CN110584570B - 一种全光检测的内窥光声成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光检测的内窥光声成像系统，包括：光源组件、物镜、环形器、光纤探头、探测组件及控制显示器；光源组件包括发射出激发光束的第一激光器和发射出探测光束的第二激光器，激发光束和探测光束经物镜耦合后依次进入环形器、光纤探头；光纤探头包括双包层光纤和设置在双包层光纤远离环形器的端面上的光学共振腔；环形器具有第一端口、第二端口及第三端口，第一端口与物镜对应连接，第二端口与双包层光纤对应连接，第三端口与探测组件对应连接，第一激光器、第二激光器及探测组件均与控制显示器电连接。运用本技术方案解决了现有技术中超声换能器带宽窄、灵敏度低及内窥探头体积大的技术问题，实现了光声成像系统在临床上的内窥检测。

Description

一种全光检测的内窥光声成像系统

技术领域

本发明涉及光声成像的技术领域，尤其涉及一种全光检测的内窥光声成像系统。

背景技术

基于光声效应的光声成像(Photoacoustic Imaging,PAI)近些年来逐渐受到科研人员的重视，利用短脉冲激光照射在生物组织上，组织内部的色素物质吸收激光的能量，由于瞬间的热弹性效应而产生超声波，此超声波即为光声信号。在光声成像中，无需对生物组织进行标记，所以只要控制短脉冲激光的能量在一定范围内，不会对生物组织造成伤害。而且不同的生物组织对短脉冲激光的吸收是不同的，由此便可实现组织光学吸收特性的特异性观测。

早期的光声成像技术都是基于压电陶瓷换能器的。早期的光声断层成像具备～200μm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～50μm，而且明显改善了图像质量。光学分辨率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。近年来，光声成像实现了亚波长分辨能力(甚至突破了光学衍射极限)，同时大幅提高了图像采集速率，能够从亚细胞尺度上揭示重要的形态、功能和动态信息。这些基于压电型换能器的光声成像技术，由于压电型换能器自身属性的限制，探测带宽以及探测灵敏度并不理想。

光声内窥成像技术是光声成像与内窥技术的结合，能够在体内提供原位生物组织的结构和功能信息，由于其最具有临床实践的潜力，目前已经成为光声成像技术的主要研究和应用发展方向。光声内窥镜探头大小严重受限于超声换能器(压电陶瓷片)的体积，一方面采用超声换能器作为内窥超声探头，需要供电和传输电缆，同时为了保证传输电信号的稳定，需要进行绝缘屏蔽保护，这些都会限制探头的进一步减小；再一方面超声换能器的体积与超声信号的检测灵敏度满足正态相关，基于压电效应的原理，压电材料的形变量越大，产生的净电荷越多，因此为了保证超声信号检测的信噪比，必须保证超声换能器的结构尺寸在一定范围内，不能无限做小；另一方面现有的超声换能器常用的压电材料在超声检测带宽与检测灵敏度都不可兼得，如压电超声换能器常用的压电晶体材料PVDF薄膜具有声阻抗低、频带宽的优点，但其灵敏度相对较低；PZT压电陶瓷材料具有灵敏度高，但超声信号检测带宽较窄。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种全光检测的内窥光声成像系统，以解决现有技术中超声换能器带宽窄、灵敏度低以及内窥探头体积大的技术问题，使光声成像系统实现在临床上的内窥检测。

为实现上述目的，本发明提供一种全光检测的内窥光声成像系统，包括：光源组件、物镜、环形器、光纤探头、探测组件以及控制显示器；所述光源组件、所述物镜、所述环形器以及所述光纤探头依次设置；所述光源组件包括发射出激发光束的第一激光器和发射出探测光束的第二激光器，所述激发光束和所述探测光束经所述物镜耦合后依次进入所述环形器、所述光纤探头；所述光纤探头包括双包层光纤和设置在所述双包层光纤远离所述环形器的端面上的光学共振腔；所述环形器具有第一端口、第二端口以及第三端口，所述第一端口与所述物镜对应连接，所述第二端口与所述双包层光纤对应连接，所述第三端口与所述探测组件对应连接，所述第一激光器、所述第二激光器以及所述探测组件均与所述控制显示器电连接。

进一步地，所述双包层光纤包括纤芯、包覆所述纤芯的内包层以及包覆所述内包层的外包层，所述激发光束经所述物镜耦合进所述内包层，所述探测光束经所述物镜耦合进所述外包层。

