CN109946236A - 一种偏振光声显微成像装置及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振光声显微成像装置及成像方法，该装置包括光声激发光源发生组件、光声信号处理组件和采集平台组件，光声激发光源发生组件包括激光器、第一透镜、针孔、第二透镜、起偏器、二分之一玻片、扫描振镜和聚焦透镜；该方法具体步骤为：利用激光器产生激光束，激光束依次通过第一透镜、针孔、第二透镜、起偏器、二分之一玻片、扫描振镜和聚焦透镜后形成线偏振光，聚焦透镜将线偏振光聚焦在样品上产生光声信号，光声信号处理组件根据采集平台组件采集的不同电矢量方向的线偏振光产生的光声信号和表征介质有序度参量重建样品偏振光声和定量有序度三维成像图。本发明可以实现无损、高分辨、三维偏振光光声显微成像和定量结构有序度成像。

Description

一种偏振光声显微成像装置及成像方法

技术领域

本发明涉及材料检测和影像领域，尤其涉及一种偏振光声显微成像装置及成像方法。

背景技术

在生物医学光学和材料检验领域，偏振光显微镜作为一种检测介质微观特性的无创方法而被广泛应用。利用入射偏振光与介质相互作用的去极化行为，获得其特有的光学性质和结构特征，这种行为对介质亚波长微观结构敏感，如散射粒子的方向和排列。然而，由于光束在生物组织中多次散射导致极化信号的广泛丢失，以及对组织极化测量结果的复杂理解，偏振光显微镜在生物医学应用中仍然存在挑战，需要开发一种新的技术，能够实现对深层介质的微观结构进行三维高对比度成像。

光声成像结合了光学成像和超声成像，天然就具备高分辨率和深穿透深度的优势，在生物医学领域得到了广泛的研究。光声成像的基本原理是介质吸收光子通过热膨胀产生超声波。但是在传统的光声成像应用中，通常采用非偏振脉冲/调制激光束作为激励源，这需要假设目标也是光学各向同性的，然而生物组织的很多结构都表现出明显的光学各向异性，例如弹性纤维蛋白，胶原蛋白，神经纤维以及病变组织等。所以，基于目标的矢量光吸收特性，利用偏振光子而不是散射光子的吸收所引起的声波，通过将光声成像技术与线偏振激光激发相结合，研究一种在载体无损的情况下获取组织深层吸收体的光学各向异性特征的成像装置和成像方法，在实际应用中具有重要的意义。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种偏振光声显微成像装置及成像方法，可以实现无损、高分辨、三维偏振光光声显微成像和定量结构有序度成像，可以广泛应用于生物体和精密机械内部结构检测，便于产业化。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种偏振光声显微成像装置，包括

光声激发光源发生组件、光声信号处理组件和采集平台组件，

所述光声激发光源发生组件包括激光器、第一透镜、针孔、第二透镜、起偏器、二分之一玻片、扫描振镜和聚焦透镜；

所述激光器产生激光束，激光束依次通过第一透镜、针孔、第二透镜、起偏器和二分之一玻片后形成线偏振光，所述针孔设在第一透镜和第二透镜的共焦处；

线偏振光依次经过扫描振镜和聚焦透镜后聚焦在样品上，所述样品被激发出光声信号；

所述采集平台组件通过电机驱动，并带动样品移动，所述光声信号处理组件将光声信号进行信号放大计算后构建图像。

作为优选的技术方案，所述起偏器采用偏振片。

作为优选的技术方案，第一透镜采用焦距为f的凸透镜，针孔采用孔直径为D的针孔，针孔与第一透镜的焦距满足下列公式：

其中，λ为光波长，d为入射光直径。

作为优选的技术方案，所述采集平台组件包括耦合槽、超声耦合液和扫描平台，所述样品浸入超声耦合液内，所述超声耦合液盛放在耦合槽内，所述耦合槽放置在扫描平台上，所述扫描平台带动耦合槽移动，所述电机驱动扫描平台。

作为优选的技术方案，所述光声信号处理组件包括超声换能器、信号放大器、高速数字采集卡和计算机，

所述超声换能器检测样品被激发出的光声信号，经信号放大器放大信号后，通过高速数字采集卡采集到计算机中。

作为优选的技术方案，所述超声换能器采用中空聚焦探测器。

本发明还提供一种偏振光声显微镜成像方法，包括下述步骤：

S1：激光器产生激光束，依次经过第一透镜、针孔、第二透镜，对激光束进行聚焦、过滤、准直和扩束；

S2：经过准直扩束后的激光束经过起偏器变为线偏振光，再垂直入射到二分之一玻片，旋转二分之一玻片得到不同电矢量方向的线偏振光；

S3：经过二分之一玻片后的线偏振光通过扫描振镜，再由聚焦透镜聚焦到样品上，样品被激发出光声信号；

S4：光声信号经过超声耦合液，超声换能器检测到光声信号，再经过信号放大器进行信号放大，高速数字采集卡采集信号放大后的光声信号，并保存到计算机中；

S5：计算机选取不同电矢量方向的线偏振光产生的光声信号进行计算，得到表征介质有序度参量，根据不同电矢量方向的线偏振光产生的光声信号和表征介质有序度参量，重建样品偏振光声成像和定量有序度三维成像。

