CN109620159B - 一种光声显微成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于显微成像技术领域，公开了一种光声显微成像装置，包括采用笼式共轴系统连接的平移安装座、笼板、Z轴调节安装座，平移安装座具有可在X、Y、Z方向调节的光纤位置调节结构；Z轴调节安装座下方设置有光声棱镜夹具，光声棱镜夹具安装有光声棱镜组和超声波换能器，光声棱镜夹具设置有光声棱镜位置调节结构。本发明所提供的一种光声显微成像装置，采用稳固的笼式共轴系统使探头光学元件沿着共同的光轴安装，并且配置三维高精度可调装置，便于探头光路准直、聚焦的调节，同时，设计了一种光声棱镜的装夹和调节装置，优化光声共轴共焦调节，提高系统灵敏度、成像分辨率和信噪比，方便调节，提高了实验效率，降低了实验时间成本。

Description

一种光声显微成像装置

技术领域

本发明属于显微成像技术领域，尤其涉及一种光声共轴共焦的光声显微成像装置。

背景技术

光声成像技术(PAT),其原理主要基于光声效应，即物质吸收经调制的光或者脉冲光后，部分光能转化为热能，由于热弹性效应，物质膨胀，周期性的热胀冷缩产生超声波。光声转换现象于1880年由美国科学家贝尔发现，并将这种物理现象称为“光声效应”。直到20世纪70年代光声效应才开始应用在生物医学上，20世纪90年代，随着固体光声理论的完善，激光和超声探测等技术的发展，光声效应在散射介质和生物组织中取得重大突破，光声成像技术被提出。由于光声成像结合了超声成像的大深度与纯光学成像的高分辨率及对比度，可以对生物组织进行无损的结构和功能成像，还能实现从细胞器、细胞、组织到器官的跨尺度成像，成为近些年生物医学影像领域中的研究热点之一，并且在临床医学和基础医学研究方面逐渐显现出巨大潜力。

目前，主要的光声成像技术有以下三种：光声显微成像(PAM)、光声计算层析成像(PACT)、光声内窥成像(PAE)。光声显微成像(PAM)是一种聚焦型扫描成像方式，使用聚焦的激光作为激励光源，超声换能器可实现不同深度光声信号的探测，结合探头沿组织表面的二维光栅扫描，可重建出组织的三维结构信息。根据成像分辨率和成像深度的不同，光声显微成像(PAM)又可以分为光学分辨率光声显微成像(OR-PAM)和声学分辨率光声显微成像(AR-PAM),常见形式。OR-PAM中光学聚焦比声学聚焦更加紧密，可以实现从几百纳米到几微米的亚细胞或细胞尺度的横向分辨率，其横向分辨率取决于光学焦点的大小，但是受光的散射限制，成像深度大约在1mm左右。而假如超声要实现～5微米的横向分辨率，其中心频率至少需要达到300MHz以上，高频率超声的严重衰减(水中～20dB/mm，组织中～80dB/mm)又会限制其穿透深度在100微米左右。当然，在已经超过光学扩散极限，达到几毫米甚至几十毫米深的组织处，AR-PAM则可以利用超声的低散射特性，实现更加紧密的声学聚焦，达到几十微米到几百微米的横向分辨率，此时，横向分辨率由超声焦点的大小决定。相比于声学分辨率光声显微成像系统(AR-PAM)，光学分辨率光声显微成像系统(OR-PAM)主要依靠光学的聚焦来达到微米甚至亚微米级别的高分辨率，要保证良好的成像性能，对系统中光束的准直、光斑聚焦质量、光声的共轴共焦性能等提出了更严苛的要求。

传统OR-PAM系统的技术方案主要由光学元件(包括物镜和反射镜)、光声棱镜和超声换能器等组成。纳秒脉冲激光通过单模光纤耦合进入成像探头，探头部分的物镜对光路起到准直作用，准直后的光束经反射镜反射进入物镜，高数值孔径的物镜会对光束进行聚焦，焦点处的光斑大小达到微米级。聚焦后的激光照射到生物组织中后，组织中的吸光介质将吸收的部分光能转化为热能，热弹性效应引起组织周期性地振动，从而产生超声波，即光声信号。超声波经光声棱镜传输到达超声换能器转化成电信号，最终由数据采集卡进行信号采集。整个成像探头部分集成在三维电控位移平台上，随位移平台作逐点的平面光栅扫描，从而获得组织的三维结构信息。

