CN108535194B - 一种基于表面等离子共振的光声显微成像系统以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于表面等离子共振的光声显微成像系统以及方法，该系统生成激发光，该激发光作用于被测对象产生和返回作用于液体界面的光声波，该液体界面的折射率随着该光声波的压力变化而改变；该系统还生成探测光，该探测光路作用于该金属膜，使该金属膜产生表面等离子共振现象，在表面等离子共振处，所述探测光路感应该液体界面的折射率变化，改变探测光的相位；该系统还用于形成迈克尔逊干涉，采集干涉光强值并根据该干涉光强值生成对比图像。本发明的光声显微成像系统以及方法，利用紧聚焦矢量光的强局域效应提高系统探测带宽；该传感器采用相位型解析方式可提高成像灵敏度，从而实现兼具高信噪比和宽谱检测能力的光声显微成像系统。

Description

一种基于表面等离子共振的光声显微成像系统以及方法

技术领域

本发明涉及显微成像技术领域，特别是涉及一种基于表面等离子共振的光声显微成像系统和方法。

背景技术

目前，光声成像是采用“光激发-诱导光声信号-光声探测-图像重建”的方法进行成像。光声成像技术在图像分辨率、对比度和信息量等方面比许多传统影像技术具有显著优势。

光声成像因具备光学成像和声学成像两者的优点，包括光学激发和声学探测。利用激发光的脉冲激光照射生物组织，当组织吸收光能量后受热膨胀形成瞬时压力，产生一个宽带的超声信号。通过探测光声效应产生的光声信号，反演成像区域内部物质的光学特性，并据此重构光照射区域内部的图像。

早期的光声断层成像具备约200微米空间分辨率，其后的暗场照明型光声显微镜不仅提升了横向分辨率至约50微米，而且明显改善了图像质量，成功观测到皮下大于3毫米的黑色素肿瘤和血管网络的三维结构。现有的光声显微镜达到微米级横向分辨率，清晰成像了包括毛细血管甚至红血球细胞的微循环结构。凭借独特的光学吸收对比机制，在血管生理学、肿瘤学及脑科学等众多领域展现出巨大的应用潜力和市场前景

现有的光声显微成像技术，无论是光学分辨率(OR-PAM)或声学分辨率(AR-PAM)的点扫描技术，还是面扫描技术，都是基于压电超声换能器实现的。由于压电超声换能器自身属性的限制，探测带宽一般在几十兆赫兹，纵向分辨率一般在几十微米，探测灵敏度噪声等效声压约为800帕斯卡。

传统的光声成像系统一般采用的压电超声换能器探测光声信号，由于受压电材料本身属性的制约，换能器普遍存在探测带宽窄，比如20兆赫兹，以及灵敏度低的问题。换能器带宽限制了光声成像的纵向分辨率，不仅影响深度定位的精准度，而且会使后续制作的三维图像细节缺失和严重失真。同时，有限的探测带宽会损失采集的光谱信息，引起饱和效应，从而无法准确反映被测物质的光学吸收特性。换能器的低灵敏度会严重影响信噪比，降低光声图像质量。比如，具有约800帕斯卡低探测灵敏度的压电超声换能器，会造成光声图像的对比度低和高频信息的缺失。另外，传统压基超声换能器体积大并且不透明，限制了光学分辨率的横向分辨率和与其它光学显微成像技术结合的能力。

因此，现有的光声显微成像技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明针对以上存在的技术问题，提供一种利用紧聚焦矢量光的强局域效应并基于表面等离子共振，使探测光相位随着液体折射率变化而变化的光声显微成像系统以及方法，该系统以及方采用相位型解析方式可提高成像灵敏度，兼具高信噪比和宽谱检测能力，本发明的光声显微成像系统具有200兆赫兹以上的较大探测带宽以及约50帕斯卡的高灵敏度，并且易于与其它光学系统结合。

第一方面，本发明实施方式提供的技术方案是：提供一种基于表面等离子共振的光声显微成像系统，包括光声波光路、探测光光路、光束分合光路、相位耦合传感器以及信号采集模组；

