CN111166470A - 一种深度可分辨的目标探测及消融系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种深度可分辨的目标探测及消融系统，属于光学领域。该系统包括深度可分辨的目标探测模块和深度可分辨的目标消融模块。其中，深度可分辨的目标探测模块可一次性采集源自样本不同深度的荧光光谱，并通过计算机分析荧光光谱计算目标的深度；深度可分辨的目标消融模块可对指定深度进行激光照射，进而消融指定的目标。本发明利用特殊的光路设计，实现了对于目标更为精准的探测及消融，可有效减少对目标周围样本的损伤。本发明将目标探测模块和目标消融模块融入到一个光学系统中，结构简单、鲁棒性高、操作方便、快捷，不需要目标探测及目标消融系统间的手动切换，具有误差小、实时性好和时间效率高等优势。

Description

一种深度可分辨的目标探测及消融系统

技术领域

本发明属于光学的技术领域，具体涉及一种深度可分辨的目标探测及消融系统。

背景技术

荧光光谱通过测量荧光团经激发光照射后所释放的荧光信号，可反映待测样品的荧光强度在不同波长处的分布情况，具有灵敏度高、选择性强等优点，可提供关于待测样品更为丰富的生理、生化信息，近年来在生命科学、医学、材料科学等领域中得到了广泛的探索。然而，传统的荧光光谱仪多采用光纤探头的探测结构，难以一次性采集源自不同深度的荧光信号，因此无法便捷地获取关于目标的深度信息。因此，一种具有深度可分辨性的荧光光谱测量方法可实现在深度方向上更为精准的目标探测。

激光消融技术指利用高功率激光作用于目标，利用光热效应实现非侵入性的目标消融，具有到精度高、创伤小、高渗透性等优势，已被广泛应用于生物、医学等领域。然而，传统的激光消融技术缺乏对于消融深度的选择性，对周围样本的损伤通常较大。因此，一种具有深度选择性的目标消融系统可有效减少目标周围样本的损伤，实现对于目标更为精准的消融。

另外，目标探测及消融系统通常为两个独立工作的系统，但在实际使用过程中两者通常需要结合使用，即需要先探测目标再根据目标位置进行消融，因此存在操作复杂、实时性差等缺点。为此，一种结构简单、鲁棒性高的目标探测及消融相结合的系统及方法具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种深度可分辨的目标探测及消融系统，以解决现有技术中心存在的上述问题。

本发明的技术方案为：

一种深度可分辨的目标探测及消融系统，其包括深度可分辨的目标探测模块和深度可分辨的目标消融模块，所述的深度可分辨的目标探测模块采集源自样本不同深度的荧光光谱，进而反演出目标的深度信息，所述的深度可分辨的目标消融模块对指定深度进行激光照射，进而消融指定的目标；其中：所述的深度可分辨的目标探测模块包括第一激光器1、第一扩束器3、二向色镜5、分光镜7、轴锥透镜8、长波通滤光片10、透镜11、光纤探头12、光谱仪13、数据采集卡14及计算机15；所述的目标消融模块包括第二激光器2、第二扩束器4、数字微镜器件6、控制板卡16、二向色镜5、分光镜7和轴锥透镜8。

在所述的深度可分辨的目标探测模块中，第一激光器1发出的激光经第一扩束器3扩束，通过二向色镜5后由分光镜7反射，反射后的激光由轴锥透镜8将光束汇聚于样本9的不同深度；源自样本9的不同深度的荧光信号经轴锥透镜8变成平行光束，通过分光镜7并由长波通滤光片10滤除激发光，随后经透镜11成像到光纤探头12的接收端的不同光纤束上，光纤探头12的成像端将荧光信号传输到光谱仪13的探测器上位于不同行的探测单元，并分别采集样本9不同深度的荧光光谱，光谱仪13与数据采集卡14连接，数据采集卡14连接，数据采集卡14与计算机15连接，最后通过计算机15分析荧光光谱并计算目标的深度。

