CN108362646A - 一种微型光声显微成像头、制作方法及其组成的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型光声显微成像头、制作方法及其组成的系统，该显微成像头包括：单模光纤、第一聚焦单元、第二聚焦单元和光纤超声探测器；第一聚焦单元包括第一梯度折射率透镜和玻璃管，第一梯度折射率透镜设置在玻璃管的一端内部，玻璃管的另一端内部穿设有单模光纤，单模光纤的出射光经第一梯度折射率透镜透射后与外部的靶标的中心位置相对应；第二聚焦单元包括第二梯度折射率透镜和钢管，第二梯度折射率透镜设置在钢管的一端内部，钢管的另一端套设在第一聚焦单元上；光纤超声探测器设置在钢管的外侧。本发明分辨率高、工作距离长、成本低且操作简单方便的。

Description

一种微型光声显微成像头、制作方法及其组成的系统

技术领域

本发明涉及显微成像设备技术领域，尤其涉及一种微型光声显微成像头、制作方法及其组成的系统。

背景技术

光声成像是近十几年来新兴的医学成像方式。它能对生物组织中丰富的吸收对比进行成像；另外，由于生物组织的低超声散射，可拥有超声分辨率与大成像深度。光声成像已展示了许多生物医学应用。在光声成像中，以脉冲激光照射生物组织,光能被转化成热能；接着，透过热弹性膨胀产生脉冲超声；最后，借由探测此超声信号来进行成像。

目前，光声成像主要的实现方式可分为光声计算机断层扫描，光声显微成像，和光声内窥成像。其中，光声显微成像主要用于获得高分辨率，可分为两类。第一类为光分辨率式光声显微成像，借由激光聚焦来提供高横向分辨率(数微米)；第二类为声分辨率式光声显微成像，借由超声聚焦来提供横向分辨率(数十到数百微米)并获得较大成像深度(数毫米)。由于光分辨率式光声显微成像的高分辨率，它在某些应用上特别有用，例如毛细血管成像和细胞成像。为了实现如此高的分辨率，并保有其它性能如高灵敏度、长工作距离、反射模式操作，通常需要对成像头和其部件进行精巧的设计和制作。

光分辨率式光声显微成像有传输模式和反射模式两种方案。在传输模式中，激光激发与超声探测位于样品的对面；因此，可轻易地使用高数值孔径的物镜来实现衍射极限聚焦。然而，因为生物组织或器官有一定厚度，激发的光声信号在传播到探测面的过程中会引起很大声信号衰减，这种模式并不适用于活体成像应用。相比之下，在反射模式中，激光激发与超声探测位于样品的同侧，有利于活体成像应用。然而，在反射模式中，超声探测器一般对激发激光不透光，因此不能简易地只是将超声探测器置于物镜上方或下方，需透过特殊设计让激光不被遮挡并可聚焦到样品上。此外，在超声探测方面，若将超声探测器置于物镜上方，由于物镜与生物组织的声阻抗通常不匹配，光声信号无法有效地耦合到超声探测器。因此，许多研究组致力于在样品同侧更好地结合聚焦激光激发与超声探测，来实现高分辨率与高灵敏度。

至今已有四种光声组合技术用于反射模式的光分辨率式光声显微成像。(i)使用光声组合器来反射激光或超声，避免两者路径重叠，可有效地实现激光和超声的共焦和同轴对准。然而，这种组合器尺寸通常较大，限制了物镜的最短工作距离，也就是牺牲了物镜的数值孔径与成像分辨率。此外，灵敏度优化需要将光焦点和声焦点对齐，对齐的技术较具困难度。(ii)使用离轴方式。该方式将超声探测器斜放，避免光路和声路重叠。但这种方式牺牲了轴向分辨率，且整体成像头尺寸也变得更大。(iii)使用定制的中空聚焦超声探测器。利用超声探测器的中空部分来允许激光传输不被遮挡，此方式也可实现共焦和同轴的光声对准。但这种设计需在分辨率与灵敏度作取舍,主要受到超声探测器中空部分尺寸影响。中空部分尺寸太小会阻碍高数值孔径激光聚焦，牺牲了分辨率；中空部分尺寸太大则有效超声探测区域降低，牺牲了灵敏度。(iv)使用反射式物镜。反射式物镜有一暗区，超声探测器可直接置放于此暗区而不影响光路传输与激光聚焦。然而，反射式物镜价格远高于常用的折射式物镜。

