CN111466884A - 一种光学相干弹性成像装置 - Google Patents

一种光学相干弹性成像装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种光学相干弹性成像装置，该装置利用超声声束在样品中诱发振动，使用成像装置检测样品中的振动，通过耦合单元实现探测光束和超声声束的耦合，具体地，耦合单元包括声反射面和光入射面，声反射面具有光学透明特性和声反射特性，使得从光入射面入射的探测光束可以透过光入射面和声反射面向待测样品传输，而从声反射面一侧入射的超声声束则被声反射面反射后，与探测光束沿同一方向向待测样品传输，实现超声声束和探测光束的同侧入射，有利于提高对于振动检测的灵敏度。并且，该装置无需制备环形超声换能器，不会对探测光束或超声波的传播范围造成限制，避免由于声场强度或光场强度较弱而对检测灵敏度造成的不良影响。

Description

一种光学相干弹性成像装置
技术领域
本申请涉及成像技术领域，更具体地说，涉及一种光学相干弹性成像装置。
背景技术
生物组织的弹性差异来源于生物分子、细胞和组织水平的成分、结构和相互作用的不同。生物组织的弹性成像利用医学成像平台，结合弹性测量原理，分析组织的力学弹性属性，并重建出组织在平面或空间中的弹性分布图像。
弹性成像中，首先使用外力诱发组织的弹性振动，然后使用医学成像方法检测组织的弹性振动，最后通过对弹性振动的计算，定量或定性地分析组织的弹性力学属性。光学相干弹性成像(Optical Coherence Elastography，OCE)是一种基于光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，OCT)技术和弹性测量原理，通过对生物组织中空间不同位置的弹性分布测量，实现高分辨、非侵入弹性力学分析的新型成像模式。成像时，利用外力诱导样品产生微小振动，通过OCT成像技术测量样品的振动幅度或振动传播速度，分析生物组织的弹性力学参数(如剪切模量和杨氏模量)。
声辐射力(Acoustic radiation force，ARF)激发的光学相干弹性成像技术是结合光学相干层析成像技术和声辐射力激发技术的弹性成像技术。声辐射力激发的光学相干弹性成像系统结构主要包括两个部分：光学相干层析成像单元和声辐射力激发单元。其中，声辐射力激发单元用于形成超声声束向生物组织传输，实现生物组织的远程力学激励。光学相干层析成像单元用于形成参考光束和样品光束，样品光束在被生物组织反射和散射后与参考光束进行干涉，以根据该干涉信息获取生物组织的弹性信息。
但在实际应用过程中发现，现有技术中的声辐射力激发的光学相干弹性成像系统受限于系统结构存在的问题，对于生物组织的弹性振动检测的灵敏度普遍较低。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请提供了一种光学相干弹性成像装置，通过耦合单元实现超声声束和探测光束的耦合，以使超声声束和探测光束可以在待测样品同侧，以平行或近似平行的方向传输，有利于提高光学相干弹性成像装置的检测灵敏度。
为实现上述技术目的，本申请实施例提供了如下技术方案：
一种光学相干弹性成像装置，包括：成像单元、声辐射力激发单元和耦合单元；其中，
所述成像单元，用于检测样品中的振动；
所述声辐射力激发单元，用于形成超声声束，诱导样品产生振动；
所述耦合单元包括声反射面和光入射面，所述声反射面具有光学透明特性和声反射特性；
所述探测光束通过所述光入射面入射，并透过所述声反射面向待测样品传输，经样品的反射和散射后，光束透过所述声反射面，返回成像光路；所述超声声束被所述声反射面反射后，与所述探测光束沿同一方向或相近方向向所述待测样品传输。
可选的，所述耦合单元包括：第一介质结构、中间介质结构和第二介质结构；其中，
所述中间介质结构设置于所述第一介质结构和所述第二介质结构之间，所述第一介质结构包括光入射面；
