射率镜21、轴向扫描电路12、信号发生器13、三维扫描台11、信号采集卡3、声透镜5、超声换能器6和放大器4。激光发生器1用于发射激光束，激光束依次经一小孔14整形至光斑直径0.8毫米，然后经过第一反射镜15垂直入射进声梯度折射率镜21的中心位置。激光束从声梯度折射率镜21出射之后通过由两聚光透镜18、19构成的放大倍率为8.3的放大扩束系统扩束后经第二反射镜17后最终被一物镜20聚焦在待测物即样品8上，产生光声信号，该光声信号依次经声透镜5、超声换能器6和放大器4放大后被信号采集卡3采集，信号采集卡3采集后同时输出采集同步信号22。其中水槽6的作用是用来耦合光声信号的。工作站2用于接收信号采集卡3输出的信号并采用最大值投影图像重建方法进行图像重建。三维扫描台11包括一美国Aerotech(艾罗德克)公司生产的ANT95-50-XY-ULTRA型号二维平移台和Physik Instrumente(西诺光学)公司生产的M-Z01.5G0型升降台。二维平移台用于二维光栅扫描，升降台则用于轴向上移动样品8。
本实施例中，激光源为德国EdgeWave(一公司名称)公司生产的系列为INNOSLAB、型号为IS8II-E的Nd:YLF脉冲激光发生器1，该激光发生器1脉冲发放频率为1KHz(千赫兹)、激光波长为523ns(纳秒)、脉宽为9ns。信号采集卡3采用Alazartech(一公司名称)公司生产的ATS9350。
本实施例中，信号发生器13用于向声梯度折射率镜21发出驱动信号23，该驱动信号23为正弦射频信号。声梯度折射率镜21的有效焦距根据接收到的驱动信号23的周期同步变化。二维平移台用于产生位置同步信号24。其中有效焦距表示为f(t)，计算公式如下：
其中L为声梯度折射率镜21等效的透镜的长度，ω表示驱动信号23的频率，t表示时间，v表示光学透明液体中的声速，na表示声波对光学透明液体折射率的调制常数。
本实施例中，轴向扫描电路12的结构图如图2所示，轴向扫描电路12用于根据三个参考电压U1、U2、U3、采集同步信号22、位置同步信号24和驱动信号23输出占空比周期性变化的方波信号，该方波信号用于激光发生器1发射激光束。其由一个双D触发器25、一个与门26、一个数据选择器27、一个电压偏置器28、一个电压比较器29和一个D触发器30构成。该轴向扫描电路12有三个输入信号，信号采集卡3的采集同步信号22，其接入双D触发器25的时钟输入端即CLK0、CLK1端，用于触发数据选择器27进行参考电压的选择；声梯度折射率镜21的驱动信号23，其作用是作为比较信号，和参考电压比较得到声梯度折射率镜21的驱动信号23的同步信号，该同步信号接入D触发器30的时钟输入端即CLK2端；二维平移台的位置同步信号24接入D触发器30的数据输入端即D2端。D触发器30的数据输出端Q2最终输出信号作为激光发生器1的触发信号。在B型扫描中，二维平移台每移动一个像素将会发放一个位置同步信号24，二维平移台保持着匀速运动。该位置同步信号24的上升沿将触发信号采集卡3进行数据采集，同时当声梯度折射率镜21的驱动信号23达到了参考电压时也将触发激光发生器1出光。只要一个A型扫描数据采集完成，信号采集卡3的采集同步信号22将触发双D触发器25来控制数据选择器27从参考电压队列中选择相应的参考电压。由于不同的参考电压对应着光聚焦点的不同深度位置，因此在下一个A型扫描中激光聚焦深度位置将改变。由于在一个B型扫描中，参考电压周期性的被选择，因此光焦点的深度位置也将周期性的变化，具体效果参见附图3所示，横坐标表示在一个B型扫描中的A型扫描，纵坐标表示光焦点的深度位置，三角符号表示最小焦移，五角星表示最大焦移。实验中，所给的声梯度折射率镜21的驱动信号23为频率为707KHz，电压峰峰值为7V(伏特)的正弦射频信号(此时声梯度折射率镜21为打开)；所给的参考电压队列中3个电压分别为2.3V、3.5V、4.6V。由于声梯度折射率镜21的焦距呈正弦周期性变化，频率与驱动信号23的频率一致，不同的参考电压则对应着激光发生器1在声梯度折射率镜21焦距变化的不同相位点出光。