光学超声探测技术近来也被用于光分辨率式光声显微成像，用于替代压电超声探测器。主要探测机理是利用光学谐振来实现高灵敏度超声探测。例如，法布里-珀罗超声传感器可达到8帕的噪声等效压力(20兆带宽下)，另外带宽可高达80兆。已有许多工作展示基于光纤法布里-珀罗超声传感器的光声成像。又例如，光学微环谐振器可达到105帕噪声等效压力(350兆带宽下)，并展示了许多光声应用，包括光声计算机断层扫描、光分辨率式光声显微成像，光声内窥成像，超声成像，甚至是太赫兹脉冲辐射的探测。尤其，光纤法布里-珀罗超声传感器拥有许多独特性能，使得它非常适合用于光分辨率式光声显微成像。这些性能包括高灵敏度(可获得高质量图像)、宽带(可获得高轴向分辨率)、宽探测角(无需精确光与声对准)。以及小尺寸(有利于整合于成像头)。

梯度折射率透镜已被用于制作微型光分辨率式光声显微成像头。例如，梯度折射率透镜与成像光纤束结合可用于激光聚焦和扫描。在这个工作中，虽然分辨率达到了6微米，但工作距离只有2毫米，限制了特殊的活体成像应用。此外，这个工作使用压电超声探头，因此只能操作在传输模式。其它的工作使用梯度折射率透镜与单模光纤。分辨率最好可达到9.2微米，工作距离达到了4.4毫米。然而，相较于上述的光声组合器，分辨率还是差了3倍以上(9.2微米与3微米对比)。

因此，从当前制作光分辨率式光声显微成像头的研究可以看出，现有技术存在以下问题和不足之处。(i)微型成像头分辨率低和工作距离短的缺点；(ii)一般成像头尺寸大、价格贵、或分辨率优化存在挑战；(iii)光声对准技术难度高。

发明内容

本发明主要是解决现有技术中所存在的技术问题，从而提供一种分辨率高、工作距离长、成本低且操作简单方便的微型光声显微成像头、制作方法及其组成的系统。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

本发明提供的微型光声显微成像头，其包括：单模光纤、第一聚焦单元、第二聚焦单元和光纤超声探测器；

所述第一聚焦单元包括第一梯度折射率透镜和玻璃管，所述第一梯度折射率透镜设置在所述玻璃管的一端内部，所述玻璃管的另一端内部穿设有所述单模光纤，所述单模光纤的出射光经所述第一梯度折射率透镜透射后与外部的靶标的中心位置相对应；

所述第二聚焦单元包括第二梯度折射率透镜和钢管，所述第二梯度折射率透镜设置在所述钢管的一端内部，所述钢管的另一端套设在所述第一聚焦单元上，所述单模光纤的出射光依次经所述第一聚焦单元和第二聚焦单元透射后与所述靶标的中心位置相对应；

所述光纤超声探测器设置在所述钢管的外侧。

进一步地，所述玻璃管的另一端与所述单模光纤之间、所述钢管的另一端与所述第一聚焦单元之间均通过紫外胶固定连接。

进一步地，所述光纤超声探测器为光纤法布里-珀罗超声传感器。

本发明提供的制作上述微型光声显微成像头的方法，其包括以下步骤：

S1、调整单模光纤的出射光，使其对准外部的靶标的中心；

S2、制作并调节第一聚焦单元，使所述第一聚焦单元的出射光与所述靶标的中心位置相对应；

S3、制作并调节第二聚焦单元，使所述第二聚焦单元的出射光与所述靶标的中心位置相对应；

S4、将光纤超声探测器固定在第二聚焦单元的一侧，即完成成像头制作。

进一步地，将第一梯度折射率透镜固定在玻璃管的一端，将所述玻璃管的另一端套在所述单模光纤上，调整所述玻璃管的位置，使所述单模光纤的出射光经第一梯度折射率透镜透射后对准靶标中心,然后，使用紫外胶固定所述单模光纤和玻璃管；

进一步地，将第二梯度折射率透镜固定在钢管的一端，将所述钢管的另一端套设在所述第一聚焦单元上，调整所述钢管的位置，使出射光对准所述靶标的中心位置后，使用紫外胶将所述第一聚焦单元与所述钢管固定连接。

本发明提供的由上述微型光声显微成像头组成的系统，其包括连续激光器、脉冲激光器、环形器、光分束器、光功率计和光探测器；

所述脉冲激光器与所述显微成像头的单模光纤相连接；

所述连续激光器与所述环形器的第一接口相连接，所述环形器的第二接口与所述显微成像头的光纤超声探测器相连接，所述环形器的第三接口与光分束器的入口端相连接；

所述光分束器的第一出口端与所述光功率计相连接，所述光分束器的第二出口端与所述光探测器相连接。

进一步地，所述脉冲激光器依次经减光镜、光圈、光分束器、第一透镜、针孔、第二透镜和光纤耦合器与所述单模光纤相连接。

进一步地，还包括二维伺服电机，所述显微成像头固定在所述二维伺服电机上。

本发明的有益效果在于：

(1)高成像质量：由于分辨率与工作距离与现有技术接近，能获得与现有技术相近的高成像质量；

(2)工序节省：由于本方法中，第一聚焦单元和第二聚焦单元的制作相对简单，加上光纤超声探测器的对准也相对容易，与现有技术相比，可大大节省制作工序。

(3)操作和使用简便：由于本技术的光声成像头具有尺寸小与重量轻的特点，使用过程将更简便，并具有潜力用于内窥成像应用中。

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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的微型光声显微成像头的结构示意图；