作为优选的技术方案，步骤S4中所述高速数字采集卡采集放大后的光声信号，具体采集方式：计算机控制步进电机驱动扫描平台逐点移动样品，样品上形成二维平面扫描区域，步进电机每移动一次，高速数字采集卡就进行一次光声信号采集，并将二维平面扫描区域采集得到的光声信号与样品激发位置坐标一一对应。

作为优选的技术方案，步骤S5中所述的重建样品偏振光声成像的具体步骤为：采用不同电矢量方向的线偏振光产生的光声信号进行最大值投影，得到光声信号二维强度灰度成像图。

作为优选的技术方案，步骤S5中所述的根据表征介质有序度参量重建定量有序度三维成像，具体步骤为：采用偏振方向相差45度的四个线偏振光各自激发光声信号，计算表征介质有序度参量，根据四组光声信号和表征介质有序度参量，计算机重建出样品定量有序度三维成像图，所述表征介质有序度参量具体计算公式如下所述：

其中，Q_PA＝I_H-PA－I_V-PA，U_PA＝I_P-PA－I_M-PA，I_PA＝I_H-PA+I_V-PA，I_H-PA、I_V-PA、I_P-PA、 I_M-PA分别对应于二分之一玻片光轴定位于0°,90°,45°和-45°产生的线偏振激光激发的光声信号幅值，I_PA表示自然光激发样品产生的光声信号。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明利用多束偏振态不同的线偏振光作为激发源，通过检测它们各自激发产生的光致热弹超声波来检测物质的微观是否具有各项异性，并得到物质定量有序度参量，相对于偏振光成像可以实现深度各向异性三维成像，在不同深度定量分辨出样品结构的有序度。

(2)本发明通过不同偏振态激光产生的光声信号计算得到样品定量有序度的高分辨成像，可以高灵敏地把具有各向异性吸收的样品分辨出来。

(3)本发明利用偏振光成像，具有无损性，高分辨和深穿透性，使得本发明可以在医学活体检测和材料检测上具有巨大优势。

(4)本发明的偏振光声显微成像方法具备快速检测的优点，偏振光声显微成像装置结构简单、使用方便，可以广泛应用于生物体和精密机械内部结构检测，便于产业化。

(5)本发明采用了不同偏振光激发光声信号的技术方案，解决了三维微观各向异性结构测量难的技术问题，达到了无损、深层测量物质的微观各向异性结构的技术效果。

附图说明

图1为本发明偏振光声显微成像系统装置的结构示意图；

图2为实施例1样品光学图；

图3为实施例1样品在不同偏振态激光激发下的偏振光声二维成像图；

图4为实施例1的样品的光声信号随激发光电矢量振动方向变化关系统计图；

图5为实施例2的样品的光学图；

图6为实施例2样品在不同偏振态激光激发下的偏振光声三维成像图；

图7为实施例2样品有序度参量三维成像。

其中，1-激光器，2-第一透镜，3-针孔，4-第二透镜，5-起偏器，6-二分之一玻片，7-扫描振镜，8-聚焦透镜，9-超声换能器，10-样品，11-超声耦合液， 12-耦合槽，13-扫描平台，14-信号放大器，15-高速数字采集卡，16-计算机。

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。

实施例1

在本实施例中，提供一种偏振光声显微成像装置，如图1所示，包括光声激发光源发生组件、光声信号处理组件和采集平台组件，所述光声激发光源发生组件包括激光器1、第一透镜2、针孔3、第二透镜4、起偏器5、二分之一玻片6、扫描振镜7和聚焦透镜8；所述激光器1用于产生激光束，激光束依次通过第一透镜2、针孔3、第二透镜4、起偏器5、二分之一玻片6、扫描振镜7和聚焦透镜8后形成线偏振光，所述针孔3设在第一透镜2和第二透镜4的共焦处；所述聚焦透镜8用于将线偏振光聚焦在样品10上，所述样品10产生光声信号；