传统OR-PAM系统的成像探头，准直物镜和光纤出光端面相对距离无法实现精细调节，经过准直物镜后，光束的准直度较差，并且，依靠反射镜调整光束和声束的共轴，稳定性差且调节精度低，最终导致经聚焦物镜后的光束焦距与理论相差较远，光焦点和声焦点难以达到准确共焦，降低了系统灵敏度和分辨率；同时，光声棱镜和聚焦物镜之间的相对位置无法实现精准连续调节，也会对末端光束和声束的共轴共焦性能造成较大影响。

由于OR-PAM系统的分辨率由光学焦点的大小决定，微米甚至亚微米级的分辨率和高灵敏度对于探头末端光束的准直、聚焦效果以及光声的共轴共焦配置要求较高。传统的探头缺乏高精度可调节功能，光声共轴共焦效果较差，降低了高分辨率光声显微成像系统的探测灵敏度、分辨率、图像信噪比；操作复杂且耗时，增加了实验时间成本；稳定性差，对连续监测实验过程的连续性和结果的准确性造成较大影响。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一，提供了一种光声显微成像装置，其可精确调节光声共轴共焦，提高了实验效率，降低了实验时间成本。

本发明的技术方案是：一种光声显微成像装置，包括用于安装光纤的平移安装座、安装有第一物镜的笼板、安装有第二物镜的Z轴调节安装座，所述光声显微成像装置还包括多根支撑杆，所述支撑杆依次穿过于平移安装座、笼板和Z轴调节安装座，所述平移安装座、笼板和Z轴调节安装座中的至少两个可沿所述支撑杆滑动且均连接有用于将其锁定于所述支撑杆的锁紧件；所述平移安装座具有用于调节光纤在空间X方向、Y方向、Z方向的光纤位置调节结构；

所述Z轴调节安装座下方设置有光声棱镜夹具，所述光声棱镜夹具安装有光声棱镜组和超声波换能器，所述光声棱镜组位于所述第二物镜下方，所述光声棱镜夹具设置有用于调整所述光声棱镜组在平面X方向和Y方向的光声棱镜位置调节结构。

可选地，所述Z轴调节安装座设置有用于调节所述第二物镜在Z轴方向的第二物镜Z轴调节结构；且/或，所述笼板设置有用于调节所述第一物镜在Z轴方向的第一物镜Z轴调节结构。

可选地，所述光声棱镜夹具包括夹具主体，所述光声棱镜位置调节结构包括螺纹连接于所述夹具主体侧面且用于粗调所述光声棱镜组在平面X方向和Y方向位置的棱镜调节螺纹件。

可选地，所述光声显微成像装置还包括连接板，各所述支撑杆或笼板或Z轴调节安装座固定所述连接于所述连接板，所述光声棱镜位置调节结构还包括连接于所述连接板及所述夹具主体的精密位移平台。

可选地，所述精密位移平台为二维精密位移平台或三维精密位移平台。

可选地，所述夹具主体包括支撑板、安装板、固定块、挡板、压臂，所述光声棱镜组放置于固定块内，所述挡板通过螺纹连接件固定安装在所述固定块上并夹紧固定所述光声棱镜组；压臂通过螺纹连接件安装于所述固定块并压紧所述超声换能器；所述固定块和所述支撑板之间由所述安装板连接，所述安装板两侧和所述支撑板一侧分别设置有开口槽和腰型孔，所述棱镜调节螺纹件设置有两组且分别连接于所述开口槽和腰型孔。

可选地，所述连接板固定连接于三维线性位移平台。

可选地，所述三维线性位移平台包括由Z轴步进电机驱动的Z轴滑台、由Y轴步进电机驱动的Y轴滑台和由X轴步进电机驱动的X轴滑台，所述连接板固定连接于所述Z轴滑台，所述Z轴滑台连接于所述Y轴滑台，所述Y轴滑台连接于所述X轴滑台。