图2是本发明的微型光声显微成像头的制作方法的方法流程图；

图3是本发明的微型光声显微成像系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参阅图1所示，本发明的微型光声显微成像头，其包括：单模光纤1、第一聚焦单元2、第二聚焦单元3和光纤超声探测器4；

第一聚焦单元2包括第一梯度折射率透镜21和玻璃管22，第一梯度折射率透镜21设置在玻璃管22的一端内部，玻璃管22的另一端内部穿设有单模光纤1，单模光纤1的出射光经第一梯度折射率透镜21透射后与外部的靶标(图中未示出)的中心位置相对应；

第二聚焦单元3包括第二梯度折射率透镜31和钢管32，第二梯度折射率透镜31设置在钢管32的一端内部，钢管32的另一端套设在第一聚焦单元2上，单模光纤1的出射光依次经第一聚焦单元2和第二聚焦单元3透射后与靶标的中心位置相对应；

光纤超声探测器4设置在钢管32的外侧。其中，光纤超声探测器4为光纤法布里-珀罗超声传感器。

本发明中，通过使用第一梯度折射率透镜21和第二梯度折射率透镜31来同时获得高分辨率和长工作距离的成像头，同时，还使用光纤法布里-珀罗超声传感器用于探测光声信号，由于使用的都是小尺寸部件，可实现微型成像头，解决了现有的微型成像头中分辨率低、工作距离短、成像头尺寸大或价格贵等缺点。本发明中的光纤法布里-珀罗超声传感器具有小尺寸和宽探测角等优点，有利于整合于微型成像头，且无需精确光与声对准，解决了光声对准技术难度高的缺点。

较佳地，为了提高结构的稳定性，玻璃管22的另一端与单模光纤1之间、钢管32的另一端与第一聚焦单元2之间均通过紫外胶23固定连接。

参阅图2所示，本发明的微型光声显微成像头的制作方法，其包括以下步骤：

S1、调整单模光纤1的出射光，使其对准外部的靶标的中心；

S2、制作并调节第一聚焦单元2，使第一聚焦单元2的出射光与靶标的中心位置相对应；

S3、制作并调节第二聚焦单元3，使第二聚焦单元3的出射光与靶标的中心位置相对应；

S4、将光纤超声探测器4固定在第二聚焦单元3的一侧，即完成成像头制作。

具体地，将第一梯度折射率透镜21固定在玻璃管22的一端，将玻璃管22的另一端套在单模光纤1上，调整玻璃管22的位置，使单模光纤1的出射光经第一梯度折射率透镜21透射后对准靶标中心,然后，使用紫外胶固定单模光纤1和玻璃管22；

具体地，将第二梯度折射率透镜31固定在钢管32的一端，将钢管32的另一端套设在第一聚焦单元2上，调整钢管32的位置，使出射光对准靶标的中心位置后，使用紫外胶将第一聚焦单元2与钢管32固定连接。

参阅图3所示，本发明的微型光声显微成像系统，其包括连续激光器5、脉冲激光器6、环形器7、光分束器8、光功率计9和光探测器10；

脉冲激光器6与显微成像头的单模光纤1相连接；

连续激光器5与环形器7的第一接口相连接，环形器7的第二接口与显微成像头的光纤超声探测器4相连接，环形器7的第三接口与光分束器8的入口端相连接；

光分束器8的第一出口端与光功率计9相连接，光功率计9并与计算机11相连接，用于储存光功率计9的数据，光分束器8的第二出口端与光探测器10相连接，光探测器10并与计算机11相连接，用于储存光探测器10的数据。其中，光分束器8分出的10％的光耦合至光功率计9，作为监测光纤法布里-珀罗超声传感器的反射谱，确保光纤超声探测器操作在高灵敏度状态；另外90％的光耦合至光探测器10，用于记录短脉冲光声信号。

具体地，脉冲激光器6依次经减光镜12、光圈13、光分束器14、第一透镜、针孔15、第二透镜和光纤耦合器16与单模光纤1相连接，从而使单模光纤1的光信号能满足成像要求。