该相位耦合传感器包括液体界面与金属膜，且所述液体界面与所述金属膜相接触；

该光声波光路用于生成激发光，该激发光作用于被测对象产生和返回光声波，该光声波作用于该液体界面，使该液体界面的折射率随着该光声波的压力变化而改变；

该探测光光路用于生成探测光，该探测光由该光束分合光路分光分为探测光路和参考光路，该探测光路作用于该金属膜，使该金属膜产生表面等离子共振现象，在表面等离子共振处，该探测光路感应该液体界面的折射率变化，改变该探测光的相位；

该光束分合光路还用于使该改变相位的探测光路与该参考光路的进行干涉，该信号采集模组用于采集干涉光强值并根据该干涉光强值生成对比图像。

其中，该探测光路采用径向偏振光，该探测光路设置提高系统带宽的高数值孔径的物镜，通过该高数值孔径的物镜紧聚焦在该金属膜上。

在迈克尔逊干涉中，该参考光路通过反射镜反射与该改变相位的探测光路进行合束干涉，并通过提高系统灵敏度的衰减片调整合束的干涉效果光束质量。

该系统还包括第二分光镜以及成像装置，该第二分光镜用于将该合束的参考光路和该改变相位的探测光路再分束，该成像装置用于图像监测该参考光路与该改变相位的探测光路的干涉效果。

具体地，该光声波光路包括激发光光源、第一短焦透镜以及第一长焦透镜。

具体地，该探测光光路包括探测光源、第二短焦透镜、第二长焦透镜、起偏器、半波片以及涡旋半波片。

具体地，该光束分合光路包括用于的合束该激发光与该探测光路的二向色镜、第一分光镜、以及聚焦透镜。

该系统还包括连接该信号采集模组的三维图像创建模块。

第二方面，本发明实施方式提供的技术方案是：提供一种基于表面等离子共振的光声显微成像方法，包括以下步骤：

生成激发光，该激发光作用于被测对象产生和返回光声波，该光声波挤压液体界面，使该液体界面的折射率随着该光声波的压力变化而改变；

生成探测光，该探测光经分光分为探测光路和参考光路，该探测光路作用于金属膜，使该金属膜产生表面等离子共振现象；

该液体界面接触该金属膜，在表面等离子共振处，该探测光路感应该液体界面的折射率变化，改变该探测光的相位；

采集该改变相位的探测光路与该参考光路的干涉光强值；

根据该干涉光强值生成对比图像。

优选地，该探测光路设置提高系统带宽的高数值孔径的物镜，通过该高数值孔径的物镜紧聚焦在该金属膜上。

优选地，该参考光路通过反射镜反射与该改变相位的探测光路进行合束干涉，并通过提高系统灵敏度的衰减片调整合束的干涉效果。

优选地，将该合束的参考光路和该改变相位的探测光路再分束，并图像监测该参考光路与该改变相位的探测光路的干涉效果。

本发明实施方式的有益效果是：本实施例的基于表面等离子共振的光声显微成像系统为一种基于表面等离子共振耦合液体折射率变化的位相型紧聚焦结构的光声显微成像系统。该系统和方法利用紧聚焦矢量光的强局域效应并基于表面等离子共振，使探测光相位灵敏地随着液体折射率变化而变化，该相位型解析方式可提高成像灵敏度，使系统兼具高信噪比和宽谱检测能力。该光声显微成像系统具有200兆赫兹以上的较大探测带宽以及约50帕斯卡的高灵敏度度并且易于与其它光学系统结合。

受激发光产生的光声压导致金属膜上的液体界面的折射率发生变化，变化的折射率使入射的径向偏振光位相随时间快速变化，利用迈克尔逊干涉仪，使干涉后的光强随着对被测对象检测位置的变化，把位相信息调制为强度信息，进而实现光声信号的高灵敏宽谱检测。本发明经过实验验证，灵敏度可以达到10-9(RIU)级别以上，对应的折射率为几十帕。

