CN109164046B - 一种皮秒超声波细胞成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种皮秒超声波成像系统及方法，激光器光源装置提供飞秒级激光，输出的激光光束分成两束，一束泵浦光激发皮秒超声波，一束作为探测光。泵浦光通过光学显微镜物镜聚焦在单个纳米颗粒上，受激发的单个纳米颗粒将光能转换成热能，同时产生皮秒超声信号，由探测光进行超声波检测。通过检测负载在单个纳米颗粒上的细胞内的超声波信息，经过逐点扫描成像装置可获得细胞的高分辨成像，实现了皮秒超声波细胞成像。并且是一种无损的非侵入性生物细胞成像方式，能更精确的测量细胞的力学性能。

Description

一种皮秒超声波细胞成像装置及方法

技术领域

本发明涉及光声成像技术领域，特别是涉及一种皮秒超声波细胞成像装置及方法。

背景技术

光声成像结合了纯光学成像空间分辨率高、灵敏度高和超声穿透力强的优势，成为了当前非常有前景的医学成像技术。光声成像的基本原理是当调制光或者脉冲光照射材料物质时，材料及其邻近介质因吸收光能热胀冷缩而产生应力改变，继而激发声波。皮秒超声波成像技术是利用单一纳米颗粒作为光声效应的载体，通过单一纳米颗粒在飞秒脉冲激光的激发下产生的皮秒超声信号，获得生物组织或材料的断层图像或三维立体图像的成像技术。

皮秒超声技术中所使用的光学传感器多为金属或半导体薄膜，声源的大小受激发光斑的尺寸和电子在薄膜中的扩散的影响，而使得成像的空间分辨率受限，同时用于检测皮秒超声波的装置也较少，使得皮秒超声波在生物成像的应用不成熟，无法将皮秒超声波应用到细胞成像上，从而无法实现更精准的测量细胞的力学性能。

发明内容

针对于上述问题，本发明提供一种皮秒超声波细胞成像装置及方法，实现了将皮秒超声波应用到细胞成像上，从而实现更精准的测量细胞的力学性能。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种皮秒超声波细胞成像系统，包括：激光器光源装置、光路调节装置、光学显微物镜、信号采集装置和逐点扫描成像装置，其中，

所述激光器光源装置，用于提供飞秒激光，并将所述飞秒激光发送至所述光路调节装置；

所述光路调节装置，用于接收所述飞秒激光，并输出两束激光光束，其中，所述两束激光光束包括泵浦光和探测光；

所述光学显微物镜，用于接收所述泵浦光，并将所述泵浦光聚集在单个纳米颗粒上，使得受所述泵浦光激发的单个纳米颗粒将光能转换成热能，产生皮秒超声信号，其中，待测细胞置于所述单个纳米颗粒上，所述单个纳米颗粒位于测试平台上；

所述信号采集装置，用于通过探测光进行皮秒超声信号检测，将检测到负载在所述单个纳米颗粒上的细胞内的超声波信息时，将所述超声波信息发送至所述逐点扫描成像装置；

所述逐点扫描成像装置，用于根据所述超声波信息，生成所述待测细胞的皮秒超声波细胞成像。

可选地，所述系统还包括位移平台，其中，所述测试平台设置在所述位移平台上；

所述光学显微物镜，还用于观察所述位移平台上的待测细胞。

可选地，所述系统还包括控制装置，所述控制装置与所述位置平台连接，其中，

所述控制装置，用于控制所述位移平台的移动，使得所述待测细胞对应的观察区域进行移动。

可选地，所述信号采集装置包括锁相放大器，其中，

所述锁相放大器，用于检测由于泵浦光激发造成的所述探测光强度的变化。

可选地，当所述泵浦光激发所述单个纳米颗粒，使得所述单个纳米颗粒产生振动时，所述锁相放大器还用于：

检测振动产生的皮秒超声波对所述探测光的作用信息。

可选地，所述系统还包括：信号处理装置，所述信号处理装置与所述逐点扫描成像装置连接；

所述信号处理装置，用于接收所述逐点扫描成像装置发送的皮秒超声波细胞成像，并对所述细胞成像进行分析获得待测细胞对应的力学性能信息。

可选地，所述光路调节装置包括：

分束器、扩束器、滤光片、法拉第隔离器、声光调节器、半波片和四分之一波片。

一种皮秒超声波细胞成像方法，应用于上述的皮秒超声波细胞成像系统，包括：

所述激光器光源装置提供飞秒激光，并将所述飞秒激光发送至所述光路调节装置；

所述光路调节装置接收所述飞秒激光，并输出两束激光光束，其中，所述两束激光光束包括泵浦光和探测光；

所述光学显微物镜接收所述泵浦光，并将所述泵浦光聚集在单个纳米颗粒上，使得受所述泵浦光激发的单个纳米颗粒将光能转换成热能，产生皮秒超声信号，其中，待测细胞置于所述单个纳米颗粒上，所述单个纳米颗粒位于测试平台上；

