CN109507117A - 一种基于光声束整形的微纳成像检测实验装置 - Google Patents

一种基于光声束整形的微纳成像检测实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光声束整形的微纳成像检测实验装置，包括染料激光光源、基于非线性光子晶体的光束整形的前向扫描探头、第一反射镜、三维电动平台、扩束镜、毛玻璃、耦合液、升降台、样品池、换能器、嵌入式波前控制的后向跟踪探头、锁相放大器、数据采集器以及计算机。该实验装置能有效地工作在复杂光声场调控及自适应波前控制的免标记检测模式；所述的计算机通过信号线分别与染料激光光源、光束整形的前向扫描探头、三维电动平台、换能器、光束整形的前向扫描探头、锁相放大器相连。本发明既可实现多信号可拓补偿校正、快速剪切、精确配准等，也可实现对发生、发展、转移、诱导凋亡的多模态相关靶点进行定性、定位和定量的可拓剖析(EA)。

Description

一种基于光声束整形的微纳成像检测实验装置
技术领域
本发明属于多模态微纳成像、光声免标记检测技术领域，特别涉及一种基于非线性光子晶体的光声整形与微流体如石斛酚样品实时多模态成像检测的新型实验装置。
背景技术
光声成像检测自光声效应出现以来在分析化学、系统生物学、生物物理学、临床医学、生物制药等领域发挥着重要的作用。光声成像检测技术自身也在这些应用中不断地发展与完善。柱状弥散光源整形为管光束具有辐照深度和大范围的优势，体现了借助调制柱状光束在侵染通道内进行光辐照激发谐振信号新方式和位于侵染处的长焦区跟踪探头在无创诊断上具有潜在的应用前景，对开展活体侵染通道的光声成像技术研究具有重要指导意义。该技术完善成熟后，展示了非线性光子晶体在非线性光束整形、光量子信息处理等方面许多新的应用，可运用于前列腺、肠道和子宫等可实现体内光照射体外扫描探测进行癌变光声检测组织器官，具有很强的应用背景。
实际系统中包含了多模态交变流动与换热、非线性效应、时空多尺度问题等是一系列复杂的科学问题。目前对于这些科学问题的认识和研究还远不够。无论是采用理论分析、传统的场模拟方法、还是实验方法开展研究，都具有相当的难度。因而需要开拓新的研究思路，在压缩感知理论方面，提出波前控制的跟踪方法：自适应阈值幅度跟踪和递推选通门；实验方面，设计并搭建调控光声场的谐振信号的精准跟踪模式，内窥弱激波传播过程多模态靶点测定。因此解决该问题有望使光声成像检测更为精准、实用，从而透析原生态样品如石斛酚品质因素保持或提升的微观机制。
本发明的一个重要的创新点在于采用数字微镜器件(DMD)技术，基于非线性光子晶体的多模态柱状弥散光源整形为管光束所激发出来的谐振信号，进行可拓压缩感知、自适应跟踪采集，进而快速、高维、全域性图像重建，从而获取发生、发展、转移、诱导凋亡相关靶点的多模态信息。这样管光束整形的扫描探头，调控光束辐照分布提升系统功率与光声效率，保持高峰值功率扫描、高分辨检测精度，实现靶标结构和功能信息的多角度扫描，具有定性、定位和定量可拓剖析(EA)功能。
本发明的另一个创新点是微型嵌入式FP跟踪采集探头是开放性、自适应的，用数字逆滤波方法实现波前可拓控制，创建高速、高精度、多通路同步并行的多信号融合方法，灵敏探寻光声信号产生条件；多模态吸收特征分布的自适应压缩感知跟踪采集探头能更灵活地被剪裁和配置，自适应于全能性、全息性信号的检测要求，为透析靶标结构信息的可拓评价验证体系提供丰富、优质的原始数据。
此外，该装置基于非线性光子晶体的整形后管光束在组织中的光分布，进行光声图像自适应补偿，实现靶标结构和功能信息的多角度、高通量和动态跟踪扫描，有利于更加快捷全面地研究微量的生物、化学、医药等样品的特性。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种基于非线性光子晶体的光声束整形的微纳成像检测实验装置，在同一台装置上实现柱状弥散整形管光束与波前自适应控制，并跟踪检测探头标定信号振幅与激发态吸收截面比例，采用波前倾斜像差计算和倾斜校正方法、自适应阈值幅度跟踪和递推选通门等，基于米氏(Mie)理论创建多模态吸收特征分布的自适应压缩感知跟踪采集方法。