在所述的深度可分辨的目标消融模块中，第二激光器2发出的激光经第二扩束器4扩束后，经数字微镜器件6反射形成消融目标所需的环形光束，随后经二向色镜5和分光镜7反射，并由轴锥透镜8将光束汇聚于样本9的特定深度；数字微镜器件6与控制板卡16连接，控制板卡16与计算机15连接，计算机15及控制板卡16通过控制数字微镜器件6上的微镜单元，实现不同直径大小的环形光束，以特异性地对指定深度内的样本9进行激光照射，进而消融指定深度的目标。

进一步地，所述的光纤探头12的接收端包括多组光纤，多组光纤排列成环形，每组光纤包括至少两列光纤，每组光纤沿环形的径向方向排列，位于不同直径的环形上的光纤可采集不同深度的荧光信号；光纤探头12的成像端将接收端上位于不同直径的环形上的光纤进行整合，并排列成不同行的光纤束，进而将荧光信号传输到光谱仪13的探测器上位于不同行的探测单元。

进一步地，在深度可分辨的目标探测模块中，分析荧光光谱并计算目标的深度的具体步骤包括：

步骤1)对光谱仪13所测得的荧光光谱经计算机15做均一化处理，进而消除因不同深度所导致的荧光信号强度的差异；

步骤2)通过步骤1)中均一化后的荧光光谱的谱形，确定用于采集到目标荧光信号的有效光纤在光纤探头12采集端上的位置，即有效光纤所在的光纤环的直径；

步骤3)利用公式(1)计算目标的深度h，

其中R是有效光纤所在的光纤环的直径，η是透镜的放大倍数，α是轴锥透镜8的物理角度，β是轴锥透镜8的光束偏转角。

进一步地，在深度可分辨的目标消融模块中，对处于一定深度范围内的目标进行消融的具体步骤包括：

步骤1)基于公式(1)得到的目标深度h在样本9内的深度信息，根据公式(2)，计算出消融目标所需激光光环的直径大小D，

其中，h是目标所在的深度，α是轴锥透镜8的物理角度，β是轴锥透镜8的光束偏转角；

步骤2)计算机15及控制板卡16通过控制数字微镜器件6，将位于直径大小D的环形上的微镜单元设置为“开”状态，即反射直径大小为D的激光至后续光路中，形成消融目标所需的特定直径的环形光束；

步骤3)环形光束通过轴锥透镜8汇聚后，对指定深度内的目标进行激光照射，进而消融指定目标。

本发明的效果和益处是：

本发明利用特殊的光路设计，可一次性探测目标的深度信息，并可消融指定深度的目标，实现了对于目标更为精准的探测及消融，可有效减少对目标周围样本的损伤。此外，本发明将目标探测模块和目标消融模块融入到一个光学系统中，该系统结构简单、鲁棒性高、操作方便、快捷，且不需要目标探测及目标消融系统间的手动切换，具有误差小、实时性好和时间效率高等优势。

附图说明

图1是本发明实施例中提供的深度可分辨的目标探测及消融系统的示意图；

图2是本发明实施例中提供的深度可分辨的目标探测及消融系统的光纤探头的接收端和光纤探头的成像端上的光纤分布以及光谱仪探测器上位于不同行的探测单元采集源自不同深度的荧光光谱的工作示意图。

图中：1第一激光器；2第二激光器；3第一扩束器；4第二扩束器；5二向色镜；6数字微镜器件；7分光镜；8轴锥透镜；9样本；10长波通滤光片；11透镜；12光纤探头；13光谱仪；14数据采集卡；15计算机；16控制板卡。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

应当了解，所附附图并非按比例地绘制，而仅是为了说明本发明的基本原理的各种特征的适当简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。