综上，一方面，本系统的探测光通过紧聚焦物镜进行聚焦，提高系统的探测带宽，另一方面，本系统的探测光采用径向偏振光去激发金属膜，径向偏振光较线偏光被聚焦后的光斑小，能进一步提高系统的探测带宽。

附图说明

图1是本发明实施例基于表面等离子共振的光声显微成像系统的模块示意图；

图2是本发明实施例基于表面等离子共振的光声显微成像系统的具体结构示意图；以及

图3是本发明实施例血细胞脉冲信号分析处理方法的探测流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例作进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本申请的基于表面等离子共振的光声显微成像系统以及方法，设置激发光光路和探测光光路，探测光光路发出的探测光经分光分为探测光路和参考光路，激发光路的激发光使被测组织产生光声波，该光声波挤压液体界面，在表面等离子共振处，所述探测光路感应液体折射率的变化，耦合光声波的压力变化。基于表面等离子共振使探测光的相位变化跟随液体折射率的变化而变化，从而形成紧聚焦传感器以提高系统探测带宽，该紧聚焦传感器采用相位型解析方式可提高成像灵敏度。

基于表面等离激元共振(Surface Plasmon Resonance，表面等离子共振)进行光声信号探测，主要分两大类：第一种是棱镜型表面等离子共振；另一种是基于提高系统带宽的紧聚焦型物镜激发的表面等离子共振。表面等离子体共振生物传感器采用多种方式检测信号，主要分角度、波长、强度、相位检测技术。在棱镜型表面等离子共振的光声显微成像系统中，由于棱镜自身占据较大空间，限制了反射式光声显微成像的横向分辨率和与其它光学成像技术的结合能力。其次棱镜型表面等离子共振很难引入特殊光束，比如：涡旋光束，柱形矢量光束进行激发，制约了其灵敏度和动态范围的提高。与强度、角度、波长调制型光声显微成像技术相比，位相型探测技术具有更高的探测灵敏度。

本实施例依托表面等离子共振使光声波的变化可被探测光感应到，并随着折射率的变化而变化，当一束径向偏振光通过高NA物镜聚焦，某一特定角度的光会激发金属膜，比如金膜(Au)或者银膜(Ag)，使金属膜表面产生表面等离子波。当入射光波的传播常数与表面等离子波的传播常数相匹配时，引起金属膜内自由电子产生共振，即表面等离子共振。为解决灵敏度低、带宽窄等问题，本实施例中将超高灵敏度、高带宽表面等离子共振位相型紧聚焦结构引入光声成像领域，设计了一种基于表面等离子共振位相探测光声显微系统，该系统采用径向偏振光激发等离子体，使探测光感应光声波的变化，实现对微弱光声波的超灵敏、宽谱探测，从而提升光声成像的空间分辨、灵敏度、声谱探测能力。

在本实施例的光声成像中，探测光路中将径向偏振光通过高NA的物镜，获得更小的光斑去激发产生表面等离子共振；被测组织产生的光声压导致金属膜与液体界面的折射率发生变化，变化的折射率使入射的径向偏振光位相随时间快速变化，利用迈克尔逊干涉仪，使干涉后的光强随被测组织的检测位置变化，把位相信息调制为强度信息，进而实现光声信号的高灵敏宽谱检测。

实施例1

请参考图1以及图2，本实施例的基于表面等离子共振的光声显微成像系统包括光声波光路120、探测光光路110、光束分合光路140、相位耦合传感器130、信号采集模组160以及三维图像创建模块170。

该相位耦合传感器130包括液体界面16与金属膜15，且液体界面16与金属膜15相接触。在优选实施例中，该液体界面16为去离子水界面，该金属膜15为金膜或者银膜。

该光声波光路120用于生成激发光，该激发光作用于被测对象产生和返回光声波，该光声波作用于该液体界面16，使该液体界面16的折射率随着该光声波的压力变化而改变。

该探测光光路110用于生成探测光，该探测光由该光束分合光路140分光分为探测光路和参考光路，该探测光路作用于该金属膜15，使该金属膜15产生表面等离子共振现象，在该表面等离子共振处，该探测光感应该液体界面16的折射率变化，随着该折射率的变化改变该探测光的相位。