在本实施例中，所述采集平台组件用于采集光声信号，如图1所示，包括耦合槽12、超声耦合液11和扫描平台13，所述耦合槽12盛放超声耦合液11，所述扫描平台13设在耦合槽12下方，扫描平台13采用步进电机驱动的二维扫描平台，

在本实施例中，所述光声信号处理组件用于将采集到的光声信号进行放大和计算后重建图像，如图1所示，包括超声换能器9、信号放大器14、高速数字采集卡15和计算机16，所述超声换能器9用于检测样品被激发出的光声信号，经信号放大器14信号放大后，通过高速数字采集卡15采集收集到计算机16中，

在本实施例中，测试时，样品10浸没在耦合槽12的超声耦合液11中，并放置在步进电机驱动的扫描平台13上；所述聚焦透镜8和超声换能器9在样品正上方，所述激光器1发出的脉冲激光通过聚焦透镜8聚焦照在样品10上；所述超声换能器9下端进入耦合槽12的超声耦合液11中，接收样品被激发出的光声信号；所述计算机控制步进电机驱动扫描平台13，逐点移动样品。

在本实施例中，所述计算机16内有LABVIEW数据采集控制平台和图像重建的MATLAB程序；所述起偏器采用偏振片；所述超声探测器可以采用中空聚焦探测器，中空直径6mm，外观直径25mm,其主频为10MHz，80％带宽；所述高速数字采集卡的采样率为100MHz；所述计算机安装的采集控制及信号处理系统可以利用Labview和Matlab程序编写而成；所述激光器可以是脉冲或正弦调制激光器，在本实施例中选用脉冲激光器，发出的脉冲激光波长为532nm，脉冲宽度为10ns，重复频率为1Hz～10KHz；所述耦合槽中的超声耦合液为室温条件下的水。

在本实施例中，所述装置还包括支架组件，所述支架组件用于固定和支撑偏振片、二分之一玻片、针孔、X-Y二维扫描平台、聚焦透镜和超声探测器等。

在本实施例中，利用多束偏振态不同的线偏振光作为激发源，通过检测它们各自激发产生的光致热弹超声波来检测物质的微观是否具有各向异性，并得到物质定量有序度参量，相对于偏振光成像可以实现深度各向异性三维成像，在不同深度定量分辨出样品结构的有序度。

在本实施例中，还提供一种偏振光声显微成像方法，主要采用以下原理：

光学各向异性样品矢量光学吸收系数可表示为

其中为激光电矢量方向，φ为样品光轴取向。μ为样品的光吸收系数，μ_p为平行光轴方向的光吸收系数，μ_⊥为垂直光轴反方向的光吸收系数。对于各向同性样品μ_p＝μ_⊥，式(1)简化后符合传统光声成像原理，光学吸收系数为常数，

其中定义了因此线性偏振激光激发各向异性样品产生的光声信号幅值可表示为：

其中为线性偏振激光器的单脉冲能量，Γ为光声转换效率。

激光束的偏振状态可以用斯托克斯矢量描述为

其中，斯托克斯参数I_H、I_V、I_P、I_M、I_R、I_L分别代表了水平方向(0°)、垂直方向(90°)、45°方向、-45°方向、右旋、左旋偏振光的光矢量振幅。然后，可以定义光束的线偏振度(DLP)为

类似，为了量化目标样品的各向异性程度，以偏振态相差45度的四束线偏振光作为激发源，根据斯托克斯公式，将样品表征介质有序度参量(DOA)定义为

其中Q_PA＝I_H-PA－I_V-PA，U_PA＝I_P-PA－I_M-PA，I_PA＝I_H-PA+I_V-PA。I_H-PA、I_V-PA、I_P-PA、 I_M-PA分别对应于偏振片定位于0°,90°,45°和-45°产生的线偏振激光激发的光声信号幅值。

因此，本实施例的偏振光声显微成像方法包括下述步骤：

S1：利用PVC(聚氯乙烯)和PVA(聚乙烯醇)两种材料制成实验样品，如图2所示，其中白色双向箭头代表样品光轴方向；

S2：将耦合槽12放在步进电机X-Y二维扫描平台上，装入适量的超声耦合液11，把样品10浸入耦合槽12中，将聚焦透镜8和超声换能器9置于样品10 的正上方并且超声换能器9的下表面浸入超声耦合液11中，聚焦透镜8和超声换能器9的焦点不偏离样品；

