CN111610148A - 基于液态声光透镜的红外多模态显微装置及其显微方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于液态声光透镜的红外多模态显微装置及其显微方法，该装置包括近红外反射型共聚焦显微单元、近红外反射型光声显微单元、中红外透射型光声显微单元、控制单元(22)以及显示单元(23)；采用新型液态声光透镜的方法，光波和声波能够通过具有相同折射率的两种不同液体的界面，拥有相同的相对声学和光学折射率，实现光学照明与声学探测的同轴共焦配置。与现有技术相比，本发明提高了成像灵敏度探测，进而实现近红外反射型共聚焦显微、近红外反射型光声显微、中红外透射型光声显微的多光谱成像，进而预测分子的靶向性，增加信噪比以及较深穿透深度，在生物样品组织、细胞学研究领域提供全面和互补的结构和功能信息。
Description
技术领域
本发明涉及生物组织及细胞显微成像研究领域，特别是涉及红外多模态显微装置及其显微方法。
背景技术
为了实现光路照明和声波探测的同轴共焦配置，光学分辨的光声系统通常使用一个由分离的声波透镜和物镜所构成的特殊组合、利用其反射/透射声波和透射/反射光束去实现声波和光波的聚焦，因此使得系统变得笨重和复杂。
近年来，激光共聚焦扫描成像和激光光声显微成像得到快速发展，但还是受限于可见光波段(400nm-780nm)，受到生物样品组织自发荧光的影响而导致对比度降低；同时，生物样品组织主要受成像深度的限制，在可见光窗口光吸收中起着更大的作用；因此，有机化合物最好使用近红外光谱探测(780nm到2500nm)，近红外吸收带产生于C-O、O-H以及C-H组合，因而近红外是更适合于测量物体的内部信息，可以减少不必要的自荧光，也允许在组织内更深的深度成像。随着激发波长的增加，血红蛋白以外的组织成分如水、脂质的吸收占主导地位，当波长达到中红外(3000-5000nm)时，水和脂质的强烈吸收使生物组织内的多种化学和结构信息具有高分辨率、高对比度的光声显微成像；
基于光学散射对比度原理的激光扫描共聚焦显微技术利用空间滤波器(探测端小孔)来消除离焦的杂散光，利用光电倍增管收集感兴趣的衍射限制点，进而提供光学切片能力，能够识别生物组织与细胞变化所必须的空间分辨率；但激光共聚焦显微技术很难看到活体组织中的深层结构，因为光在生物组织中高度分散和吸收，而这些组织通常位于表面之下超过1mm，观察较深组织不充分。
激光扫描光声成像技术基于光声效应将激光束紧密聚焦在生物组织中，生物组织中光吸收通过热弹性膨胀转化为声波，PVDF超声换能器采集声信号形成一维深度信息，再利用平台扫描成像三维信息，光声成像只对光吸收敏感，丰富光学对比度优势、较深的穿透深度以及高空间分辨率，常见生物的内源性组织吸收是血红蛋白、肌红蛋白、黑色素、脂质和水；但其对所获得的图像不能提供结构的背景信息。
发明内容
结合现有技术的各项优点和缺点和针对生物组织和细胞研究，本发明提出一种基于液态声光透镜的红外多模态显微装置及其显微方法，通过近红外(780nm～2500nm)反射型共聚焦显微子系统、近红外(780nm～2500nm)反射型光声显微子系统、中红外(3000nm～5000nm)透射型光声显微单元以及控制显示单元，实现了红外多模态显微成像，以及结合多光谱成像算法，提供全面和互补的结构和功能信息。
本发明的一种基于液态声光透镜的红外多模态显微装置由以下技术方案实现：
一种基于液态声光透镜的红外多模态显微装置，该装置包括近红外反射型共聚焦显微单元、近红外反射型光声显微单元、中红外透射型光声显微单元、控制单元22以及显示单元23：所述近红外反射型共聚焦显微单元由依序连接的宽带近红外激光器1、可调谐滤波器2、第一透镜3、半反半透镜5、PMT7、光束整形器8和液态声光透镜10构成，所述第一透镜3和所述半反半透镜5之间设置有照明小孔4，所述半反半透镜5和所述PMT7之间设置有探测端小孔6，所述液态声光透镜10具体包括导电内液介质11和非导电的外液介质12，通过给介电电泳驱动装置13供电，使其液-液界面曲率发生变化；