本实施例中，双D触发器25采用TI(德州仪器)公司的74LS74，数据选择器27采用ADI(亚德诺半导体)公司的ADG408。
本实施例中，声梯度折射率镜21结构如图4和图5所示，主要由一个装满光学透明液体的圆柱体压电壳31和两端的光学窗口32构成。填充液体的材料为透光率高，运动粘度为100cSt的硅油，其折射率为1.403，声速为1000米/秒。圆柱体压电壳31为压电陶瓷圆管，压电陶瓷圆管要经过极化后在内外壁上加镀电极，声梯度折射率镜21的压电陶瓷圆管采用one end wrap(一端外翻)的电极加镀方式。内电极34从一端延展到外壁上，与外电极33在外壁上和另一端的端面形成两个间隙35。使用的圆柱体压电壳31为具有较高的机械Q值和较好的稳定性的PZT-8压电陶瓷圆管，内径为16mm(毫米)、外径为20mm、管长为20mm。
声梯度折射率镜21装配如图6所示，利用两块金属盖板C、D和O型密封环36实现压电陶瓷圆管的夹持紧固与密封。图7为金属盖板的上视图，图8为图7中A处的剖面图。所示光学窗口安装在腔内，金属盖板C和金属盖板D的内侧中心开有光学窗口安装孔37，光学窗口32可通过粘接胶合或者其他密封方式固定在光学窗口32的安装孔37内。内表面开有环形凹槽，尺寸与压电陶瓷圆管的内外直径匹配，用于卡放O型密封环36和压电陶瓷圆管。金属盖板C上光学窗口32的安装孔37的四角留出了四个螺钉沉头孔，金属盖板D对应位置上打有匹配的螺纹孔，从而使整个装配件能够通过螺钉紧固。并且由于O型密封环36的弹性特性，可以通过调整螺钉的松紧调整两个光学窗口32的相对倾斜角度，使两者平行。盖板的边缘四角留有支杆39的安装孔，以便将装配好的声梯度折射率镜21固定到笼式安装架上。液体的注入需要两个步骤。首先将金属盖板D水平放置，然后将压电陶瓷圆管对准凹槽放置其上，用滴管或者塑料吸管注入硅油，控制注入量接近于充满压电陶瓷圆管。再将金属盖板C盖上，其中金属盖板C的凹槽对准压电陶瓷圆管，沉头孔和支杆39的安装孔分别与金属盖板D上的螺纹孔和支杆39的安装孔对准。拧紧螺钉，利用滴管或者塑料吸管通过光学窗口安装孔一侧的注油/通气螺纹堵口向腔内继续注入硅油。该注油/通气螺纹堵口为L型通孔连通腔内腔外。随着腔内硅油液面的升高，腔内的空气从另一侧的注油/通气螺纹堵口38排出。当硅油从排气口溢出时，用螺钉将排气口堵住。继续缓慢滴入硅油，直至硅油从注油口溢出，同样用螺钉封住注油口。翻转旋动装配好的声梯度折射率镜21，观察有无气泡，对于小气泡可利用注射器抽出。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于声梯度折射率镜的快速轴向扫描光声显微成像装置，包括激光发生器和工作站，所述激光发生器用于发射激光束，其特征在于，所述快速轴向扫描光声显微成像装置还包括声梯度折射率镜、轴向扫描电路、信号发生器、二维平移台和信号采集卡；
所述激光束经整形后垂直入射至所述声梯度折射率镜的中心位置，所述激光束从所述声梯度折射率镜出射后依次经放大扩束系统和物镜后聚焦在待测物上，产生光声信号；
所述信号采集卡用于采集经放大处理后的所述光声信号并输出采集同步信号；