在所附多个附图中，同样的或等同的部件(元素)以相同的附图标记标引。

图1是本发明实施例中提供的深度可分辨的目标探测及消融系统的示意图。参见图1，在本实施例中，深度可分辨的目标探测及消融系统包括深度可分辨的目标探测模块和深度可分辨的目标消融模块。其中，深度可分辨的目标探测模块采集源自样本不同深度的荧光光谱，进而反演出目标的深度信息，深度可分辨的目标探测模块包括第一激光器1、第一扩束器3、二向色镜5、分光镜7、轴锥透镜8、长波通滤光片10、透镜11、光纤探头12、光谱仪13、数据采集卡14及计算机15；深度可分辨的目标消融模块对指定深度进行激光照射，进而消融指定的目标，目标消融模块包括第二激光器2、第二扩束器4、数字微镜器件6、控制板卡16、二向色镜5、分光镜7和轴锥透镜8。

在深度可分辨的目标探测模块中，第一激光器1发出的激光经第一扩束器3扩束，通过二向色镜5后由分光镜7反射，反射后的光由轴锥透镜8将光束汇聚于样本9的不同深度；其中，离轴锥透镜8的光轴越近的光所汇聚的深度越浅，离轴锥透镜8的光轴越远的光所汇聚的深度越深；源自样本9的不同深度的荧光信号经轴锥透镜8变成平行光束，通过分光镜7并由长波通滤光片10滤除激发光，随后经透镜11成像到光纤探头12的接收端的不同光纤束上，光纤探头12的成像端将荧光信号传输到光谱仪13的探测器上位于不同行的探测单元，并分别采集样本9不同深度的荧光光谱，光谱仪13与数据采集卡14连接，数据采集卡14用于收集光谱仪13采集到的数据，并送到计算机15中进行分析、处理，数据采集卡14与计算机15连接，最后通过计算机15分析荧光光谱并计算目标的深度。

图2是本发明光纤探头的接收端和光纤探头的成像端上的光纤分布以及光谱仪探测器上位于不同行的探测单元采集源自不同深度的荧光光谱的工作示意图。参见图2，在一个具体的实施方案中，光纤探头12的接收端包括多组光纤，多组光纤排列成环形，每组光纤包括至少两列光纤，每组光纤沿环形的径向方向排列，位于不同直径的环形上的光纤可采集不同深度的荧光信号；光纤探头12的成像端将接收端上位于不同直径的环形上的光纤进行整合，并排列成不同行的光纤束，进而将荧光信号传输到光谱仪13的探测器上位于不同行的探测单元。具体地，探测器上不同颜色区域表示位于不同行的探测单元，用于分别采集源自光纤探头成像端上不同行的光纤束的荧光光谱。

在深度可分辨的目标探测模块中，分析荧光光谱并计算目标的深度的具体步骤包括：

步骤1)对光谱仪13所测得的荧光光谱经计算机15做均一化处理，进而消除因不同深度所导致的荧光信号强度的差异；

步骤2)通过步骤1)中均一化后的荧光光谱的谱形，确定用于采集到目标荧光信号的有效光纤在光纤探头12采集端上的位置，即有效光纤所在的光纤环的直径；

步骤3)利用公式(1)计算目标的深度h，

其中R是有效光纤所在的光纤环的直径，η是透镜的放大倍数，α是轴锥透镜8的物理角度，β是轴锥透镜8的光束偏转角。

在深度可分辨的目标消融模块中，第二激光器2发出的激光经第二扩束器4扩束后，经数字微镜器件6反射形成消融目标所需的环形光束，随后经二向色镜5和分光镜7反射，并由轴锥透镜8将光束汇聚于样本9的特定深度。数字微镜器件6与控制板卡16连接，控制板卡16与计算机15连接，计算机15及控制板卡16通过控制数字微镜器件6上的微镜单元，实现不同直径大小的环形光束，可特异性地对指定深度内的样本9进行激光照射，进而消融指定深度的目标。即，在深度可分辨的目标消融模块中，通过控制数字微镜器件6上的微镜单元，可实现指定宽度的环形光束，可对处于一定深度范围内的目标进行消融。