所述近红外反射型光声显微单元由依序连接的宽带近红外激光器1、可调谐滤波器2、第一透镜3、半反半透镜5、光束整形器8、PVDF环形换能器9和液态声光透镜10构成；
所述中红外透射型光声显微单元由依序连接的激光器21、光隔离器20、由滤光片19、光学晶体18以及中红外滤光片17组成的OPO腔、镀金反射镜16、第二透镜15、液态声光透镜10和PVDF环形换能器9构成；
在所述近红外反射型共聚焦显微单元中：波长范围为780nm～2500nm的宽带近红外激光器1发出宽带激光，经可调谐滤波器2出射对生物组织感兴趣的激光波长，由第一透镜3聚焦，经过照明小孔4滤波提高光束质量，扩散到半反半透镜5然后反射到光束整形器8中，整形后的光束经过液态声光透镜10中的外液介质12与内液介质11，再经过介电电泳驱动装置13聚焦到二维移动平台上的生物组织或细胞中，将具有结构成像的反射光依次通过介电电泳驱动装置13、内液介质11、外液介质12、经光束整形器8并透过半反半透镜5、聚焦到探测端小孔6、通过过滤离焦杂散光进入PMT7中，配合控制单元22驱动的二维移动平台14水平扫描，将所获得数据重组成近红外反射型激光共聚焦显微图像，由显示单元23输出近红外反射型激光共聚焦显微图像；
所述近红外反射型光声显微单元中：波长范围为780nm～2500nm的宽带近红外激光器1发出宽带激光，经可调谐滤波器2出射对生物组织感兴趣的激光波长，由第一透镜3聚焦，经过照明小孔4滤波提高光束质量，扩散到半反半透镜5然后反射到光束整形器8中，整形后的光束经过液态声光透镜10中的外液介质12与内液介质11，再经过介电电泳驱动装置13聚焦到二维移动平台上的生物组织或细胞中，由于吸收进而产生声波，将具有功能成像的反射声波依次通过介电电泳驱动装置13、内液介质11、外液介质12平行进入PVDF环形换能器9中，配合控制单元22驱动的二维平台水平扫描，将所获得数据重组成近红外反射型激光光声显微图像，显示单元23输出近红外反射型激光光声显微图像；
所述中红外透射型光声显微单元中，1064nm激光器21发射出准直光经过光隔离器20，依次入射到由1064nm滤光片19、光学晶体18、中红外滤光片17组成的OPO腔，调谐出射的波长范围为3000nm～5000nm中红外光束经过镀金反射镜16，通过第二第二透镜15聚焦到二维移动平台14上的生物组织或细胞中，由于吸收进而产生声波，具有功能成像的透射声波依次通过液态声光透镜10中的介电电泳驱动装置13、内液介质11、外液介质12进入PVDF环形换能器9中，配合控制单元22驱动二维平台水平扫描，将所获得数据重组成中红外透射型激光光声显微图像，由显示单元23输出中红外透射型激光光声显微图像。
利用一种基于液态声光透镜的红外多模态显微装置实现的显微方法，该方法包括以下步骤：
所利用的基于液态声光透镜的红外多模态显微装置包括近红外反射型共聚焦显微单元、近红外反射型光声显微单元、中红外透射型光声显微单元、控制单元22以及显示单元23，其中：
所述近红外反射型共聚焦显微单元由依序连接的宽带近红外激光器1、可调谐滤波器2、第一透镜3、半反半透镜5、PMT7、光束整形器8和液态声光透镜10构成，所述第一透镜3和所述半反半透镜5之间设置有照明小孔4，所述半反半透镜5和所述PMT7之间设置有探测端小孔6，所述液态声光透镜10具体包括导电内液介质11和非导电的外液介质12，通过给介电电泳驱动装置13供电，使液-液界面曲率发生变化；
所述近红外反射型光声显微单元由依序连接的宽带近红外激光器1、可调谐滤波器2、第一透镜3、半反半透镜5、光束整形器8、PVDF环形换能器9和液态声光透镜10构成；
所述中红外透射型光声显微单元由依序连接的激光器21、光隔离器20、由滤光片19、光学晶体18以及中红外滤光片17组成的OPO腔、镀金反射镜16、第二透镜15、液态声光透镜10和PVDF环形换能器9构成；
通过给液态声光透镜10中的介电电泳驱动装置13供电，实现光波和声波通过具有相同声学和光学折射率的两种不同液体包括导电内液介质11和非导电的外液介质12的界面，使液-液界面曲率发生变化，实现光学聚焦与声波聚焦的同轴共焦配置，提高光声成像灵敏度探测；