所述信号采集装置通过探测光进行皮秒超声信号检测，将检测到负载在所述单个纳米颗粒上的细胞内的超声波信息时，将所述超声波信息发送至所述逐点扫描成像装置；

所述逐点扫描成像装置根据所述超声波信息，生成所述待测细胞的皮秒超声波细胞成像。

可选地，当产生皮秒超声信号时，该方法还包括：

所述信号采集装置对所述皮秒超声波信号进行采集。

可选地，所述信号采集装置对所述皮秒超声波信号进行采集，包括：

当所述泵浦光与所述探测光的光斑重合时，以所述泵浦光和所述探测光的相对延时作为变量，对待测细胞的动力学特征进行定点采集；

当所述泵浦光与所述探测光的延时达到预定阈值时，采集目标时刻的待测细胞在目标区域的瞬态信号；

当所述泵浦光和所述探测光的延时固定时，将所述泵浦光固定，改变探测光的扫描区域，获得目标时刻待测细胞局部或者整体的瞬态信号。

相较于现有技术，本发明提供了一种皮秒超声波成像系统及方法，激光器光源装置提供飞秒级激光，输出的激光光束分成两束，一束泵浦光激发皮秒超声波，一束作为探测光。泵浦光通过光学显微镜物镜聚焦在单个纳米颗粒上，受激发的单个纳米颗粒将光能转换成热能，同时产生皮秒超声信号，由探测光进行超声波检测。通过检测负载在单个纳米颗粒上的细胞内的超声波信息，经过逐点扫描成像装置可获得细胞的高分辨成像，实现了皮秒超声波细胞成像。并且是一种无损的非侵入性生物细胞成像方式，能更精确的测量细胞的力学性能。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种皮秒超声波成像系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种皮秒超声波成像方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种化学合成的Au纳米薄板的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种实验中皮秒超声波的产生以及探测过程的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有设定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

在本发明实施例中提供了一种皮秒超声波细胞成像系统，包括：激光器光源装置101、光路调节装置102、光学显微物镜103、信号采集装置104和逐点扫描成像装置105，其中，

所述激光器光源装置101，用于提供飞秒激光，并将所述飞秒激光发送至所述光路调节装置102；

所述光路调节装置102，用于接收所述飞秒激光，并输出两束激光光束，其中，所述两束激光光束包括泵浦光和探测光。

所述光学显微物镜103，用于接收所述泵浦光，并将所述泵浦光聚集在单个纳米颗粒上，使得受所述泵浦光激发的单个纳米颗粒将光能转换成热能，产生皮秒超声信号，其中，待测细胞置于所述单个纳米颗粒上，所述单个纳米颗粒位于测试平台上；

所述信号采集装置104，用于通过探测光进行皮秒超声信号检测，将检测到负载在所述单个纳米颗粒上的细胞内的超声波信息时，将所述超声波信息发送至所述逐点扫描成像装置；

所述逐点扫描成像装置105，用于根据所述超声波信息，生成所述待测细胞的皮秒超声波细胞成像。

具体的，待测细胞置于测试平台上的单个纳米颗粒上，单个纳米颗粒可以为金属纳米颗粒，例如纳米金片或者纳米金棒。激光器光源装置101可以提供飞秒级激光，例如，提供150fs，700-1000nm的光谱选择范围。由于光路调节装置包括了分束器可以将该光束分为两束，即输出的激光光束，一束为泵浦光用于激发皮秒超声波；其中，激光器光源装置由阈值相匹配的BBO倍频器件作为附件，另一束通过BBO倍频作为探测光。其中，泵浦光通过光学显微物镜103聚焦在单个纳米颗粒上，受激发的单个纳米颗粒将光能转换成热能，同时产生皮秒超声信号，由探测光进行超声波检测。

泵浦光和探测光在时间上的延迟可以通过一个机械延迟线进行控制，因为在采集信号中，如果泵浦光照射到待测细胞上的同时，探测光也照射到待测细胞，这种情况下为零延迟，泵浦光照射到待测细胞上之后一段时间探测光再照射到样品上的情况为有延迟，延迟时间不用采集到的样品信号会不用。

通过检测检测负载在单个纳米颗粒上的细胞内的超声波信息，经过CCD成像系统可获得细胞的高分辨成像。

本发明提供了一种皮秒超声波成像系统，激光器光源装置提供飞秒级激光，输出的激光光束分成两束，一束泵浦光激发皮秒超声波，一束作为探测光。泵浦光通过光学显微镜物镜聚焦在单个纳米颗粒上，受激发的单个纳米颗粒将光能转换成热能，同时产生皮秒超声信号，由探测光进行超声波检测。通过检测负载在单个纳米颗粒上的细胞内的超声波信息，经过逐点扫描成像装置可获得细胞的高分辨成像，实现了皮秒超声波细胞成像。并且是一种无损的非侵入性生物细胞成像方式，能更精确的测量细胞的力学性能。