所述第二介质结构包括声入射面，所述中间介质结构与所述第二介质结构的接触面为所述声反射面。
可选的，所述第一介质结构的光学折射率、第二介质结构的光学折射率以及所述中间介质结构的光学折射率的差值小于第一预设差值；
所述第二介质结构的声阻抗与所述中间介质结构的声阻抗的差值大于第二预设差值。
可选的，所述第一介质结构和第二介质结构均为棱镜；
所述中间介质结构为硅油层或水层。
可选的，所述第一介质结构和第二介质结构均为硅油层或水层或磷酸缓冲盐溶液层或生理盐水层；
所述中间介质结构为玻璃层。
可选的，所述耦合单元包括：第三介质结构和阻抗错配膜；
所述第三介质结构包括声入射面和与所述超声声束的传输方向成预设角度的贴附面；
所述阻抗错配膜贴附于所述贴附面上，所述阻抗错配膜与所述第三介质结构的接触面为所述声反射面。
可选的，所述第三介质结构的光学折射率与所述阻抗错配膜的光学折射率的差值小于第一预设差值；
所述第三介质结构的声阻抗与所述阻抗错配膜的声阻抗的差值大于第二预设差值。
可选的，所述成像单元包括：光源、光学耦合器、参考臂、样品臂和成像设备；其中，
所述光源用于提供待处理光线；
所述光学耦合器用于将所述待处理光线分为参考光束和所述探测光束，和用于接收被所述参考臂反射的所述参考光束和被所述待测样品反射和散射的探测光束；被所述参考臂反射的所述参考光束和被所述待测样品反射的探测光束在所述光学耦合器中发生干涉；
所述成像设备，用于根据干涉信号对所述待测样品进行结构成像和振动测量。
可选的，所述光源为扫频光源单元或连续光谱光源单元。
可选的，所述声辐射力激发单元包括：波形发生器、放大器和超声换能单元；
所述超声换能单元为超声换能器。
从上述技术方案可以看出，本申请实施例提供了一种光学相干弹性成像装置，该装置利用超声声束在样品中诱发振动，使用成像装置检测样品中的振动，通过耦合单元实现探测光束和超声声束的耦合，具体地，所述耦合单元包括声反射面和光入射面，所述声反射面具有光学透明特性和声反射特性，使得从所述光入射面入射的探测光束可以透过所述光入射面和所述声反射面向待测样品传输，而从声反射面一侧入射的超声声束则被所述声反射面反射后，与所述探测光束沿同一方向或相近方向向所述待测样品传输，实现超声声束和探测光束的同侧入射，而同侧入射的超声声束和探测光束可以直接在待测样品中诱发平行于或近似平行于探测光束方向的弹性振动，有利于提高对于振动检测的灵敏度。
并且，所述光学相干弹性成像装置通过光学透明的耦合单元实现超声声束和探测光束的耦合，无需通过制备环形超声换能器的方式实现超声声束和探测光束的同侧入射，不会对探测光束或超声声束的传播范围造成限制，避免由于声场强度或光场强度较弱而对检测灵敏度造成的不良影响。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1-4为现有技术中的声辐射力激发的光学相干弹性成像系统的结构示意图；
图5为本申请的一个实施例提供的一种光学相干弹性成像系统的结构示意图；
图6为本申请的一个实施例提供的一种成像单元的结构示意图；
图7为本申请的另一个实施例提供的一种成像单元的结构示意图；
图8为本申请的又一个实施例提供的一种成像单元的结构示意图；
图9为本申请的一个实施例提供的一种声辐射力激发单元的结构示意图；
图10为本申请的一个实施例提供的一种耦合单元的结构示意图；
图11为本申请的另一个实施例提供的一种耦合单元的结构示意图；
图12为本申请的再一个实施例提供的一种耦合单元的结构示意图。
具体实施方式
正如背景技术中所述，现有技术中的声辐射力激发的光学相干弹性成像系统受限于系统结构存在的问题，对于生物组织的弹性信息的检测灵敏度普遍较低，或者不便于样品测量。
具体地，由于光学相干层析成像单元的光路和声辐射力激发单元的声路不能相互阻挡，因此现有技术中出现了如图1-图4所示的四种结构。