可选地，所述光纤位置调节结构在X、Y方向的调节精度为254μm/r，在Z方向的调节精度为500μm/r。

可选地，所述第一物镜Z轴调节结构或/和第二物镜Z轴调节结构的调节精度为1μm。

本发明所提供的一种光声显微成像装置，便于探头光路准直、聚焦的调节，优化了光声共焦调节，对于高分辨率光声显微成像系统的性能优化有较大意义，提高了实验效率，降低了实验时间成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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是本发明实施例提供的一种光声显微成像装置中光声显微成像探头系统的立体示意图；

图2是本发明实施例提供的一种光声显微成像装置中光声棱镜夹具的立体示意图；

图3是本发明实施例提供的一种光声显微成像装置中光声棱镜夹具的平面示意图；

图4是本发明实施例提供的一种光声显微成像装置中光声棱镜夹具的平面示意图；

图5是本发明实施例提供的一种光声显微成像装置中光声显微成像探头系统连接于三维线性位移平台的立体示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是直接设置、连接，也可以通过居中元部件、居中结构间接设置、连接。

另外，本发明实施例中若有“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系的用语，其为基于附图所示的方位或位置关系或常规放置状态或使用状态，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构、特征、装置或元件必须具有特定的方位或位置关系、也不是必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在具体实施方式中所描述的各个具体技术特征和各实施例，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，例如通过不同的具体技术特征/实施例的组合可以形成不同的实施方式，为了避免不必要的重复，本发明中各个具体技术特征/实施例的各种可能的组合方式不再另行说明。

如图1至图5所示，本发明实施例提供的一种光声显微成像装置，包括光声显微成像探头系统，光声显微成像探头系统包括用于安装光纤的平移安装座10、安装有第一物镜21的笼板20、安装有第二物镜31的Z轴调节安装座30，所述光声显微成像探头系统还包括多根支撑杆40，所述支撑杆40依次穿过于平移安装座10、笼板20和Z轴调节安装座30形成笼式结构，调节精度高，本实施例中，支撑杆40为四根φ4mm的高精密不锈钢杆。所述平移安装座10、笼板20和Z轴调节安装座30中的至少两个可沿所述支撑杆40滑动且均连接有用于将其锁定于所述支撑杆40的锁紧件；所述平移安装座10具有用于调节光纤在空间X方向、Y方向、Z方向的光纤位置调节结构；光纤可为单模光纤91，单模光纤91射出的激光束92依次经第一物镜21、第二物镜22。光纤位置调节结构可以微调光纤(单模光纤91)在X方向、Y方向、Z方向的位置。本实施例中，X方向、Y方向、Z方向相互垂直，且Z方向为支撑杆40的轴向方向，单模光纤91也沿Z方向穿过于平移安装座10。单模光纤91、第一物镜21和第二物镜31沿光轴依次设置。本实施例中，支撑杆40可以设置有四根，平移安装座10、Z轴调节安装座30分别位于笼板20的上方和下方。平移安装座10、Z轴调节安装座30均螺纹连接有锁紧件，以快速将平移安装座10、Z轴调节安装座30调节至合适的位置并由锁紧件锁紧，锁紧件可为螺纹锁紧件，例如螺丝。所述Z轴调节安装座30下方设置有光声棱镜夹具40，所述光声棱镜夹具40安装有光声棱镜组(光声棱镜)41和超声波换能器42，所述光声棱镜组41位于所述第二物镜31下方，超声波换能器42朝向于光声棱镜组41，所述光声棱镜夹具40设置有用于调整所述光声棱镜组41在平面X方向和Y方向的光声棱镜位置调节结构，光纤、物镜及光声棱镜组41的X方向、Y方向、Z方向的相对位置可以快速调节，优化了光声共轴共焦调节方式，提高了系统分辨率、信噪比和灵敏度，优化了光声棱镜的可调性，使其可便捷快速调节，提高了实验效率，降低了实验时间成本。