具体步骤包括：

步骤1)基于公式(1)得到的目标深度h在样本9内的深度信息，根据公式(2)，计算出消融目标所需激光光环的直径大小D，

其中，h是目标所在的深度，α是轴锥透镜8的物理角度，β是轴锥透镜8的光束偏转角；

步骤2)计算机15及控制板卡16通过控制数字微镜器件6，将位于直径大小D的环形上的微镜单元设置为“开”状态，即反射直径大小为D的激光至后续光路中，形成消融目标所需的特定直径的环形光束；

步骤3)环形光束通过轴锥透镜8汇聚后，对指定深度内的目标进行激光照射，进而消融指定目标。

实施例

如图1所示，本实施例中，深度可分辨的目标探测模块包括第一激光器1、第一扩束器3、二向色镜5、分光镜7、轴锥透镜8、长波通滤光片10、透镜11、光纤探头12、光谱仪13、数据采集卡14及计算机15。第一激光器1发出的785nm的激光经第一扩束器3扩束后，通过二向色镜5及分光镜7后，反射的光由轴锥透镜8将光束汇聚于皮肤的不同深度，皮肤内的黑色素被785nm激光激发后会产生荧光信号。

源自皮肤不同深度的荧光信号经轴锥透镜8变成平行光束，通过长波通滤光片10滤除掉激发光，随后经透镜11成像到光纤探头12接收端的不同光纤束上，光纤探头12的成像端将荧光信号传输到光谱仪13的探测器上位于不同行的探测单元，并分别采集位于不同深度的黑色素的荧光光谱。

如图2所示，光纤探头12的接收端由排列成不同直径大小的环形的多根光纤组成，位于不同直径的环形上的光纤可采集不同深度的荧光信号；光纤探头12的成像端将接收端上位于不同直径的环形上的光纤进行整合，并排列成不同行的光纤束，进而将荧光信号传输到光谱仪13的探测器上位于不同行的探测单元。利用计算机15对得到的荧光光谱进行信息处理，通过公式(1)得到黑色素的深度位置。

其中R是有效光纤所在的光纤环的直径，η是透镜的放大倍数，α是轴锥透镜的物理角度，β是轴锥透镜的光束偏转角。

如图1所示，本实施例中的深度可分辨目标消融模块包括第二激光器2、第二扩束器4、数字微镜器件6、控制板卡16、二向色镜5、分光镜7、轴锥透镜8。第二激光器2发出的1064nm的激光经第二扩束器4扩束后，经由经数字微镜器件6反射形成消融目标所需特定大小的环形光束，然后经二向色镜5和分光镜7反射，反射后的光由轴锥透镜8将光束汇聚于皮肤内；对指定深度的黑色素进行激光照射，减少其他皮肤组织的损伤。该环形光束的直径大小可通过公式(2)获得。

其中，h是目标所在的深度，α是轴锥透镜8的物理角度，β是轴锥透镜8的光束偏转角。更进一步地，通过控制数字微镜器件6上的微镜单元，可实现指定宽度的环形光束，可对多个不同深度的黑色素或处于一定深度范围内的黑色素进行消融。

对待探测及消融区域的其它位置，重复以上步骤，直至完成整个区域黑色素的探测及消除。

以上示例性实施方式所呈现的描述仅用以说明本发明的技术方案，并不想要成为毫无遗漏的，也不想要把本发明限制为所描述的精确形式。显然，本领域的普通技术人员根据上述教导做出很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方式并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员便于理解、实现并利用本发明的各种示例性实施方式及其各种选择形式和修改形式。本发明的保护范围意在由所附权利要求书及其等效形式所限定。

Claims (4)

1.一种深度可分辨的目标探测及消融系统，其特征在于，所述的深度可分辨的目标探测及消融系统包括深度可分辨的目标探测模块和深度可分辨的目标消融模块，所述的深度可分辨的目标探测模块采集源自样本不同深度的荧光光谱，反演出目标的深度信息；所述的深度可分辨的目标消融模块对指定深度进行激光照射，消融指定的目标；其中：

所述的深度可分辨的目标探测模块包括第一激光器(1)、第一扩束器(3)、二向色镜(5)、分光镜(7)、轴锥透镜(8)、长波通滤光片(10)、透镜(11)、光纤探头(12)、光谱仪(13)、数据采集卡(14)及计算机(15)；