参考图1，图1所示的声辐射力激发的光学相干弹性成像系统中，声辐射力激发单元(包括上位机、波形发生器、放大器和超声换能器)出射的超声声束和光学相干层析成像单元(图1中仅示出了样品光路，包括准直镜、透镜、扫描镜)出射的探测光束以一定夹角入射到生物组织上，为了提供超声声束的传播介质，图1中还示出了超声耦合剂，一般情况下，探测光束以垂直入射的方式入射，超声声束以斜入射的方式入射。
在图1所示的结构中，由于超声声束引起的组织振动方向与探测光束的方向不平行，因此光学相干层析成像单元无法灵敏地检测组织振动。
参考图2和图3，图2所示的声辐射力激发的光学相干弹性成像系统中，声辐射力激发单元出射的超声声束和光学相干层析成像单元出射的探测光束以垂直或近似垂直的方式正交入射到生物组织上；图3所示的声辐射力激发的光学相干弹性成像系统中，声辐射力激发单元出射的超声声束和光学相干层析成像单元出射的探测光束的传播方向相对，以在生物组织两侧背向入射的方式入射到生物组织上。
在图2和图3中，超声声束均需要穿透较厚的组织(例如头骨、肌肉等)，直达深层组织。但是为了诱发眼底视网膜的振动，正交入射和背向入射结构中，都需要超声波穿透头骨，超声衰减后难以诱发视网膜的振动。为了诱发皮肤的振动，背向入射时必须将超声换能器置于皮肤另一侧，而正交入射时则需要超声波穿透较厚的皮肤组织，这都将引起超声的剧烈衰减，无法诱发待测生物组织的振动，大大降低了声辐射力激发的光学相干弹性成像系统的检测灵敏度。
为了使得超声声束和探测光束可以同侧平行入射，参考图4，图4所示的声辐射力激发的光学相干弹性成像系统中，所述声辐射力激发单元的超声换能器的形状为环形，中间的通孔用于供光学相干层析成像单元出射的探测光束通过，从而实现探测光束和超声声束的同侧平行入射，这种入射方式适合深层生物组织的检测，并且超声声束诱发的振动方向与探测光束平行，利于光学相干层析成像单元对振动的检测，但是，环形超声换能器的制造比较困难，且中间的通孔太小会影响光学相干层析成像单元的扫描范围，中间的通孔太大会降低声场强度，因此图4所示的声辐射力激发的光学相干弹性成像系统仍然存在检测灵敏度不够高的问题。
有鉴于此，本申请实施例提供了一种光学相干弹性成像装置，包括：成像单元、声辐射力激发单元和耦合单元；其中，
所述成像单元，用于检测样品中的振动；
所述声辐射力激发单元，用于形成超声声束，诱导样品产生振动；
所述耦合单元包括声反射面和光入射面，所述声反射面具有光学透明特性和声反射特性；
所述探测光束通过所述光入射面入射，并透过所述声反射面向待测样品传输，经样品的反射和散射后，光束透过所述声反射面，返回成像光路；所述超声声束被所述声反射面反射后，与所述探测光束沿同一方向或相近方向向所述待测样品传输。
需要说明的是，所述探测光束和所述超声声束沿相近方向向所述待测样品传输是指所述探测光束向所述待测样品的传输方向与所述超声声束向所述待测样品的传输方向的夹角小于预设值，所述预设值的取值可以小于或等于一定值(例如45°)，即所述预设值的取值可以为5°、4°、3°、2°、1°
所述光学相干弹性成像装置通过耦合单元实现探测光束和超声声束的耦合，具体地，所述耦合单元包括声反射面和光入射面，所述声反射面具有光学透明特性和声反射特性，使得从所述光入射面入射的探测光束可以透过所述光入射面和所述声反射面向待测样品传输，而从声反射面一侧入射的超声声束则被所述声反射面反射后，与所述探测光束沿同一方向或相近方向向所述待测样品传输，实现超声声束和探测光束的同侧入射，而同侧入射的超声声束和探测光束可以直接在待测样品中诱发平行或近似平行于探测光束方向的弹性振动，有利于提高对于振动检测的灵敏度。