本发明为了达到上述目的采用的技术方案为：一种基于光声束整形的微纳成像检测实验装置，包括染料激光光源、基于非线性光子晶体的光束整形的前向扫描探头、第一反射镜、三维电动平台、扩束镜、毛玻璃、耦合液、升降台、样品池、换能器、嵌入式波前控制的后向跟踪探头、锁相放大器、数据采集器和计算机。
所述的基于光声束整形的微纳成像的光路由染料激光光源、基于非线性光子晶体光束整形的前向扫描探头、第一反射镜、三维电动平台、扩束镜、毛玻璃和计算机构成；
所述的发生、发展、转移、诱导凋亡的相关靶点的实时超声信号高时空分辨成像检测通道由耦合液、升降台、样品池、换能器、嵌入式波前控制的后向跟踪探头、锁相放大器、数据采集器和计算机构成；
所述的基于非线性光子晶体的光束整形的前向扫描探头为柱状弥散光源整形为管光束的多模态扫描探头，创建了多角度、多靶点检测法与多信号可拓融合技术，实现活体结构和功能信息的多角度扫描；
所述的样品池放置在升降台上，换能器在三维电动平台上，在计算机控制下，样品池、换能器随着三维电动平台上进行三维移动；所述计算机的输入端通过信号线分别与所述染料激光光源、基于非线性光子晶体光束整形的前向扫描探头、三维电动平台、数据采集器相连；所述计算机中将基于非线性光子晶体的光束整形的前向扫描探头设计图样加载到非线性光子晶体(内置)上；所述计算机可以通过信号采集系统采集并存储换能器、波前控制器、锁相放大器所产生的时序图像序列。
所述嵌入式波前控制的后向跟踪探头：跟踪检测探头标定信号振幅与激发态吸收截面比例，采用波前倾斜像差计算和倾斜校正方法、自适应阈值幅度跟踪和递推选通门等，基于米氏(Mie)理论创建多模态吸收特征分布的自适应压缩感知跟踪采集方法。
所述基于非线性光子晶体光束整形的前向扫描探头由光学耦合器耦合至定制的多模柱状弥散光纤，将弥散段置于样品内部向四周实施光照射靶标内光辐照，以激发吸收体产生光声信号。激发的光声信号用水浸式长焦区聚焦超声换能器在外部接收超声信号样品池处声探测。换能器所接收信号由频带范围为0-30MHz的波前控制器(11)进行限幅、整形和滤波后送入锁相放大器进行信号放大后，通过数据采集器(13)把数据传给计算机保存和处理。
所述装置中利用光电二极管PIN同步接收染料激光光源并转化为光电信号触发锁相放大器。实验过程样品固定于升降台上，为了减少声阻抗，避免声信号在不同介质间传输时衰减严重，样品池上表面耦合液形成膜后与槽底部相接触，槽底部开有圆孔，直径5cm并由透声膜封住。长焦区聚焦式超声换能器浸没于以水作为超声耦合液的槽内，对z方向进行超声探测。为了获取扫描数据，扫描过程由计算机控制三维电动平台对超声换能器做直线平移实现扫描，移动步长为0.1mm。
本发明的优点和积极效果：
(1)本发明中基于非线性光子晶体的光束整形的前向扫描探头2，柱状弥散整形管光束是在普通光纤的末端通过刻蚀、增加散射介质、刻写光栅等方法的加工，使光纤末端沿径向形成柱状输出的管光束，具有较大的激光输出面，光波段任意方向入射的线偏振光源实现偏振度小于5％的退偏效果。实验中注意到柱状弥散光源侧向出光均匀性不够，在实际工作中需要对弥散光源在组织中的光分布进行测定，以便开展光声图像的补偿。虽然由于柱状弥散整形的管光束四周侧向发光特性，相比于同样馈入功率的纵向发射光束，其光功率密度较弱；但正是由于光束源附近光功率密度较小，允许继续增加光纤输入的激光能量甚至达到组织所能承受的光能量阈值，可保证深处有比纵向发射更多的光能量吸收。
(2)本发明装置中嵌入式波前控制的后向跟踪探头11，采用嵌入法-珀(Fabry Pérot)干涉仪于后向探头实现波前自适应控制，光谱扫描获取靶标的光声光谱，精密跟踪闭环的两轴精度优于0.1pixel，寻求靶标的光学特异吸收峰，提高样品池9靶标的光吸收对比度，优化深处靶标的光声效率，为三维波前自适应控制探头实施铺平了道路。
(3)本发明装置对自制的多角度、多靶点的灵敏扫描精准跟踪的探头进行适用性、安全性可拓评价，开发出原生态过程中样品池9靶标的自适应压缩感知数码软件，透析样品池9靶标生态过程物理机制，进而系统评估共体结构的多信息融合可拓剖析(EA)及微纳成像检测稳定性、可靠性及准确性的技术特征。