该光束分合光路140还用于使该改变相位的探测光路与该参考光路的发生迈克尔逊干涉，该信号采集模组160用于采集干涉光强值并根据该干涉光强值生成对比图像。

其中，该相位耦合传感器130除了包括互相接触的液体界面16与金属膜15，还包括高数值孔径的物镜14。该探测光路通过该高数值孔径的物镜14紧聚焦在该金属膜15上。本实施例中，该高数值孔径的物镜14为NA＝1.49的油浸物镜，该高数值孔径的物镜14、金属膜15和液体界面16组成相位耦合传感器将激发光与探测光引入后续测量作业。

该系统还包括参考光调制光路150。该参考光调制光路150包括反射镜9以及衰减片8。在迈克尔逊干涉中，该参考光路通过反射镜9反射与该改变相位的探测光路进行合束干涉，并通过衰减片8调整合束的干涉效果，提高系统的灵敏度。该反射镜9为金膜镀在玻璃片上而成。

请一并参考图2，在具体实施例中，该光声波光路120包括产生激发光的激发光光源13、第一短焦透镜12以及第一长焦透镜11。该激发光光源13为λ＝532纳米波长的纳秒脉冲激光器。

该探测光光路110包括产生探测光的探测光源1、第二短焦透镜2、第二长焦透镜3、起偏器4、半波片5以及涡旋半波片6。该探测光源1为λ＝633纳米的氦氖激光器。该起偏器4、半波片5以及涡旋半波片6组成透镜扩束(探测光调制)模组。

其中，该激发光光源13的激发光与探测光共用高数值孔径的物镜14。

在本实施例中，该探测光为径向偏振光。产生径向偏振光的方法有很多，本文只列举一种能量利用率较高、较方便的径向偏振光产生方式。

同时，激发产生表面等离子共振的金属膜15，还可以是其他金属膜，如银膜等，不同的金属膜对应的激发角度也有差异。

该探测光源1可以更换其它波长的激光器，对应的金属膜15的厚度也应改变。

该光束分合光路140包括用于的合束该激发光与该探测光路的二向色镜10、第一分光镜7、以及聚焦透镜19。该第一分光镜7以1:1的比例将探测光分为探测光路和参考光路。该二向色镜10对633波长的探测光透射，对532波长的激发光反射。

为了检测迈克尔逊干涉的效果，该系统还包括第二分光镜23以及成像装置18，本实施例中该成像装置18为CCD成像装置。该第二分光镜23用于将该合束的参考光路和该改变相位的探测光路再分束，该成像装置18用于图像监测该参考光路与该改变相位的探测光路的干涉效果。

该系统还包括光电检测器20、连接光电检测器20的示波器22以及连接示波器22的主机21。经过该第二分光镜23并且合束的参考光路和改变相位的探测光路形成干涉，通过该光电检测器20，比如雪崩光电检测器，检测干涉光强值，并由光电示波器20显示。同时，该主机21获取采集对应被测组织位置的实时光强值，并根据该干涉光强值生成对比图像。

其中，被激发产生的光声波信号在液体介质，比如去离子水中传播，压缩或拉伸液体介质，使液体介质的折射率发生高速变化。该探测光源1由探测激光转变成径向偏振光通过高数值孔径的物镜14入射到该金属膜15。该径向偏振光激发产生表面等离子体共振，使探测光的相位随着液体介质的折射率变化而变化。例如：径向偏振光P0的初始相位为Φ0，由光声波作用引起的位相变化为△Φ，改变后位相后的径向偏振光，记为P1，将两束光P0和P1进行干涉，比如采用迈克尔逊干涉仪。由成像装置18监测干涉情况，雪崩光电探测器20探测干涉光强值及其变化，将相应光强值数据传入主机21的数据数据采集卡。主机21控制程序控制二维电动位移台扫描被测对象，比如被测组织，所采集的光强值数据经过主机21的三维图像创建模块170的程序重建呈现三维图像。