并且，所述光学相干弹性成像装置通过光学透明的耦合单元实现超声声束和探测光束的耦合，无需通过制备环形超声换能器的方式实现超声声束和探测光束的同侧入射，不会对探测光束或超声声束的传播范围造成限制，避免由于声场强度或光场强度较弱而对检测灵敏度造成的不良影响。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通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，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种光学相干弹性成像装置，如图5所示，包括：成像单元100、声辐射力激发单元200和耦合单元300；其中，
所述成像单元100，用于检测样品中的振动；
所述声辐射力激发单元200，用于形成超声声束，诱导样品产生振动；
所述耦合单元300包括声反射面和光入射面，所述声反射面具有光学透明特性和声反射特性；
所述探测光束通过所述光入射面入射，并透过所述声反射面向待测样品A10传输，所述超声声束被所述声反射面反射后，与所述探测光束沿同一方向向所述待测样品A10传输。
在图5中，所述成像单元100和所述声辐射力激发单元200的具体结构并未示出。可选的，参考图6，所述成像单元100包括：光源110、光学耦合器150、参考臂120、样品臂140和成像设备130；其中，
所述光源110用于提供待处理光线；
所述光学耦合器150用于将所述待处理光线分为参考光束和所述探测光束，和用于接收被所述参考臂120反射的所述参考光束和被所述待测样品A10反射和散射的探测光束；被所述参考臂120反射的所述参考光束和被所述待测样品A10反射的探测光束在所述光学耦合器150中发生干涉；
所述成像设备130，用于根据干涉信号对所述待测样品A10进行结构成像和振动测量。
所述成像单元100可以是基于扫频光源111的光学相干层析成像单元100，也可以是基于连续光谱光源113的光学相干层析成像单元100，即可选的，所述光源110为扫频光源111单元或连续光谱光源113单元。
参考图7和图8，图7为基于扫频光源111的光学相干层析成像单元100的结构示意图，图8为基于连续光谱光源113的光学相干层析成像单元100的结构示意图。
在图7所示的结构中，扫频激光光源111输出的待处理光线(通常为弱相干光)经过偏振控制器112后进入光学耦合器150中分光，一部分待处理光线作为参考光束进入参考臂120，一部分待处理光线作为探测光束进入样品臂140。参考光束经过参考臂120的透镜121后，由反射镜122反射。探测光束经过样品臂140的透镜141后，聚焦在待测样品A10上。样品臂140和参考臂120返回的散射光(即被所述待测样品A10反射和散射的探测光束)和反射光(即被反射镜反射的参考光束)在光学耦合器150中产生干涉，由光电探测器检测131和信号处理后，实现待测样品A10的结构成像和振动测量。
在图8所示的结构中，连续光谱光源113输出的待处理光线通过光学隔离器114后，由光学耦合器150分光，一部分光作为探测光束进入样品臂140，另一部分光作为参考光束进入参考臂120。参考光束经过偏振控制器和透镜121后，由反射镜122反射。探测光束经过偏振控制器和透镜141后，聚焦在待测样品A10上。样品臂140和参考臂120返回的散射光(即被所述待测样品A10反射和散射的探测光束)和反射光(即被反射镜反射的参考光束)在光学耦合器150中产生干涉，干涉信号透过会聚透镜132后，由光栅133进行分光，将不同波长的干涉光在空间上分开，再次经过另一会聚透镜134后在相机135上进行光电转换，相机135上的信号经过处理后，实现待测样品A10的结构成像和振动测量。
对于声辐射力激发单元200，参考图9，图9示出了一种可行的声辐射力激发单元200的结构，所述声辐射力激发单元200包括：波形发生器210、放大器220和超声换能单元；
所述超声换能单元为超声换能器230或超声换能器230阵列。
波形发生器210根据上位机的控制信息产生高频正弦波、方波或三角波，高频正弦波、方波或三角波经过放大器220放大后，驱动超声换能器230工作，实现待测样品A10的远程力学激励。超声换能器230输出的超声声束经过超声耦合材料(水或超声胶)进入待测样品A10，在待测样品A10上形成声辐射力场，诱导组织的微小振动。声辐射力具有无创、非接触和远程聚焦等优点。