附图说明
图1本发明基于光声束整形的微纳成像检测实验装置的示意图；
图中，01为染料激光光源、02为基于非线性光子晶体的光束整形的前向扫描探头、03为第一反射镜、04为三维电动平台、05为扩束镜、06为毛玻璃、07为耦合液、08为升降台、09为样品池、10为换能器、11为嵌入式波前控制的后向跟踪探头、12为锁相放大器、13为数据采集器、14为计算机。
具体实施方式
以下说明本发明的实施例。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对该领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
如图1所示是本发明基于光声束整形的微纳成像检测实验装置示意图，也是本发明的一个实施例的结构示意图。由图1可见，本发明基于光声束整形的微纳成像检测实验装置，其构成包括染料激光光源01、基于非线性光子晶体光束整形的前向扫描探头02、第一反射镜03、三维电动平台04、扩束镜05、毛玻璃06、耦合液07、升降台08、样品池09、换能器10、嵌入式波前控制的后向跟踪探头11、锁相放大器12、数据采集器13和计算机14。
所述的基于非线性光子晶体的光束整形的前向扫描探头02为柱状弥散光源整形为管光束的多模态扫描探头，创建了多角度、多靶点检测法与多信号可拓融合技术，实现活体结构和功能信息的多角度扫描；
所述嵌入式波前控制的后向跟踪探头11：跟踪检测探头标定信号振幅与激发态吸收截面比例，采用波前倾斜像差计算和倾斜校正方法、自适应阈值幅度跟踪和递推选通门等，基于米氏(Mie)理论创建多模态吸收特征分布的自适应压缩感知跟踪采集方法；
所述的发生、发展、转移、诱导凋亡的相关靶点的实时超声信号高时空分辨成像检测通道由耦合液07、升降台08、样品池09、换能器10、嵌入式波前控制的后向跟踪探头11、锁相放大器12、数据采集器13和计算机14构成；
所述的样品池09、换能器10放置在三维电动平台04上，在计算机14控制下，样品、换能器随着三维电动平台04上进行三维移动；所述计算机的输入端通过信号线分别与所述染料激光光源01、基于非线性光子晶体光束整形的前向扫描探头02、三维电动平台04、数据采集器13相连；所述计算机14中将光束整形的前向扫描探头02设计图样加载到非线性光子晶体的(内置)上随电畴调制；所述计算机可以通过信号采集系统采集并存储换能器10、嵌入式波前控制的后向跟踪探头11、锁相放大器12所产生的时序图像序列。
所述染料激光光源01光束经基于非线性光子晶体光束整形的前向扫描探头02，最后将弥散段置于样品内部向四周实施光照射靶标内光辐照，以激发吸收体产生光声信号。激发的光声信号用水浸式长焦区聚焦超声换能器10在外部接收超声信号样品池09处声探测。换能器10所接收的信号由频带范围为0-30MHz的嵌入式波前控制的后向跟踪探头11进行限幅、整形和滤波后送入锁相放大器12进行信号放大后，通过数据采集器13把数据传给计算机14以保存和处理。
具体实施例
本发明具体实施例是基本实施例的优选实施例，具体的如下：
本实施例中，所述的基于非线性光子晶体光束整形的前向扫描探头02中多模柱状弥散光纤，传输激光波段为490-800nm、总长3.6m、芯径为0.56mm；外部套有保护层，总直径约1.6mm；尾部带有弥散段，长度为2.2cm。基于非线性光子晶体的光束整形的前向扫描探头02自主创意制作，系统用非线性光子晶体微透镜实现对成像组织的聚焦光线辐照，换能器10在样品池09的两侧实现透射式感知，嵌入式波前控制的后向跟踪探头11自适应扫描跟踪采集。基于该系统对一个6mm长的断面区域成像需要28次光照扫描和28次压缩感知采集，有效地建构多模态实时吸收特征分布的稀疏关系数码矩阵。
所述的基于非线性光子晶体的光束整形的前向扫描探头02为柱状弥散光源整形为管光束的多模态扫描探头，创建了多角度、多靶点检测法与多信号可拓融合技术，实现活体结构和功能信息的多角度扫描；
所述嵌入式波前控制的后向跟踪探头11：跟踪检测探头标定信号振幅与激发态吸收截面比例，采用波前倾斜像差计算和倾斜校正方法、自适应阈值幅度跟踪和递推选通门等，基于米氏(Mie)理论创建多模态吸收特征分布的自适应压缩感知跟踪采集方法；