实施例2

请参考图3，本实施例的基于表面等离子共振的光声显微成像方法，包括以下步骤：

步骤101：生成激发光，该激发光作用于被测对象产生和返回光声波，该光声波挤压液体界面16，使该液体界面16的折射率随着该光声波的压力变化而改变；

步骤102：生成探测光，该探测光经分光分为探测光路和参考光路，该探测光路作用于金属膜15，使该金属膜15产生表面等离子共振现象；

步骤103：该液体界面16接触该金属膜15，该探测光感应该液体界面16的折射率变化，随着该折射率的变化而改变该探测光的相位；

步骤104：采集该改变相位的探测光路与该参考光路的干涉光强值；

步骤105：根据该干涉光强值生成对比图像。

为了获取更小的光斑来激发表面等离子共振，提高灵敏度，该探测光路通过高数值孔径的物镜14紧聚焦在该金属膜15上。

为了形成迈克尔逊干涉，该参考光路通过反射镜9反射与该改变相位的探测光路进行合束干涉，并通过衰减片8调整该参考光合束的干涉效果。本实施例中，该参考光光强比较强，在改变相位的探测光中，激发表面等离子共振的部分光强比较弱，通过使用衰减片8调节该参考光的光强，使得该探测光和参考光这两路光产生较好的干涉效果。

为了实时监测干涉效果，将该合束的参考光路和该改变相位的探测光路再分束，并图像监测该参考光路与该改变相位的探测光路的干涉效果。

本实施例的基于表面等离子共振的光声显微成像系统和方法，为一种基于表面等离子共振使探测光随着液体折射率变化而改变相位的位相型紧聚焦结构的光声显微成像系统。

该系统和方法的激发光照射生物组织样品，受激产生的光声波的压力变化导致金属膜与液体界面的折射率发生变化，而在表面等离子共振处探测光路对周围折射率的改变非常敏感，同步改变了探测光路的径向偏振光的相位，因此变化的折射率使入射的探测光的径向偏振光位相随时间快速变化，利用迈克尔逊干涉，使干涉后的光强值随被测组织的检测位置变化，把位相信息调制为光强值信息，进而实现光声信号的高灵敏宽谱检测。本实施例的耦合方式相比传统的压电陶瓷换能器在灵敏度方面会有1～2个量级的提高，同时增大探测带宽以及压力敏感度。使本发明的光声显微成像系统具有200兆赫兹以上的较大探测带宽以及约50帕斯卡的高灵敏度度并且易于与其它光学系统结合。本发明经过实验验证，灵敏度可以达到10-9RIU级别以上，对应的折射率为几十帕。由于倏逝波的穿透深度在波长量级，对应的探测带宽为兆赫兹级别。

本发明的系统和方法通过共用一个高数值孔径的物镜14来实现光声信号的反射式探测。在反射式探测中，探测光和激发光共用一个高数值孔径的物镜14，简化了系统的结构，易于和其它成像系统结合。同时探测光和激发光共轴，可进一步提高系统的灵敏度以及提高光声显微镜的横向分辨率和应用范围。同时，探测光通过高数值孔径的物镜，亦即紧聚焦物镜进行聚焦，可提高系统的探测带宽，另外，本系统的探测光采用径向偏振光去激发金属膜，径向偏振光较线偏光被聚焦后的光斑小，能进一步提高系统的探测带宽。

并且，本发明的系统和方法中的紧聚焦结构探测光斑小，大幅度降低声波共振引起的带宽缩减。由于倏逝波的穿透深度在波长量级，对应的探测带宽为兆赫兹级别。径向偏振光通过高数值孔径的物镜14可获得较小光斑，产生的表面等离子体共振波穿透深度很短，这使得该显微镜具有极高的带宽以及超高的纵向分辨率。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种基于表面等离子共振的光声显微成像系统，其特征在于，包括光声波光路、探测光光路、光束分合光路、相位耦合传感器以及信号采集模组；