仍然参考图5，图5中的坐标系是以所述成像单元100出射的探测光束的传播方向为Z轴，以垂直于Z轴且平行于纸面的方向为X轴建立的XZ坐标系。在图5所示的结构中，所述成像单元100出射的探测光束的传播方向平行于Z轴，所述声辐射力激发单元200形成的超声声束的传播方向平行于X轴，所述光入射面可选与Z轴垂直，以使所述探测光束可以以垂直的方式进入所述光入射面，不改变光束传播方向，所述声反射面法向可选与XZ平面平行且与所述超声声束成一定夹角设置，该夹角可选为45°等角度，以使所述超声声束经过所述声反射面的反射后，可与所述探测光束以平行的方式进入所述待测样品A10。
超声声束与探测光束平行入射的方式可以直接诱发平行于探测光束方向的弹性振动，相较于超声声束斜入射激发的方式，提高了系统对于振动检测的灵敏度。且相较于背向入射或正交入射的方式，超声声束与探测光束平行入射的方式可以十分方便地应用于临床检测(例如眼底组织弹性成像等)。
下面对本申请实施例提供的光学相干弹性成像装置中的耦合单元300的可行结构进行具体说明。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述耦合单元300包括：第一介质结构310、中间介质结构330和第二介质结构320；其中，
所述中间介质结构330设置于所述第一介质结构310和所述第二介质结构320之间，所述第一介质结构310包括所述光入射面；
所述第二介质结构320包括声入射面，所述中间介质结构330与所述第二介质结构320的接触面为所述声反射面。
所述第一介质结构310的光学折射率、第二介质结构320的光学折射率以及所述中间介质结构330的光学折射率的差值小于第一预设差值；
所述第二介质结构320的声阻抗与所述中间介质结构330的声阻抗的差值大于第二预设差值。
在本实施例中，所述耦合单元300为第一介质结构310和第二介质结构320中间夹着中间介质结构330的“三明治结构”，其中第一介质结构310、第二介质结构320和中间介质结构330的光学折射率差值小于第一预设差值，即所述第一介质结构310、第二介质结构320和中间介质结构330的光学折射率匹配，以使整个所述耦合单元300对于探测光束光学透明，不会过多地反射所述探测光束，减少探测光束通过耦合单元300的损耗；
但所述中间介质结构330和第二介质结构320之间存在较大的声阻抗错配，以使所述中间介质结构330能够配合第二介质结构320形成所述声反射面，实现对探测光束透明的同时，实现对超声声束的反射。
可选的，参考图10，所述第一介质结构310和第二介质结构320均为棱镜；
所述中间介质结构330为硅油层或水层。
具体地，在本申请的一个实施例中，所述第一介质结构310和第二介质结构320均为棱镜，所述中间介质结构330为硅油层，此时所述耦合单元300为棱镜-硅油-棱镜的结构。两个棱镜之间的间隙大约为0.1-1mm，间隙中使用光学折射率匹配、较低声阻抗、且非挥发性的硅油填充，以形成所述硅油层。硅油和玻璃具有良好的光学折射率匹配(硅油的光学折射率为1.4，玻璃的光学折射率大约为1.5)，但具有大的声阻抗错配(硅油的声阻抗为0.74×105g/(cm2·s)，玻璃的声阻抗为12.1×105g/(cm2·s))，因此，硅油层是光学透明的，但可以充当超声反射器。
在图10中，由于超声声束的频率通常在1MHz以上，不能在空气中传播，因此为了使得超声声束能够进入所述耦合单元300中，耦合单元300与声辐射力激发单元200之间还填充了透明的超声耦合剂240，且耦合单元300与待测样品A10之间也填充了超声耦合剂240(水或超声胶)，在这些间隙中填充超声耦合剂240的目的是提供超声声束的传播介质。