具体地，所述Z轴调节安装座30设置有用于调节所述第二物镜31在Z轴方向的第二物镜31Z轴调节结构；且/或，所述笼板20设置有用于调节所述第一物镜21在Z轴方向的第一物镜21Z轴调节结构，简化声学路径和光学路径的共轴调节，配合第一物镜21Z轴调节结构或/和第二物镜31Z轴调节结构，可微调聚焦物镜的Z轴位置，实现光声的共焦。

具体地，所述光声棱镜夹具40包括夹具主体，所述光声棱镜位置调节结构包括螺纹连接于所述夹具主体侧面的棱镜调节螺纹件43，棱镜调节螺纹件43可用于粗调所述光声棱镜组41在平面X方向和Y方向位置。

具体地，所述光声显微成像装置还包括连接板50，各所述支撑杆40或笼板20或Z轴调节安装座30固定所述连接于所述连接板50，所述光声棱镜位置调节结构还包括连接于所述连接板50及所述夹具主体的精密位移平台60，所述精密位移平台60为二维精密位移平台或三维精密位移平台，二维精密位移平台可以精调光声棱镜组41(光声棱镜夹具40)在平面X方向和Y方向位置，三维精密位移平台可以精调光声棱镜组41(光声棱镜夹具40)在X方向和Y方向位置及Z轴方向的位移。

本实施例中，所述夹具主体包括支撑板44、安装板45、固定块46、挡板47、压臂48，所述光声棱镜组41放置于固定块46内，所述挡板47通过螺纹连接件49固定安装在所述固定块46上并夹紧固定所述光声棱镜组41；压臂48通过螺纹连接件安装于所述固定块46并压紧所述超声换能器，超声换能器朝向于光声棱镜组41；所述固定块46和所述支撑板44之间由所述安装板45连接，所述安装板45两侧和所述支撑板44一侧分别设置有开口槽和腰型孔，所述棱镜调节螺纹件43设置有两组且分别连接于所述开口槽和腰型孔。棱镜调节螺纹件43可沿着图3、4中所示虚线沿X、Y方向移动，粗调棱镜位置，确定位置后锁紧棱镜调节螺纹件43(螺钉)，此时，连接光声棱镜夹具40和连接板50的二维精密移台可提供光声棱镜在X、Y方向微米级精度的移动自由度，微调声透镜的声学轴线与聚焦后的光束轴线共轴，使光声共轴共焦性能达到最优，经光学设计软件Zemax的模拟验证，从物理光学和几何光学的角度均满足光学及成像原理，并且本发明在实验中验证成像性能稳定可靠。

具体地，所述连接板50固定连接于三维线性位移平台，三维线性位移平台可以驱动并控制光声显微成像探头系统沿X方向、Y方向及Z方向滑动。光声显微成像探头系统整体通过连接板50固定在由步进电机驱动的三维线性位移平台上，探头整体沿着X、Y方向进行二维逐点平面扫描，沿着Z方向可以改变光声聚焦深度，作变焦点深度扫描，实现三维移动扫描。

本实施例中，所述三维线性位移平台包括由Z轴步进电机驱动的Z轴滑台73、由Y轴步进电机驱动的Y轴滑台72和由X轴步进电机驱动的X轴滑台71，所述连接板50固定连接于所述Z轴滑台73，所述Z轴滑台73连接于所述Y轴滑台72，所述Y轴滑台72连接于所述X轴滑台71。

本实施例中，光纤位置调节结构采用调节旋钮，其可采用千分尺式微调结构，所述光纤位置调节结构在X、Y方向的调节精度为254μm/r，在Z方向的调节精度为500μm/r。

本实施例中，第一物镜21Z轴调节结构和第二物镜31Z轴调节结构采用调节旋钮，其可采用千分尺式微调结构，所述第一物镜21Z轴调节结构或/和第二物镜31Z轴调节结构的调节精度为1μm。

本实施例中，平移安装座10可以实现单模光纤91出射端沿X、Y方向以254μm/r、Z方向500μm/r的精度进行微调，X、Y方向微调单模光纤91出射光束与第一物镜21(第一准直物镜)的同轴度，Z方向微调二者间距，从而保证经第一物镜21后的光束准直，且轴心与笼式共轴系统(笼式结构)共轴；Z轴调节安装座30可以实现聚焦第二物镜31沿Z方向以1微米为分度进行高精度微调，改变光束聚焦焦点Z方向的位置，使其达到与声学焦点重合，实现光声共焦。