对应的上述实施例的基础上，该系统还可以包括：位移平台，其中，所述测试平台设置在所述位移平台上；

所述光学显微物镜，还用于观察所述位移平台上的待测细胞。

对应的，所述系统还包括控制装置，所述控制装置与所述位置平台连接，其中，

所述控制装置，用于控制所述位移平台的移动，使得所述待测细胞对应的观察区域进行移动。

控制装置可以用来控制位移平台，其控制方式可以通过软件操作实现，也可以直接通过控制装置上的按钮来操作，包括沿X、Y、Z三个方向移动样品。即样品的区域选择可通过控制装置对位移平台的控制来实现。

可选地，所述信号采集装置包括锁相放大器，其中，

所述锁相放大器，用于检测由于泵浦光激发造成的所述探测光强度的变化。

当然，信号采集装置可以包括锁相放大器和电脑及配套操作软件，锁相放大器将采集的信号传输到电脑的操作系统中，信号采集装置可用来收集测试谱线及图谱。

具体的，当所述泵浦光激发所述单个纳米颗粒，使得所述单个纳米颗粒产生振动时，所述锁相放大器还用于：

检测振动产生的皮秒超声波对所述探测光的作用信息。

对应的，所述系统还包括：信号处理装置，所述信号处理装置与所述逐点扫描成像装置连接；

所述信号处理装置，用于接收所述逐点扫描成像装置发送的皮秒超声波细胞成像，并对所述细胞成像进行分析获得待测细胞对应的力学性能信息。

同样，信号采集装置可以将光学信号以图谱的形式传递给信号处理装置用于数据分析。

具体的，所述光路调节装置包括：

分束器、扩束器、滤光片、法拉第隔离器、声光调节器、半波片和四分之一波片。光路调节装置可调整泵浦光和探测光的传播方向及光程。

在本发明实施例中还提供了一种皮秒超声波细胞成像方法，参见图2，应用于上述的皮秒超声波细胞成像系统，包括：

S201、所述激光器光源装置提供飞秒激光，并将所述飞秒激光发送至所述光路调节装置；

S202、所述光路调节装置接收所述飞秒激光，并输出两束激光光束，其中，所述两束激光光束包括泵浦光和探测光。

S203、所述光学显微物镜接收所述泵浦光，并将所述泵浦光聚集在单个纳米颗粒上；

使得受所述泵浦光激发的单个纳米颗粒将光能转换成热能，产生皮秒超声信号，其中，待测细胞置于所述单个纳米颗粒上，所述单个纳米颗粒位于测试平台上；

S204、所述信号采集装置通过探测光进行皮秒超声信号检测，将检测到负载在所述单个纳米颗粒上的细胞内的超声波信息时，将所述超声波信息发送至所述逐点扫描成像装置；

S205、所述逐点扫描成像装置根据所述超声波信息，生成所述待测细胞的皮秒超声波细胞成像。

对应的，当产生皮秒超声信号时，该方法还包括：

所述信号采集装置对所述皮秒超声波信号进行采集。

具体的，所述信号采集装置对所述皮秒超声波信号进行采集，包括：

当所述泵浦光与所述探测光的光斑重合时，以所述泵浦光和所述探测光的相对延时作为变量，对待测细胞的动力学特征进行定点采集；

当所述泵浦光与所述探测光的延时达到预定阈值时，采集目标时刻的待测细胞在目标区域的瞬态信号；

当所述泵浦光和所述探测光的延时固定时，将所述泵浦光固定，改变探测光的扫描区域，获得目标时刻待测细胞局部或者整体的瞬态信号。

本发明提供了一种皮秒超声波成像方法，激光器光源装置提供飞秒级激光，输出的激光光束分成两束，一束泵浦光激发皮秒超声波，一束作为探测光。泵浦光通过光学显微镜物镜聚焦在单个纳米颗粒上，受激发的单个纳米颗粒将光能转换成热能，同时产生皮秒超声信号，由探测光进行超声波检测。通过检测负载在单个纳米颗粒上的细胞内的超声波信息，经过逐点扫描成像装置可获得细胞的高分辨成像，实现了皮秒超声波细胞成像。并且是一种无损的非侵入性生物细胞成像方式，能更精确的测量细胞的力学性能。