所述的发生、发展、转移、诱导凋亡的相关靶点的实时超声信号高时空分辨成像检测通道由耦合液07、三维电动平台04、样品池09、换能器10、嵌入式波前控制的后向跟踪探头11、锁相放大器12、数据采集器13和计算机14构成；
所述的样品池09、换能器10在三维电动平台04上，在计算机14控制下，样品池09、换能器10随着三维电动平台04上进行三维移动；所述计算机14的输入端通过信号线分别与所述染料激光光源、基于非线性光子晶体的光束整形的前向扫描探头02、三维电动平台04、数据采集器13相连；所述计算机14设计的基于非线性光子晶体的光束整形的前向扫描探头02设计图样加载到非线性光子晶体的(内置)上随电畴调制；所述计算机14可以通过信号采集系统13采集并存储换能器10、嵌入式波前控制的后向跟踪探头11、锁相放大器12所产生的时序图像序列。
所述染料激光光源01输出激光束经基于非线性光子晶体的光束整形的前向扫描探头02，最后将弥散段置于样品池09内部向四周实施光照射靶标内光辐照，以激发吸收体产生光声信号。激发的光声信号用液浸式长焦区聚焦超声换能器10在外部接收超声信号实现样品池09处声探测。换能器10所接收的信号由频带范围为0-30MHz的嵌入式波前控制的后向跟踪探头11进行限幅、整形和滤波后送入锁相放大器12进行信号放大后，通过数据采集器13把数据传给计算机14以保存和处理。
本实例中，接收端跟踪采集部分为基于现场可编程逻辑阵列(FPGA)并行同步控制系统，采集嵌入式波前控制的后向跟踪探头11的z方向上不同位置处的瞬时轴向速度、微弱压力变化，可清晰地捕捉到靶标如石斛酚、菌丝结的形态、组分、弹性、粘性与阻抗边界及结构等多模态参量易损信息；沿基于非线性光子晶体的光束整形的前向扫描探头02侧向吸收体的成像范围，沿x轴并列与光纤的距离依次增大，在y方向相距约1.8mm；换能器10沿y方向扫描300个位置的光声信号，扫描步长0.1mm，扫描范围3.2cm，信号取平均64次，同时根据计算机14中压缩感知重建算法对实验数据进行处理，获得3D光声图像；计算机14中CS-PKS方法主要显示其定位层的光吸收特征的稀疏关系矩阵，在未损伤的情况下尽量减少表面层背景噪声的影响，准确地从定位与识别层信号中获得光、热、声等多模态参量等，对靶标样品作深度分辨(0.5mm)。
所述基于非线性光子晶体的光束整形的前向扫描探头02弥散光纤和嵌入式波前控制的后向跟踪探头11侧向成像实验沿y方向扫描300个位置光声信号获得的二维光声图像。基于非线性光子晶体的光束整形的前向扫描探头02进行体内光辐照可以成像的横向范围超过1.2cm，基于非线性光子晶体的光束整形的前向扫描探头02一侧可成像深度约为1.8cm，如果考虑到上下两侧实验结果的对称性，嵌入式波前控制的后向跟踪探头11附近成像深度范围接近2.2cm，也可对嵌入式波前控制的后向跟踪探头11附近半径约为1.1cm的体内的菌丝侵染进行光声成像。如果根据基于非线性光子晶体的光束整形的前向扫描探头2侧向出光分布进行补偿，将有望进一步扩大成像深度和范围，显示出借助基于非线性光子晶体的光束整形的前向扫描探头02进行靶标内光辐照相比于外部光辐照在成像深度和侧向成像范围的优势。
本实施例中，光声石斛菌丝结压缩感知成像技术以所述的基于非线性光子晶体的光束整形的前向扫描探头02利用光线的结构照明，以所述嵌入式波前控制的后向跟踪探头11观察深度石斛菌丝侵染过程；通过以相隔20微秒的时间(几乎是同时)发射两个不同颜色的激光，击中样品池09中石斛几乎在相同深处的菌丝结或团发生、发展、转移、诱导凋亡等多模态靶点，这样就能得到来自多靶点的信号反馈，从而能通过计算机14显示出任何时段的菌丝侵染的靶点，观察这些靶点的变化，就可判断每单位时间内菌丝结形态、组分、弹性、粘性与阻抗边界及结构等多模态参量易损信息，同时确定石斛菌根每单位长度的平均转染率及其有效周期。该技术能观察到菌丝侵染在遇到“岔路口”的时候，菌丝优先选择方向，朝着最需要的深处侵染。