进一步地，所述激发光束的波长范围为300nm-1000nm，所述探测光束的波长范围为400nm-2200nm。

进一步地，所述第一激光器为固体激光器，所述第二激光器为氦氖激光器。

进一步地，所述光学共振腔为F-P谐振腔。

进一步地，所述F-P谐振腔远离所述双包层光纤的端面上设置有金膜。

进一步地，所述光纤探头还包括聚焦透镜，所述聚焦透镜设置在所述纤芯远离所述环形器的端面上，所述金膜上开设有与所述聚焦透镜对应的通孔。

进一步地，所述F-P谐振腔的端部开设有缺口。

进一步地，所述全光检测的内窥光声成像系统还包括滑环和旋转马达，所述滑环套设在所述光纤探头上，所述旋转马达的输出端与所述滑环连接。

进一步地，所述探测组件包括高频放大器以及平衡探测器，所述平衡探测器的一端与所述第三端口连接，所述平衡探测器的另一端与所述控制显示器连接，所述高频放大器设置在所述平衡探测器与所述控制显示器之间。

本发明提供一种全光检测的内窥光声成像系统，有益效果在于：控制器控制第一激光器发出激发光束和第二激光器发出探测光束，激发光束和探测光束经过物镜耦合从环形器进入光纤探头后，激发光束透过光学共振腔打在样品上，样品吸收脉冲能量产生光声信号，并改变了光学共振腔腔膜与样品界面处的折射率，进而影响探测光束返回来的光强变化，在光学共振腔多次干涉后反射回来的探测光束由环形器分光后通过探测组件，最后经过控制器的重建程序构建图像。运用本技术方案解决了现有技术中超声换能器带宽窄、灵敏度低以及内窥探头体积大的技术问题，使光声成像系统实现在临床上的内窥检测。

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一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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为本发明一种全光检测的内窥光声成像系统的结构示意框图；

图2为本发明中光纤探头的结构示意图；

图3为图2的剖视图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

11、第一激光器；12、第二激光器；20、物镜；31、环形器；311、第一端口；312、第二端口；313、第三端口；40、光纤探头；41、双包层光纤；411、纤芯；412、内包层；413、外包层；42、F-P谐振腔；421、缺口；43、聚焦透镜；51、平衡探测器；52、高频放大器；60、控制显示器；61、数据采集卡；70、准直透镜组。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域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。

请参阅图1、图2，为一种全光检测的内窥光声成像系统，包括：光源组件、物镜20、环形器31、光纤探头40、探测组件以及控制显示器60；光源组件、物镜20、环形器31以及光纤探头40依次设置；光源组件包括发射出激发光束的第一激光器11和发射出探测光束的第二激光器12，激发光束和探测光束经物镜20耦合后依次进入环形器31、光纤探头40；光纤探头40包括双包层光纤41和设置在双包层光纤41远离环形器31的端面上的光学共振腔；环形器31具有第一端口311、第二端口312以及第三端口313，第一端口311与物镜20对应连接，第二端口312与双包层光纤41对应连接，第三端口313与探测组件对应连接，第一激光器11、第二激光器12以及探测组件均与控制显示器60电连接。

在本发明中，控制器控制第一激光器11发出激发光束和第二激光器12发出探测光束，激发光束和探测光束经过物镜20耦合从环形器31进入光纤探头40后，激发光束透过光学共振腔打在样品上，样品吸收脉冲能量产生光声信号，并改变了光学共振腔腔膜与样品界面处的折射率，进而影响探测光束返回来的光强变化，在光学共振腔多次干涉后反射回来的探测光束由环形器31分光后通过探测组件，最后经过控制显示器60的重建程序构建图像。运用本技术方案解决了现有技术中超声换能器带宽窄、灵敏度低以及内窥探头体积大的技术问题，使光声成像系统实现在临床上的内窥检测。

采用环形器31的效果比在物镜20耦合部分前端加半透半返透镜的效果要好，表现为损耗小，容易采集反射回来的信号；环形器31还可以选用耦合器替代，其作用为将光路分光以由探测组件采集。

进一步地，双包层光纤41包括纤芯411、包覆纤芯411的内包层412以及包覆内包层412的外包层413，激发光束经物镜20耦合进内包层412，探测光束经物镜20耦合进外包层413。第一激光器11发射出激发光束以产生信号，第二激光器12发射出探测光束，将激发光束和探测光束耦合进双包层光纤41里，可以实现全光检测，并且该光纤探头40的结构体积更小，从而可以替代传统的压电型超声换能器，且在灵敏度方面比传统压电型超声换能器会有1～2个数量级的提高。

激发光束的波长范围为300nm-1000nm，探测光束的波长范围为400nm-2200nm，对于不同的样品，激发光束和探测光束的波长可以改变，以样品的吸收系数最大、产生的光声信号最强为准。优选地，在本技术方案中，激发光束的波段长为532nm，探测光束的波段长为633nm，进一步地，第一激光器11为固体激光器，第二激光器12为氦氖激光器。