目前，皮秒超声波的产生基本都是通过激发金属和半导体薄膜，而研究纳米颗粒的皮秒超声波源测相对较少。在本发明中将化学合成的Au纳米薄板可以作为有效的皮秒超声波源。参见图3和图4，图3为一种化学合成的Au纳米薄板。图4显示了实验中皮秒超声波的产生以及探测过程。图4中a部分为化学合成的Au纳米薄板，泵浦光和探测光通过显微镜物镜聚焦于Au纳米薄板之上，其中泵浦光激发Au纳米薄板产生皮秒超声波，产生的皮秒超声波将通过玻璃进行传播。探测光束在Au/玻璃界面因为反射产生光束A，同时，传播的皮秒超声波在玻璃介质中会造成局部应力的变化，将产生反射光束B。通过检测反射光束的强度，光束A和B的干涉因此产生了检测强度的周期性变化，其信号如图4的c部分所示。这种周期性的信号(图4中d部分)，称为皮秒超声波(或者布里渊振动)。其中皮秒超声波的频率和衰减过程可以通过分析其傅里叶变换曲线，如图4中e部分所示。

细胞力学(cell mechanics)在细胞或者组织的发展过程中发挥着关键作用，如细胞的迁移，增殖，分化和组织形态的构成等等。此外，许多疾病的发展也与细胞力学的改变息息相关，如癌症的病变。细胞在生长、分裂的各个周期，其内部的微环境都会发生周期性的变化。而且，细胞内的许多部分，从内质网、线粒体到细胞核，生物功能各不相同，也都拥有不同的粘度。

金属纳米颗粒在光激发下产生的皮秒超声波，该声波信号在不同粘度的液体媒介中的阻尼振动，研究细胞内液体的粘度，并绘制细胞内粘度的空间分布。可见，皮秒超声波细胞成像作为一种新兴的细胞成像技术，是一种无损的非侵入性生物细胞成像方式，能更精确的测量细胞的力学性能，更全面的了解细胞在各个阶段的变化，并理解与疾病的相关性，对人类疾病的探索有重要意义。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种应用于皮秒超声波细胞成像系统的皮秒超声波细胞成像方法，其特征在于，所述皮秒超声波细胞成像系统包括：激光器光源装置、光路调节装置、光学显微物镜、信号采集装置和逐点扫描成像装置，所述方法包括：

所述激光器光源装置提供飞秒激光，并将所述飞秒激光发送至所述光路调节装置；

所述光路调节装置接收所述飞秒激光，并输出两束激光光束，其中，所述两束激光光束包括泵浦光和探测光；

所述光学显微物镜接收所述泵浦光，并将所述泵浦光聚集在单个纳米颗粒上，使得受所述泵浦光激发的单个纳米颗粒将光能转换成热能，产生皮秒超声信号，其中，待测细胞置于所述单个纳米颗粒上，所述单个纳米颗粒位于测试平台上，所述单个纳米颗粒为Au纳米薄板；

所述信号采集装置通过探测光进行皮秒超声信号检测，将检测到负载在所述单个纳米颗粒上的细胞内的超声波信息时，将所述超声波信息发送至所述逐点扫描成像装置；

所述逐点扫描成像装置根据所述超声波信息，生成所述待测细胞的皮秒超声波细胞成像；

当产生皮秒超声信号时，该方法还包括：

所述信号采集装置对所述皮秒超声波信号进行采集，包括：

当所述泵浦光与所述探测光的光斑重合时，以所述泵浦光和所述探测光的相对延时作为变量，对待测细胞的动力学特征进行定点采集；

当所述泵浦光与所述探测光的延时达到预定阈值时，采集目标时刻的待测细胞在目标区域的瞬态信号；

当所述泵浦光和所述探测光的延时固定时，将所述泵浦光固定，改变探测光的扫描区域，获得目标时刻待测细胞局部或者整体的瞬态信号，

其中，所述泵浦光和所述探测光在时间上的延迟通过一机械延迟线进行控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述系统还包括位移平台，其中，所述测试平台设置在所述位移平台上；

所述光学显微物镜，还用于观察所述位移平台上的待测细胞。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述系统还包括控制装置，所述控制装置与所述位移平台连接，其中，

所述控制装置，用于控制所述位移平台的移动，使得所述待测细胞对应的观察区域进行移动。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号采集装置包括锁相放大器，其中，

所述锁相放大器，用于检测由于泵浦光激发造成的所述探测光强度的变化。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当所述泵浦光激发所述单个纳米颗粒，使得所述单个纳米颗粒产生振动时，所述锁相放大器还用于：

检测振动产生的皮秒超声波对所述探测光的作用信息。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述系统还包括：信号处理装置，所述信号处理装置与所述逐点扫描成像装置连接；

所述信号处理装置，用于接收所述逐点扫描成像装置发送的皮秒超声波细胞成像，并对所述细胞成像进行分析获得待测细胞对应的力学性能信息。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光路调节装置包括：

分束器、扩束器、滤光片、法拉第隔离器、声光调节器、半波片和四分之一波片。

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