所述工作站用于接收所述信号采集卡输出的信号并进行图像重建；
所述信号发生器用于向所述声梯度折射率镜发出驱动信号，所述声梯度折射率镜的有效焦距根据接收到的所述驱动信号的周期同步变化；
所述二维平移台用于产生位置同步信号；
所述轴向扫描电路用于根据三个参考电压、所述采集同步信号、所述位置同步信号和所述驱动信号输出占空比周期性变化的方波信号，所述方波信号用于触发所述激光发生器发射激光束。
2.如权利要求1所述的基于声梯度折射率镜的快速轴向扫描光声显微成像装置，其特征在于，所述声梯度折射率镜包括一圆柱体压电壳，所述圆柱体压电壳的两端分别设有光学窗口，所述圆柱体压电壳内装有光学透明液体。
3.如权利要求2所述的基于声梯度折射率镜的快速轴向扫描光声显微成像装置，其特征在于，所述光学透明液体为硅油。
4.如权利要求3所述的基于声梯度折射率镜的快速轴向扫描光声显微成像装置，其特征在于，所述硅油的运动粘度为50～150cSt，所述硅油的折射率为1～2，所述硅油的声速为800～1200米/秒。
5.如权利要求2所述的基于声梯度折射率镜的快速轴向扫描光声显微成像装置，其特征在于，所述圆柱体压电壳为压电陶瓷圆管，所述压电陶瓷圆管经过极化后在内外壁上加镀形成内电极和外电极。
6.如权利要求5所述的基于声梯度折射率镜的快速轴向扫描光声显微成像装置，其特征在于，所述内电极从一端延展到外壁上，所述内电极与所述外电极在外壁上和另一端的端面形成两个间隙。
7.如权利要求1所述的基于声梯度折射率镜的快速轴向扫描光声显微成像装置，其特征在于，所述轴向扫描电路包括双D触发器、与门、数据选择器、电压偏置器、电压比较器和第三D触发器，所述双D触发器包括第一D触发器和第二D触发器；
所述采集同步信号接至所述第一D触发器和所述第二D触发器的时钟输入端，所述与门的两个输入端分别与所述第一D触发器的反向数据输出端、所述第二D触发器的反向数据输出端电连接，所述与门的输出端与所述第一D触发器的数据输入端电连接；
所述数据选择器包括第一片选端、第二片选端、第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，所述第一D触发器的数据输出端、所述第二D触发器的数据输入端以及所述第一片选端电连接，所述第二D触发器的数据输出端与所述第二片选端电连接；所述第一输入端、所述第二输入端及所述第三输入端一一对应接入三个所述参考电压；
所述驱动信号输入至所述电压偏置器，所述电压偏置器的输出端以及所述数据选择器的输出端分别接至所述电压比较器，所述电压比较器输出信号至所述第三D触发器的时钟输入端，所述位置同步信号输入至所述第三D触发器的数据输入端，所述第三D触发器的数据输出端用于输出所述方波信号。
8.如权利要求2所述的基于声梯度折射率镜的快速轴向扫描光声显微成像装置，其特征在于，所述驱动信号为正弦射频信号。
9.如权利要求8所述的基于声梯度折射率镜的快速轴向扫描光声显微成像装置，其特征在于，所述有效焦距表示为f(t)，
其中L为所述声梯度折射率镜等效的透镜的长度，ω表示所述驱动信号的频率，t表示时间，v表示所述光学透明液体中的声速，na表示声波对所述光学透明液体折射率的调制常数。
10.如权利要求1至9任一项所述的基于声梯度折射率镜的快速轴向扫描光声显微成像装置，其特征在于，所述放大扩束系统包括依次设置的第一聚光透镜和第二聚光透镜；所述快速轴向扫描光声显微成像装置还包括声透镜、超声换能器和放大器，所述光声信号依次经所述声透镜、所述超声换能器和所述放大器放大后被所述信号采集卡采集。
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