S3：激光器1发出脉冲激光，发出的脉冲激光波长为532nm，脉冲宽度为 10ns，重复频率为1Hz～10KHz，该脉冲激光先经过第一透镜2、精密针孔3和第二透镜4进行扩束和准直，扩束准直后的激光束经起偏器片5变为线偏振光，再垂直入射二分之一玻片6，最后通过旋转二分之一玻片6可以得到7组不同电矢量方向的线偏振光；经二分之一玻片6后的线偏振光在通过扫描振镜7后由聚焦透镜8聚焦到样品上；

S4：样品产生光声信号。光声信号经过耦合槽12中的超声耦合液11后被超声换能器9接收，在经过信号放大器14被高速数字采集卡15采集，最后保存在计算机16上，采集方式采用基于LABVIEW控制平台的单通道实时采集系统，主要由x-y扫描振镜和x-y步进电机，信号放大器和高速数字采集卡组成，计算机16利用Labview程序控制步进电机驱动控制X-Y二维扫描平台，逐点移动样品10，对应的样品10上形成X-Y二维平面扫描区域，步进电机每移动一次，高速数字采集卡15就进行一次信号采集；

S5：信号被高速数字采集卡采集到并保存到电脑，在计算机中利用Matlab 软件对采集的数据进行最大值投影，得到不同偏振态激光激发的光声信号二维强度灰度成像图。

如图3所示，其中黑色双向箭头代表激发光电矢量方向；再利用Origin软件分别对样品10中PVC(聚氯乙烯)和PVA(聚乙烯醇)两部分进行数据大小统计，如图4所示，可以看出具有各向异性性质的材料PVA的光声信号幅值强烈依赖激发光电矢量方向，而各向同性材料PVC的光声信号幅值则没有变化。

本实施例通过不同偏振态激光产生的光声信号计算得到样品定量有序度的高分辨成像，可以高灵敏地把具有各向异性吸收的样品分辨出来。

实施例2：

本实施例2的技术方案除了下述技术特征外，其它技术方案与实施例1相同：

本实施例是利用PVC(聚氯乙烯)、PVA(聚乙烯醇)、1％琼脂和1％脂肪乳制成样品进行偏振光声显微三维成像和有序度三维成像，主要包括以下步骤：

(1)在浓度为10g/L的琼脂中加入1％脂肪乳溶液，并把PVC(聚氯乙烯)、 PVA(聚乙烯醇)斜插浸入其中做成实验样品，如图5所示，其中白色双向箭头代表样品光轴方向；

(2)将耦合槽12放在步进电机X-Y二维扫描平台上，装入适量的超声耦合液11，把样品10浸入耦合槽12中，将聚焦透镜8和超声换能器9置于样品 10的正上方并且超声换能器9的下表面浸入超声耦合液11中，聚焦透镜8和超声换能器9的焦点不偏离样品；

(3)激光器1发出脉冲激光，发出的脉冲激光波长为532nm，脉冲宽度为 10ns，重复频率为1Hz～10KHz，该脉冲激光先经过第一透镜2、精密针孔3和第二透镜4进行扩束和准直，扩束准直后的激光束经起偏器片5变为线偏振光，再垂直入射二分之一玻片6，最后每隔45°通过旋转二分之一玻片6得到4组不同电矢量方向(0°、45°、90°、-45°)的线偏振光；经二分之一玻片6后的线偏振光在通过扫描振镜7后由聚焦物镜8聚焦到样品上；

(4)样品产生光声信号，光声信号经过耦合槽12中的超声耦合液11后被超声换能器9接收，在经过信号放大器15被高速数字采集卡15采集，最后保存在计算机16上。计算机16利用Labview程序控制步进电机驱动控制X-Y二维扫描平台，逐点移动样品10，对应的样品10上形成X-Y二维平面扫描区域，步进电机每移动一次，高速数字采集卡15就进行一次信号采集；

(5)信号被高速数字采集卡采集到并保存到电脑，在计算机中利用Matlab 软件对采集的数据计算，采用下式：

其中Q_PA＝I_H-PA－I_V-PA，U_PA＝I_P-PA－I_M-PA，I_PA＝I_H-PA+I_V-PA。I_H-PA、I_V-PA、I_P-PA、 I_M-PA分别对应于偏振器定位于0°,90°,45°和-45°产生的线偏振激光激发的光声信号幅值。得到表征介质有序度参量,根据四组光声信号利用Matlab和Volview 软件重建出样品偏振光声显微三维成像图，如图6所示，其中黑色双向箭头代表激发光电矢量方向；根据四组光声信号利用Matlab和Volview软件重建出样品有序度三维成像图，如图7所示。图6中PVA的光声信号依赖激发光电矢量方向和PVC部分的光声信号则没有变化，在图7有序度的成像中可以很好的分辨出来PVA和PVC。