本发明的一个重要特征是，由染料激光光源01、基于非线性光子晶体的光束整形的前向扫描探头02、样品池09、换能器10、嵌入式波前控制的后向跟踪探头11、锁相放大器12、数据采集器13和计算机14等组成，整个系统由电控旋转与升降台来动态扫描，每次扫描角度为0.5°，共扫描720个靶点；根据热力学的热传导和波动方程，解析样品池09石斛菌根的热声压满足方程，可得出统一变换下的格林函数解；使用可拓正则化方法将其逆问题转化为包含有先验知识的凸松弛问题，通过三维重建算法对多信号数据进行处理可重建出组织内部的吸收分布图。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于光声束整形的微纳成像检测实验装置，其特征在于：包括染料激光光源(01)、基于非线性光子晶体的光束整形的前向扫描探头(02)、第一反射镜(03)、三维电动平台(04)、扩束镜(05)、毛玻璃(06)、耦合液(07)、升降台(08)、样品池(09)、换能器(10)、嵌入式波前控制的后向跟踪探头(11)、锁相放大器(12)、数据采集器(13)和计算机(14)；其中：
染料激光光源(01)、基于非线性光子晶体的光束整形的前向扫描探头(02)、第一反射镜(03)、三维电动平台(04)、扩束镜(05)、毛玻璃(06)和计算机(14)构成基于光声束整形的微纳成像的光路；
耦合液(07)、升降台(08)、样品池(09)、换能器(10)、嵌入式波前控制的后向跟踪探头(11)、锁相放大器(12)、数据采集器(13)和计算机(14)构成发生、发展、转移、诱导凋亡的相关靶点的实时超声信号高时空分辨成像检测通道；
样品放置在升降台(08)上，在计算机(14)控制下，样品随着升降台(08)调适位置而随三维电动平台(04)调适换能器(10)；所述计算机(14)的输入端通过信号线分别与所述染料激光光源(01)、基于非线性光子晶体的光束整形的前向扫描探头(02)、三维电动平台(04)、扩束镜(05)、毛玻璃(06)、升降台(08)、换能器(10)、嵌入式波前控制的后向跟踪探头(11)、锁相放大器(12)、数据采集器(13)与计算机(14)相连；
所述计算机(14)中将基于非线性光子晶体的光束整形的前向扫描探头(02)设计图样加载到内置非线性光子晶体上随电畴调制；所述计算机(14)通过信号采集系统采集并存储换能器(10)、嵌入式波前控制的后向跟踪探头(11)、锁相放大器(12)所产生的时序图像序列；
发生、发展、转移、诱导凋亡相关靶点的超声信号高时空分辨成像检测，通过计算机优化激光输出面，实现从非均匀性到其特异性的跨越，有效地分辨微弱压力变化的来源与精准捕获三维波前自适应控制探头内的全能性、全息性信号。
2.根据权利要求1所述基于光声束整形的微纳成像检测实验装置，其特征在于：所述发生、发展、转移、诱导凋亡的多模态相关靶点的实时超声信号高时空分辨成像检测的光束整形的前向扫描探头(02)随电畴调制为柱状弥散光源整形为管光束的多模态扫描探头，创建了多角度、多靶点检测法与多信号可拓融合技术，实现活体结构和功能信息的多角度扫描；
所述嵌入式波前控制的后向跟踪探头(11)：跟踪检测探头标定信号振幅与激发态吸收截面比例，采用波前倾斜像差计算和倾斜校正方法(波像差低于1nm)、自适应阈值幅度跟踪和递推选通门，基于米氏(Mie)理论创建多模态吸收特征分布的自适应压缩感知跟踪采集方法。
3.根据权利要求1所述基于光声束整形的微纳成像检测实验装置，其特征在于：所述输出激光束经光学耦合器耦合至定制的多模态柱状弥散光纤，最后将弥散段置于样品内部向四周实施光照射靶标内光辐照，以激发吸收体产生光声信号，激发的光声信号用水浸式长焦区聚焦超声换能器(10)在外部接收超声信号样品池(09)处声探测，换能器所接收的信号由频带范围为0-30MHz的嵌入式波前控制的后向跟踪探头(11)进行限幅、整形和滤波后送入锁相放大器(12)进行信号放大后，通过数据采集器(13)把数据传给计算机以保存和处理。
4.根据权利要求1所述的基于光声束整形的微纳成像检测实验装置，其特征在于：适时提高活体组织的深度成像检测精度和扫描灵敏度，具有灵敏精准、修改便捷。
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