所述相位耦合传感器包括液体界面与金属膜，且所述液体界面与所述金属膜相接触；

所述光声波光路用于生成激发光，所述激发光作用于被测对象产生和返回光声波，所述光声波挤压液体界面，使所述液体界面的折射率随着所述光声波的压力变化而改变；

所述探测光光路用于生成探测光，所述探测光由所述光束分合光路分光分为探测光路和参考光路，所述探测光路作用于所述金属膜，使所述金属膜产生表面等离子共振现象，在表面等离子共振处，所述探测光路感应所述液体界面的折射率变化改变所述探测光的相位；

所述光束分合光路还用于使改变相位的探测光路与所述参考光路进行干涉，所述信号采集模组用于采集干涉光强值并根据所述干涉光强值生成对比图像。

2.根据权利要求1所述的基于表面等离子共振的光声显微成像系统，其特征在于，所述探测光路采用径向偏振光，所述探测光路设置提高系统带宽的高数值孔径的物镜，通过所述高数值孔径的物镜紧聚焦在所述金属膜上。

3.根据权利要求2所述的基于表面等离子共振的光声显微成像系统，其特征在于，所述参考光路通过反射镜反射与所述改变相位的探测光路进行合束干涉，并通过提高系统灵敏度的衰减片调整合束的干涉效果。

4.根据权利要求3所述的基于表面等离子共振的光声显微成像系统，其特征在于，还包括第二分光镜以及成像装置，所述第二分光镜用于将合束的参考光路和所述改变相位的探测光路再分束，所述成像装置用于图像监测所述参考光路与所述改变相位的探测光路的干涉效果。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的基于表面等离子共振的光声显微成像系统，其特征在于，所述光声波光路包括激发光光源、第一短焦透镜以及第一长焦透镜。

6.根据权利要求5所述的基于表面等离子共振的光声显微成像系统，其特征在于，所述探测光光路包括探测光源、第二短焦透镜、第二长焦透镜、起偏器、半波片以及涡旋半波片。

7.根据权利要求6所述的基于表面等离子共振的光声显微成像系统，其特征在于，所述光束分合光路包括用于合束所述激发光与所述探测光路的二向色镜、第一分光镜、以及聚焦透镜。

8.根据权利要求7所述的基于表面等离子共振的光声显微成像系统，其特征在于，还包括连接所述信号采集模组的三维图像创建模块。

9.一种基于表面等离子共振的光声显微成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

生成激发光，所述激发光作用于被测对象产生和返回光声波，所述光声波挤压液体界面，使所述液体界面的折射率随着所述光声波的压力变化而改变；

生成探测光，所述探测光经分光分为探测光路和参考光路，所述探测光路作用于金属膜，使所述金属膜产生表面等离子共振现象；

所述液体界面接触所述金属膜，在表面等离子共振处，所述探测光路感应所述液体界面的折射率变化改变所述探测光的相位；

采集改变相位的探测光路与所述参考光路的干涉光强值；

根据所述干涉光强值生成对比图像。

10.根据权利要求9所述的基于表面等离子共振的光声显微成像方法，其特征在于，所述探测光路设置提高系统带宽的高数值孔径的物镜，通过所述高数值孔径的物镜紧聚焦在所述金属膜上。

11.根据权利要求9所述的基于表面等离子共振的光声显微成像方法，其特征在于，所述参考光路通过反射镜反射与所述改变相位的探测光路进行合束干涉，并通过提高系统灵敏度的衰减片调整合束的干涉效果。

12.根据权利要求9-11任意一项所述的基于表面等离子共振的光声显微成像方法，其特征在于，将合束的参考光路和所述改变相位的探测光路再分束，并图像监测所述参考光路与所述改变相位的探测光路的干涉效果。

Images