本发明实施例所提供的一种光声显微成像装置，通过采用稳固的笼式共轴系统(笼式结构)使探头光学元件沿着共同的光轴安装，笼式结构中配置高精度三维可调装置进行光路准直和聚焦，精确调节光声共轴共焦；对探头中光声棱镜装夹装置进行结构设计，将其整体安装在二维精密位移台上，简化声学路径和光学路径的共轴调节，配合Z轴调节安装座30微调聚焦物镜的Z轴位置，实现光声的共焦，提高了实验效率，降低了实验时间成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光声显微成像装置，其特征在于，包括用于安装光纤的平移安装座、安装有第一物镜的笼板、安装有第二物镜的Z轴调节安装座，所述光声显微成像装置还包括多根支撑杆，所述支撑杆依次穿过于平移安装座、笼板和Z轴调节安装座，所述平移安装座、笼板和Z轴调节安装座中的至少两个可沿所述支撑杆滑动且均连接有用于将其锁定于所述支撑杆的锁紧件；所述平移安装座具有用于调节光纤在空间X方向、Y方向、Z方向的光纤位置调节结构；所述Z轴调节安装座下方设置有光声棱镜夹具，所述光声棱镜夹具安装有光声棱镜组和超声波换能器，所述光声棱镜组位于所述第二物镜下方，所述光声棱镜夹具设置有用于调整所述光声棱镜组在平面X方向和Y方向的光声棱镜位置调节结构；

所述Z轴调节安装座设置有用于调节所述第二物镜在Z轴方向的第二物镜Z轴调节结构；且/或，所述笼板设置有用于调节所述第一物镜在Z轴方向的第一物镜Z轴调节结构；

所述光声棱镜夹具包括夹具主体，所述光声棱镜位置调节结构包括螺纹连接于所述夹具主体侧面且用于粗调所述光声棱镜组在平面X方向和Y方向位置的棱镜调节螺纹件。

2.如权利要求1所述的一种光声显微成像装置，其特征在于，所述光声显微成像装置还包括连接板，各所述支撑杆或笼板或Z轴调节安装座固定所述连接于所述连接板，所述光声棱镜位置调节结构还包括连接于所述连接板及所述夹具主体的精密位移平台。

3.如权利要求2所述的一种光声显微成像装置，其特征在于，所述精密位移平台为二维精密位移平台或三维精密位移平台。

4.如权利要求2所述的一种光声显微成像装置，其特征在于，所述夹具主体包括支撑板、安装板、固定块、挡板、压臂，所述光声棱镜组放置于固定块内，所述挡板通过螺纹连接件固定安装在所述固定块上并夹紧固定所述光声棱镜组；压臂通过螺纹连接件安装于所述固定块并压紧所述超声波换能器；所述固定块和所述支撑板之间由所述安装板连接，所述安装板两侧和所述支撑板一侧分别设置有开口槽和腰型孔，所述棱镜调节螺纹件设置有两组且分别连接于所述开口槽和腰型孔。

5.如权利要求1所述的一种光声显微成像装置，其特征在于，所述连接板固定连接于三维线性位移平台。

6.如权利要求5所述的一种光声显微成像装置，其特征在于，所述三维线性位移平台包括由Z轴步进电机驱动的Z轴滑台、由Y轴步进电机驱动的Y轴滑台和由X轴步进电机驱动的X轴滑台，所述连接板固定连接于所述Z轴滑台，所述Z轴滑台连接于所述Y轴滑台，所述Y轴滑台连接于所述X轴滑台。

7.如权利要求1所述的一种光声显微成像装置，其特征在于，所述光纤位置调节结构在X、Y方向的调节精度为254μm/r，在Z方向的调节精度为500μm/r。

8.如权利要求1所述的一种光声显微成像装置，其特征在于，所述第一物镜Z轴调节结构或/和第二物镜Z轴调节结构的调节精度为1μm。