本实施例提出偏振光光声显微镜的概念，利用斯托克斯矢量描述的方法在理论上构建了表征介质有序度参量的物理模型，并通过利用不同电矢量振动方向不同的线偏振光作为激发源产生光声信号，最终实现了原位深层组织有序度的定量测量。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种偏振光声显微成像装置，其特征在于，包括

光声激发光源发生组件、光声信号处理组件和采集平台组件，

所述光声激发光源发生组件包括激光器、第一透镜、针孔、第二透镜、起偏器、二分之一玻片、扫描振镜和聚焦透镜；

所述激光器产生激光束，激光束依次通过第一透镜、针孔、第二透镜、起偏器和二分之一玻片后形成线偏振光，所述针孔设在第一透镜和第二透镜的共焦处；

线偏振光依次经过扫描振镜和聚焦透镜后聚焦在样品上，所述样品被激发出光声信号；

所述采集平台组件通过电机驱动，并带动样品移动，所述光声信号处理组件将光声信号进行信号放大计算后构建图像。

2.根据权利要求1所述的偏振光声显微成像装置，其特征在于，所述起偏器采用偏振片。

3.根据权利要求1或2所述的偏振光声显微成像装置，其特征在于，

第一透镜采用焦距为f的凸透镜，针孔采用孔直径为D的针孔，针孔与第一透镜的焦距满足下列公式：

其中，λ为光波长，d为入射光直径。

4.根据权利要求1所述的偏振光声显微成像装置，其特征在于，所述采集平台组件包括耦合槽、超声耦合液和扫描平台，所述样品浸入超声耦合液内，所述超声耦合液盛放在耦合槽内，所述耦合槽放置在扫描平台上，所述扫描平台带动耦合槽移动，所述电机驱动扫描平台。

5.根据权利要求1所述的偏振光声显微成像装置，其特征在于，所述光声信号处理组件包括超声换能器、信号放大器、高速数字采集卡和计算机，

所述超声换能器检测样品被激发出的光声信号，经信号放大器放大信号后，通过高速数字采集卡采集到计算机中。

6.根据权利要求5所述的偏振光声显微成像装置，其特征在于，所述超声换能器采用中空聚焦探测器。

7.一种偏振光声显微镜成像方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1：激光器产生激光束，依次经过第一透镜、针孔、第二透镜，对激光束进行聚焦、过滤、准直和扩束；

S2：经过准直扩束后的激光束经过起偏器变为线偏振光，再垂直入射到二分之一玻片，旋转二分之一玻片得到不同电矢量方向的线偏振光；

S3：经过二分之一玻片后的线偏振光通过扫描振镜，再由聚焦透镜聚焦到样品上，样品被激发出光声信号；

S4：光声信号经过超声耦合液，超声换能器检测到光声信号，再经过信号放大器进行信号放大，高速数字采集卡采集信号放大后的光声信号，并保存到计算机中；

S5：计算机选取不同电矢量方向的线偏振光产生的光声信号进行计算，得到表征介质有序度参量，根据不同电矢量方向的线偏振光产生的光声信号和表征介质有序度参量，重建样品偏振光声成像和定量有序度三维成像。

8.根据权利要求7所述的偏振光声显微镜成像方法，其特征在于，步骤S4中所述高速数字采集卡采集放大后的光声信号，具体采集方式：计算机控制步进电机驱动扫描平台逐点移动样品，样品上形成二维平面扫描区域，步进电机每移动一次，高速数字采集卡就进行一次光声信号采集，并将二维平面扫描区域采集得到的光声信号与样品激发位置坐标一一对应。

9.根据权利要求7所述的偏振光声显微镜成像方法，其特征在于，步骤S5中所述的重建样品偏振光声成像的具体步骤为：采用不同电矢量方向的线偏振光产生的光声信号进行最大值投影，得到光声信号二维强度灰度成像图。

10.根据权利要求7所述的偏振光声显微镜成像方法，其特征在于，步骤S5中所述的根据表征介质有序度参量重建定量有序度三维成像，具体步骤为：采用偏振方向相差45度的四个线偏振光各自激发光声信号，计算表征介质有序度参量，根据四组光声信号和表征介质有序度参量，计算机重建出样品定量有序度三维成像图，所述表征介质有序度参量具体计算公式如下所述：

其中，Q_PA＝I_H-PA－I_V-PA，U_PA＝I_P-PA－I_M-PA，I_PA＝I_H-PA+I_V-PA，I_H-PA、I_V-PA、I_P-PA、I_M-PA分别对应于二分之一玻片光轴定位于0°,90°,45°和-45°产生的线偏振激光激发的光声信号幅值，I_PA表示自然光激发样品产生的光声信号。