光学共振腔可以选用微环、微管、微腔以及布拉格光栅等，在本实实施例中，光学共振腔选用F-P谐振腔42。进一步地，F-P谐振腔42远离双包层光纤41的端面上设置有金膜，以增强样品折射率变化的信号，当然F-P谐振腔42的端面也可以镀不同材料的膜，只要其可以增强样品界面折射率的变化信号即可。

参见图3，优选地，光纤探头40还包括聚焦透镜43，聚焦透镜43设置在纤芯411远离环形器31的端面上，金膜上开设有与聚焦透镜43对应的通孔，在纤芯411端面上设置聚焦透镜43以汇聚激发光束使样品产生超声信号。

进一步地，F-P谐振腔42的端部开设有缺口421，在本技术方案中，F-P谐振腔42由双光子三维光刻机直接加工在双包层光纤41的端面上，通过在F-P谐振腔42的端部开设缺口421以便在光刻加工时，里面的胶能流出来，需要说明的是，F-P谐振腔42的材料不局限光刻胶。

优选地，全光检测的内窥光声成像系统还包括滑环和旋转马达，滑环套设在光纤探头40上，旋转马达的输出端与滑环连接。通过旋转马达控制滑环的转动可以实现内窥光声成像系统360°大视场成像。

参见图1，探测组件包括高频放大器52以及平衡探测器51，平衡探测器51的一端与第三端口313连接，平衡探测器51的另一端与控制显示器60连接，高频放大器52设置在平衡探测器51与控制显示器60之间。平衡探测器51采集到的信号首先经过高频放大器52被放大，然后被控制显示器60中的数据采集卡61所采集，采集到的数据经过控制显示器60上的重建程序构建图像。

进一步地，光源组件与物镜20之间设置有准直透镜组70，对从第一激光器11出来的激发光和第二激光器12出来的探测光进行准直扩束，以便后续耦合。

由于生物组织的光吸收特性与生理功能变化密切相关，因此，全光检测的内窥光声成像系统可以较为准确的反映目标组织的图像特性，本技术方案利用双包层光纤41，并在其端面加工F-P谐振腔42，将两路激光光束耦合进双包层光纤41里面，一路作为激发光，一路作为探测光，实现全光检测、自发自收的双光源内窥光声成像模式，具有较高的图像分辨率、对比度和灵敏度，因此能够进一步向临床应用靠近。

以上为对本发明所提供的一种全光检测的内窥光声成像系统的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种全光检测的内窥光声成像系统，其特征在于，包括：光源组件、物镜、环形器、光纤探头、探测组件以及控制显示器；

所述光源组件、所述物镜、所述环形器以及所述光纤探头依次设置；所述光源组件包括发射出激发光束的第一激光器和发射出探测光束的第二激光器，所述激发光束和所述探测光束经所述物镜耦合后依次进入所述环形器、所述光纤探头；所述光纤探头包括双包层光纤和设置在所述双包层光纤远离所述环形器的端面上的光学共振腔；所述环形器具有第一端口、第二端口以及第三端口，所述第一端口与所述物镜对应连接，所述第二端口与所述双包层光纤对应连接，所述第三端口与所述探测组件对应连接，所述第一激光器、所述第二激光器以及所述探测组件均与所述控制显示器电连接；

所述双包层光纤包括纤芯、包覆所述纤芯的内包层以及包覆所述内包层的外包层，所述激发光束经所述物镜耦合进所述内包层，所述探测光束经所述物镜耦合进所述外包层；

所述光学共振腔为F-P谐振腔，所述F-P谐振腔远离所述双包层光纤的端面上设置有金膜，所述F-P谐振腔的端部开设有缺口。

2.根据权利要求1所述的全光检测的内窥光声成像系统，其特征在于，所述激发光束的波长范围为300nm-1000nm，所述探测光束的波长范围为400nm-2200nm。

3.根据权利要求2所述的全光检测的内窥光声成像系统，其特征在于，所述第一激光器为固体激光器，所述第二激光器为氦氖激光器。

4.根据权利要求3所述的全光检测的内窥光声成像系统，其特征在于，所述光纤探头还包括聚焦透镜，所述聚焦透镜设置在所述纤芯远离所述环形器的端面上，所述金膜上开设有与所述聚焦透镜对应的通孔。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的全光检测的内窥光声成像系统，其特征在于，所述全光检测的内窥光声成像系统还包括滑环和旋转马达，所述滑环套设在所述光纤探头上，所述旋转马达的输出端与所述滑环连接。

6.根据权利要求1所述的全光检测的内窥光声成像系统，其特征在于，所述探测组件包括高频放大器以及平衡探测器，所述平衡探测器的一端与所述第三端口连接，所述平衡探测器的另一端与所述控制显示器连接，所述高频放大器设置在所述平衡探测器与所述控制显示器之间。

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