参考图11，可选的，所述第一介质结构310和第二介质结构320均为硅油层或水层或磷酸缓冲盐溶液层或生理盐水层；
所述中间介质结构330为玻璃层。
在图11所示的结构中，所述中间介质结构330为玻璃层，第一介质结构310和第二结构均为与玻璃层光学折射率匹配、且具有较低声阻抗的材料层。具体地，在本申请的一个实施例中，所述第一介质结构310和第二介质结构320均为放置于水槽中的水，所述中间介质结构330为插入水槽中的玻璃层，此时所述耦合单元300的结构为水-玻璃-水，该玻璃层与水的接触面作为所述声反射面。
在上述实施例的基础上，本申请的另一个实施例提供了另一种可行的耦合单元300的结构。
参考图12，所述耦合单元300包括：第三介质结构340和阻抗错配膜350；
所述第三介质结构340包括声入射面和与所述超声声束的传输方向成预设角度的贴附面；
所述阻抗错配膜350贴附于所述贴附面上，所述阻抗错配膜350与所述第三介质结构340的接触面为所述声反射面。
其中，所述第三介质结构340的光学折射率与所述阻抗错配膜350的光学折射率的差值小于第一预设差值；
所述第三介质结构340的声阻抗与所述阻抗错配膜350的声阻抗的差值大于第二预设差值。
即所述第三介质结构340和所述阻抗错配膜350的光学折射率匹配，但声阻抗错配，以使所述阻抗错配膜350能够与所述第三介质结构340形成的耦合单元300具有光学透明的特性，且使所述阻抗错配膜350与所述第三介质结构340形成能够反射超声声束的声反射面。
在本实施例中，当所述探测光束从所述阻抗匹配膜350的上侧，且超声声束从所述第三介质结构340的左侧入射，所述阻抗错配膜350与所述第三介质结构340的接触面为所述声反射面。
如前文所述，所述预设角度是指能够将所述超声声束反射后与探测光束平行或近似平行的角度，例如在当所述探测光束平行于Z轴，且所述超声声束平行于X轴时，所述预设角度可以大约为45°。
在利用所述光学相干弹性成像装置进行待测样品的组织弹性测量时，首先使用光学相干层析成像单元测量待测样品受到声辐射力激发后产生的振动。基于多普勒原理，待测样品中散射颗粒沿振动方向的运动速度V由下式描述：
Figure BDA0002471084210000121
其中n表示待测样品的组织折射率，λ表示真空中光的中心波长，θ表示多普勒角，定义为探测光束与待测样品振动方向之间的角度，V×cos(θ)是沿着探测光束传播方向的振动速度分量，
Figure BDA0002471084210000125
表示时间间隔ΔT内根据参考光束和被待测样品反射的探测光束的干涉信号形成的复数信号的相位的改变。
相位变化
Figure BDA0002471084210000126
可以利用以下等式计算：
Figure BDA0002471084210000122
其中Im()和Re()分别表示复数信号的虚部和实部，F*表示F的共轭。
从上述公式可以看到，对于相同的振动速度V，当弹性振动方向与光学相干层析成像单元(OCT)出射的探测光束方向平行时，即θ等于0时，
Figure BDA0002471084210000123
最大。
Figure BDA0002471084210000124
越大，越容易被准确测量。因此，弹性振动方向与探测光束方向平行时，最小的振动能够被OCT系统检测，从而OCT弹性振动检测的灵敏度最高。因此，声辐射力方向与探测光束方向平行的结构，可以直接诱发平行于探测光束方向的弹性振动，相比于超声斜入射激发方式，提高了系统对振动检测的灵敏度。
OCT测量到振动后，可以采用了3种方法评估组织的弹性属性，包括振动幅度的比较，共振频率的测量和弹性波速的计算。当相同的压力施加到不同的组织时，可以直接比较振动幅度，定性评估弹性属性，较软的组织将呈现较大的振动幅度。共振频率与杨氏模量的平方根具有线性关系，通过测量组织的共振频率，并对照标定的曲线，可以计算组织的杨氏模量。还可以测量弹性波传播速度，基于弹性波的波速和弹性模量之间的量化关系，计算弹性模量。