PVDF超声换能器9捕获的声信号包含有一维深度信息，再配合二维移动平台14移动，控制单元22通过采集声信号的一维深度信息与二维移动平台的位置信息，在显示单元23利用数据处理软件即可重组成三维的激光光声显微图像；PMT7捕获反射光的光强信号，配合二维移动平台14移动，控制单元22通过采集光强信号与二维移动平台的位置信息，在显示单元23利用数据处理软件即可重组成光学切片的二维激光共聚焦显微图像；通过选取对生物组织和细胞成像感兴趣的红外多个波长，即利用傅里叶红外光谱仪测其反射率和吸收率进行多个波长的确定，分别进行多波长的近红外反射型共聚焦显微成像、近红外反射型光声显微成像、中红外透射型光声显微成像，进而分类形成二维信息的共聚焦显微成像与三维信息的光声显微成像，对每类成像的多波长的图像进行引导滤波形成每个图像的基础层和细节层，然后对其采用卷积神经网络和离散余弦波的图像融合算法，重建每类的融合图像，最后对具有多光谱信息的二维信息共聚焦显微成像与三维信息的光声显微成像进行配准融合，形成具有一张多模态信息的多光谱图像。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果如下：
本发明明显提高了成像灵敏度探测，进而实现近红外反射型共聚焦显微、近红外反射型光声显微、中红外透射型光声显微的多光谱成像，进而预测分子的靶向性，增加信噪比以及较深穿透深度，在生物样品组织、细胞学研究领域提供全面和互补的结构和功能信息。
附图说明
图1是本发明中一种基于液态声光透镜的红外多模态显微装置及其显微方法示意图。
其中：1、宽带近红外激光器，2、可调谐滤波器，3、第一透镜、4、照明小孔，5、半反半透镜，6、探测小孔，7、PMT(光电倍增管)，8、光束整形器，9、PVDF环形换能器，10、液态声光透镜，11、内液介质，12、外液介质，13、介电电泳驱动装置，14、二维移动平台，15、第二透镜，16、镀金反射镜，17、中红外滤光片，18、光学晶体，19、1064nm滤光片，20、光隔离器，21、1064nm激光器，22、控制单元、23、显示单元。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细的描述；
如图1所示，本发明的一种基于液态声光透镜的红外多模态显微装置及其显微方法示意图。在该装置包括近红外反射型共聚焦显微单元和近红外反射型光声显微单元、中红外透射型光声显微单元以及控制/显示单元。
在所述近红外反射型共聚焦显微单元的具体实施方式：波长范围为780nm～2500nm(YSL公司)的宽带近红外激光器1发出宽带激光，经可调谐滤波器2(电光调制器)出射对生物组织感兴趣的激光波长，由第一透镜3聚焦，经过照明小孔4滤波提高光束质量，扩散到半反半透镜5然后反射到光束整形器8中，整形后的光束经过液态声光透镜10中的外液介质12与内液介质11，再经过介电电泳驱动装置13聚焦到二维移动平台上的生物组织或细胞中，将具有结构成像的反射光依次通过介电电泳驱动装置13、内液介质11、外液介质12、经光束整形器8并透过半反半透镜5、聚焦到探测端小孔6、通过过滤离焦杂散光进入PMT7中，配合控制单元22驱动的二维移动平台14水平扫描，将所获得数据重组成激光共聚焦显微图像，并到显示单元23输出图像；
所述近红外反射型光声显微单元的具体实施方式：波长范围为780nm～2500nm的宽带近红外激光器1发出宽带激光，经可调谐滤波器2出射对生物组织感兴趣的激光波长，由第一透镜3聚焦，经过照明小孔4滤波提高光束质量，扩散到半反半透镜5然后反射到光束整形器8中，整形后的光束经过液态声光透镜10中的外液介质12与内液介质11，再经过介电电泳驱动装置13聚焦到二维移动平台上的生物组织或细胞中，由于吸收进而产生声波，将具有功能成像的反射声波依次通过介电电泳驱动装置13、内液介质11、外液介质12平行进入PVDF环形换能器9中，配合控制单元22驱动的二维平台水平扫描，将所获得数据重组成激光光声显微图像，并到显示单元23输出图像；