所述的目标消融模块包括第二激光器(2)、第二扩束器(4)、数字微镜器件(6)、控制板卡(16)、二向色镜(5)、分光镜(7)和轴锥透镜(8)；

在所述的深度可分辨的目标探测模块中，第一激光器(1)发出的激光经第一扩束器(3)扩束，通过二向色镜(5)后由分光镜7反射，反射后的激光由轴锥透镜(8)将光束汇聚于样本(9)的不同深度；源自样本(9)的不同深度的荧光信号经轴锥透镜(8)变成平行光束，通过分光镜(7)并由长波通滤光片(10)滤除激发光，随后经透镜(11)成像到光纤探头(12)的接收端的不同光纤束上，光纤探头(12)的成像端将荧光信号传输到光谱仪(13)的探测器上位于不同行的探测单元，并分别采集样本不同深度的荧光光谱，光谱仪(13)与数据采集卡(14)连接，数据采集卡(14)与计算机(15)连接，最后通过计算机(15)分析荧光光谱并计算目标的深度；

在所述的深度可分辨的目标消融模块中，第二激光器(2)发出的激光经第二扩束器(4)扩束后，经数字微镜器件(6)反射形成消融目标所需的环形光束，随后经二向色镜(5)和分光镜(7)反射，并由轴锥透镜(8)将光束汇聚于样本(9)的特定深度；数字微镜器件(6)与控制板卡(16)连接，控制板卡(16)与计算机(15)连接，计算机(15)及控制板卡(16)通过控制数字微镜器件(6)上的微镜单元，实现不同直径大小的环形光束，以特异性地对指定深度内的样本进行激光照射，进而消融指定深度的目标。

2.根据权利要求1所述的深度可分辨的目标探测及消融系统，其特征在于，所述的光纤探头(12)的接收端包括多组光纤，多组光纤排列成环形，每组光纤包括至少两列光纤，每组光纤沿环形的径向方向排列，位于不同直径的环形上的光纤可采集不同深度的荧光信号；光纤探头(12)的成像端将接收端上位于不同直径的环形上的光纤进行整合，并排列成不同行的光纤束，进而将荧光信号传输到光谱仪(13)的探测器上位于不同行的探测单元。

3.根据权利要求2所述的深度可分辨的目标探测及消融系统，其特征在于，在所述的深度可分辨的目标探测模块中，分析荧光光谱并计算目标的深度的具体步骤包括：

步骤1)对光谱仪(13)所测得的荧光光谱经计算机(15)做均一化处理，进而消除因不同深度所导致的荧光信号强度的差异；

步骤2)通过步骤1)中均一化后的荧光光谱的谱形，确定用于采集到目标荧光信号的有效光纤在光纤探头(12)采集端上的位置，即有效光纤所在的光纤环的直径；

步骤3)利用公式(1)计算目标的深度h，

其中R是有效光纤所在的光纤环的直径，η是透镜的放大倍数，α是轴锥透镜(8)的物理角度，β是轴锥透镜(8)的光束偏转角。

4.根据权利要求3所述的深度可分辨的目标探测及消融系统，其特征在于，在所述的深度可分辨的目标消融模块中，对处于一定深度范围内的目标进行消融的具体步骤包括：

步骤1)基于公式(1)得到的目标深度h在样本(9)内的深度信息，根据公式(2)，计算出消融目标所需激光光环的直径大小D，

其中，h是目标所在的深度，α是轴锥透镜(8)的物理角度，β是轴锥透镜(8)的光束偏转角；

步骤2)计算机(15)及控制板卡(16)通过控制数字微镜器件(6)，将位于直径大小D的环形上的微镜单元设置为“开”状态，即反射直径大小为D的激光至后续光路中，形成消融目标所需的特定直径的环形光束；

步骤3)环形光束通过轴锥透镜(8)汇聚后，对指定深度内的目标进行激光照射，进而消融指定目标。

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