(1)振动幅度的比较
通过相位分辨多普勒OCT方法检测振动幅度时，施加的声辐射力通常平行于或倾斜于探测光束。杨氏模量F作为生物医学应用中弹性性质表征的重要参数，是应力σ与应变ε的比值，可以描述为：
Figure BDA0002471084210000131
其中F是施加的力，S是施加力的面积，Δz是沿力作用方向的组织厚度变化，z0是沿力作用方向的组织原始厚度。当外作用力在一定范围内均匀时，组织上单位面积所受到的力F/S大致相同。由于外力引起小的物体位移，使得应变足够小(Δz/z0小于0.1％)，可以认为振动时，z0保持不变，因而，可以用Δz近似评估相对杨氏模量。
为了计算Δz，OCT方法可以测量时间间隔ΔT内的振动速度V(t)，如下所示：
Figure BDA0002471084210000132
然后，从时间t1到t2平行于探测光束方向的振动幅度Δz可以通过以下等式确定：
Figure BDA0002471084210000133
通过振动幅度Δz，可以评估相对杨氏模量的差异，Δz越大，杨氏模量越小。
(2)共振频率检测
当忽略粘度并且变形相对较小(Δz/z0小于0.1％)时，作为弹性材料的软组织可以通过弹性弹簧建模。施加的力F与Δz×k成比例，其中Δz是从原始位置的位移，k是弹性常数。杨氏模量E也可以通过以下式来描述：
Figure BDA0002471084210000134
其中，f为组织的共振频率，M为组织的质量，z0是沿力作用方向的组织原始厚度，S是施加力的面积。因此，样品的共振频率f与杨氏模量E的平方根成线性关系，并可用于量化杨氏模量。
为了测量样品的共振频率，可以调制外力作用的频率，测量不同外力频率时，组织的振幅。组织最大振幅对应的外力频率即为组织的共振频率，也就是组织的特征频率。
(3)弹性波速度计算
当外作用力在一个位置激发样品时，可以产生弹性波，从激励位置传播到样品内部或表面附近。使用OCT对弹性波的传播进行成像，并测量波速，可以计算组织的弹性属性。在厚样品内部传播的弹性波称为体波，包括压缩波和剪切波。以大约一个波长的深度靠近表面行进的弹性波是表面瑞利波。
剪切波最常用于弹性测量。剪切波是横波，其传播方向垂直于所施加力的方向(即振动方向)。在外作用力激发之后，剪切波存在于样品内部。剪切模量通过使用以下方法来计算：
Figure BDA0002471084210000141
其中ρ是样品的密度，Vs是剪切波的波速。基于剪切模量μ和杨氏模量E之间的关系，即E＝2μ(1+v)，均匀各向同性样品的杨氏模量可以通过下式确定：
Figure BDA0002471084210000143
其中v是样本的泊松比。对于生物组织，泊松比约为0.5，因为它们在小应变下可被视为不可压缩材料，杨氏模量E等于
Figure BDA0002471084210000144
压缩波是在可压缩介质中沿力方向(即振动方向)传播的纵波。均匀各向同性样品中压缩波的速度Vc与体积模量K，剪切模量μ和样品密度ρ有关，可通过以下公式确定：
Figure BDA0002471084210000142
由于压缩波的高速传播和当前OCT系统的相对低的采样速率，压缩波的速度难以被OCT系统测量。
表面瑞利波在样品表面附近传播。瑞利波可以在大约一个波长的深度检测到。当外作用力激发位置靠近样品表面时，检测到的沿样品表面传播的弹性波应被视为瑞利波。对于均匀的各向同性样品，杨氏模量E可以基于瑞利波速度VR计算，公式如下：
Figure BDA0002471084210000151
其中v是泊松比，ρ是样本的密度。