具体地，还包括二维伺服电机17，显微成像头固定在二维伺服电机17上。在本实施例中，光声成像的横向分辨率是由聚焦光斑大小决定的，工作距离是由第二梯度折射率透镜31出光后的焦距所决定的，纵向分辨率则是由光纤超声探测器4的带宽所决定的。成像时，可将此微型成像头固定于二维伺服电机17，透过一维扫描可获得光声B模式图像，透过二维扫描则可获得三维图像。

在本实施例中，光纤可选择在400-680纳米的单模光纤，如此可实现光声功能性成像，例如，使用532纳米与560纳米来进行血氧饱和度光声成像；另外，也可选用1550纳米的单模光纤，如此一来，可使用近红外光进行光声信号激发，在生物组织中可获得较大成像深度，还可用于脂质辨识(激发波长约在1200纳米)与光声造影剂成像(根据造影剂性质，选择合适激发波长)等应用。

综上所述，本发明的优点在于：

(1)高成像质量：由于分辨率与工作距离与现有技术接近，能获得与现有技术相近的高成像质量；

(2)工序节省：由于本方法中，第一聚焦单元和第二聚焦单元的制作相对简单，加上光纤超声探测器的对准也相对容易，与现有技术相比，可大大节省制作工序。

(3)操作和使用简便：由于本技术的光声成像头具有尺寸小与重量轻的特点，使用过程将更简便，并具有潜力用于内窥成像应用中。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种微型光声显微成像头，其特征在于，包括：单模光纤、第一聚焦单元、第二聚焦单元和光纤超声探测器；

所述第一聚焦单元包括第一梯度折射率透镜和玻璃管，所述第一梯度折射率透镜设置在所述玻璃管的一端内部，所述玻璃管的另一端内部穿设有所述单模光纤，所述单模光纤的出射光经所述第一梯度折射率透镜透射后与外部的靶标的中心位置相对应；

所述第二聚焦单元包括第二梯度折射率透镜和钢管，所述第二梯度折射率透镜设置在所述钢管的一端内部，所述钢管的另一端套设在所述第一聚焦单元上，所述单模光纤的出射光依次经所述第一聚焦单元和第二聚焦单元透射后与所述靶标的中心位置相对应；

所述光纤超声探测器设置在所述钢管的外侧。

2.如权利要求1所述的微型光声显微成像头，其特征在于，所述玻璃管的另一端与所述单模光纤之间、所述钢管的另一端与所述第一聚焦单元之间均通过紫外胶固定连接。

3.如权利要求2所述的微型光声显微成像头，其特征在于，所述光纤超声探测器为光纤法布里-珀罗超声传感器。

4.一种制作如权利要求1-3任一项所述的微型光声显微成像头的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、调整单模光纤的出射光，使其对准外部的靶标的中心；

S2、制作并调节第一聚焦单元，使所述第一聚焦单元的出射光与所述靶标的中心位置相对应；

S3、制作并调节第二聚焦单元，使所述第二聚焦单元的出射光与所述靶标的中心位置相对应；

S4、将光纤超声探测器固定在第二聚焦单元的一侧，即完成成像头制作。

5.如权利要求4所述的微型光声显微成像系统，其特征在于，将第一梯度折射率透镜固定在玻璃管的一端，将所述玻璃管的另一端套在所述单模光纤上，调整所述玻璃管的位置，使所述单模光纤的出射光经第一梯度折射率透镜透射后对准靶标中心,然后，使用紫外胶固定所述单模光纤和玻璃管。

6.如权利要求5所述的微型光声显微成像系统，其特征在于，将第二梯度折射率透镜固定在钢管的一端，将所述钢管的另一端套设在所述第一聚焦单元上，调整所述钢管的位置，使出射光对准所述靶标的中心位置后，使用紫外胶将所述第一聚焦单元与所述钢管固定连接。

7.一种由权利要求1-3任一项所述的微型光声显微成像头组成的系统，其特征在于，包括连续激光器、脉冲激光器、环形器、光分束器、光功率计和光探测器；

所述脉冲激光器与所述显微成像头的单模光纤相连接；

所述连续激光器与所述环形器的第一接口相连接，所述环形器的第二接口与所述显微成像头的光纤超声探测器相连接，所述环形器的第三接口与光分束器的入口端相连接；

所述光分束器的第一出口端与所述光功率计相连接，所述光分束器的第二出口端与所述光探测器相连接。

8.如权利要求7所述的微型光声显微成像头组成的系统，其特征在于，所述脉冲激光器依次经减光镜、光圈、光分束器、第一透镜、针孔、第二透镜和光纤耦合器与所述单模光纤相连接。

9.如权利要求7所述的微型光声显微成像头组成的系统，其特征在于，还包括二维伺服电机，所述显微成像头固定在所述二维伺服电机上。