综上所述，本申请实施例提供了一种光学相干弹性成像装置，所述光学相干弹性成像装置利用超声声束在样品中诱发振动，使用成像装置检测样品中的振动，通过耦合单元实现探测光束和超声声束的耦合，具体地，所述耦合单元包括声反射面和光入射面，所述声反射面具有光学透明特性和声反射特性，使得从所述光入射面入射的探测光束可以透过所述光入射面和所述声反射面向待测样品传输，而从声反射面一侧入射的超声声束则被所述声反射面反射后，与所述探测光束沿同一方向向所述待测样品传输，实现超声声束和探测光束的同侧入射，而同侧入射的超声声束和探测光束可以直接在待测样品中诱发平行于探测光束方向的弹性振动，有利于提高对于振动检测的灵敏度。
并且，所述光学相干弹性成像装置通过光学透明的耦合单元实现超声声束和探测光束的耦合，无需通过制备环形超声换能器的方式实现超声声束和探测光束的同侧入射，不会对探测光束或超声声束的传播范围造成限制，避免由于声场强度或光场强度较弱而对检测灵敏度造成的不良影响。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种光学相干弹性成像装置，其特征在于，包括：成像单元、声辐射力激发单元和耦合单元；其中，
所述成像单元，用于检测样品中的振动；
所述声辐射力激发单元，用于形成超声声束，诱导样品产生振动；
所述耦合单元包括声反射面和光入射面，所述声反射面具有光学透明特性和声反射特性；
所述探测光束通过所述光入射面入射，并透过所述声反射面向待测样品传输，经样品的反射和散射后，光束透过所述声反射面，返回成像光路；所述超声声束被所述声反射面反射后，与所述探测光束沿同一方向或相近方向向所述待测样品传输。
2.根据权利要求1所述的光学相干弹性成像装置，其特征在于，所述耦合单元包括：第一介质结构、中间介质结构和第二介质结构；其中，
所述中间介质结构设置于所述第一介质结构和所述第二介质结构之间，所述第一介质结构包括光入射面；
所述第二介质结构包括声入射面，所述中间介质结构与所述第二介质结构的接触面为所述声反射面。
3.根据权利要求2所述的光学相干弹性成像装置，其特征在于，所述第一介质结构的光学折射率、第二介质结构的光学折射率以及所述中间介质结构的光学折射率的差值小于第一预设差值；
所述第二介质结构的声阻抗与所述中间介质结构的声阻抗的差值大于第二预设差值。
4.根据权利要求3所述的光学相干弹性成像装置，其特征在于，所述第一介质结构和第二介质结构均为棱镜；
所述中间介质结构为硅油层或水层。
5.根据权利要求3所述的光学相干弹性成像装置，其特征在于，所述第一介质结构和第二介质结构均为硅油层或水层或磷酸缓冲盐溶液层或生理盐水层；
所述中间介质结构为玻璃层。
6.根据权利要求1所述的光学相干弹性成像装置，其特征在于，所述耦合单元包括：第三介质结构和阻抗错配膜；
所述第三介质结构包括声入射面和与所述超声声束的传输方向成预设角度的贴附面；
所述阻抗错配膜贴附于所述贴附面上，所述阻抗错配膜与所述第三介质结构的接触面为所述声反射面。
7.根据权利要求6所述的光学相干弹性成像装置，其特征在于，所述第三介质结构的光学折射率与所述阻抗错配膜的光学折射率的差值小于第一预设差值；
所述第三介质结构的声阻抗与所述阻抗错配膜的声阻抗的差值大于第二预设差值。
8.根据权利要求1所述的光学相干弹性成像装置，其特征在于，所述成像单元包括：光源、光学耦合器、参考臂、样品臂和成像设备；其中，
所述光源用于提供待处理光线；
所述光学耦合器用于将所述待处理光线分为参考光束和所述探测光束，和用于接收被所述参考臂反射的所述参考光束和被所述待测样品反射和散射的探测光束；被所述参考臂反射的所述参考光束和被所述待测样品反射的探测光束在所述光学耦合器中发生干涉；
所述成像设备，用于根据干涉信号对所述待测样品进行结构成像和振动测量。
9.根据权利要求8所述的光学相干弹性成像装置，其特征在于，所述光源为扫频光源单元或连续光谱光源单元。
10.根据权利要求1所述的光学相干弹性成像装置，其特征在于，所述声辐射力激发单元包括：波形发生器、放大器和超声换能单元；
所述超声换能单元为超声换能器。
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