在所述中红外(3000nm～5000nm)透射型光声显微单元中，1064nm激光器21(Q-smart850，法国Quantel公司)发射出准直光经过光隔离器20(IPOptica公司)，依次入射到由1064nm滤光片19、光学晶体18(BaGa4Se7)、中红外滤光片17组成的OPO腔，调谐出射的波长范围为3000nm～5000nm中红外光束经过镀金反射镜16(镀金反射镜可移动，目的是OPO调谐出来的激光与近红外激光束不能同时进行光声显微成像)，通过第二透镜15聚焦到二维移动平台14上的生物组织或细胞中，由于吸收进而产生声波，具有功能成像的透射声波依次通过介电电泳驱动装置13、内液介质11、外液介质12进入PVDF环形换能器9中，配合控制单元22驱动二维平台水平扫描，将所获得数据重组成透射型激光光声显微图像，并到显示单元23输出图像；
其中：
所述液态声光透镜10包括导电内液介质11和非导电的外液介质12，通过给介电电泳驱动装置13供电，使液-液界面曲率发生变化，经相对光学折射率与相对声学折射率相等，实现对光波和声波的聚焦，即实现光波和声波的同轴共焦配置，进而提高探测灵敏度。
所述宽带近红外激光器波长为780nm～2500nm，通过可调谐滤波器选出感兴趣的波长，
所述中红外OPO可调谐波长为3000nm～5000nm，通过旋转光学晶体的角度即可调谐出特定的波长；
通过二维移动平台对生物组织以及细胞进行水平扫描，重组成共聚焦显微与声光成像显微图像，利用图像融合算法，形成多模态的多光谱图像；
PVDF环形换能器材质为聚偏氟乙烯，具有固有的低声阻抗，与体内组织很好的匹配，具有灵敏度高、带宽宽的优点；
相对光波折射率表达式如下：
其中，ninternal表示内部液体的光波折射率；nexternal表示外部液体的光波折射率；
相对声波折射率表达式如下：
其中：Vinternal表示内部液体的声学速度；Vexternal表示外部液体的声学速度；
该种液态透镜拥有固有的低声阻抗，能有效减少声信号的损耗，同时也可基于介电泳效应进行变焦，即能控制表面张力，表面张力又可以转化为透镜的曲率半径，具有可调谐的焦距，确保光和声聚焦的轴向调整，不需要机械的轴向移动；
多光谱图像包括：通过算法将一系列的在不同的感兴趣的多波长的共聚焦和声光成像进行融合成一张多光谱图像，可以增加信噪比(SNR)以及较深的穿透深度，可以预测分子的靶向性，这对于结构和功能成像非常有用，可为不同生物组织和细胞学研究选择最佳波长；
综上所述，本发明的一种基于液态声光透镜的红外多模态显微装置及其方法，通过使用液态声光透镜，即使用两种不同类型的液体，具有相同的相对声和光学折射率，以实现光学照明和声学检测的同轴共焦配置，探测灵敏度会有明显提高；近红外(780nm～2500nm)激光共聚焦显微，消除了紫外光电离和可见光自发荧光的影响，免于生物组织的强烈的光吸收，提供更深层次的共聚焦成像，可以呈现亚细胞结构的形态学成像，所获得的图像能提供结构的背景信息；近红外(780nm～2500nm)光声显微对光吸收敏感，内源性吸收主要来源是血红蛋白，可以提供红细胞中血红蛋白的分布，可以定量总血红蛋白、血红蛋白的氧饱和度、黑色素的浓度，而由于血红蛋白近红外波长范围内的光吸收，光声成像可以提供血液的高对比度成像；中红外(3000nm～5000nm)透射光声显微，水和脂质的强烈吸收使生物组织内的多种化学和结构信息具有高分辨率、高对比度的成像；通过算法将一系列的在不同的感兴趣的多波长的共聚焦和声光成像进行融合成一张多光谱图像，在生物样品组织、细胞学研究领域提供全面和互补的结构和功能信息。
尽管以上对本发明进行了描述，并不局限于具体实施方式，对于本领域的技术人员应该理解，本发明的实现方式不受具体实施例的限制，任何对本发明技术方案的变形以及替换，均属于本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于液态声光透镜的红外多模态显微装置，其特征在于，该装置包括近红外反射型共聚焦显微单元、近红外反射型光声显微单元、中红外透射型光声显微单元、控制单元(22)以及显示单元(23)：所述近红外反射型共聚焦显微单元由依序连接的宽带近红外激光器(1)、可调谐滤波器(2)、第一透镜(3)、半反半透镜(5)、PMT(7)、光束整形器(8)和液态声光透镜(10)构成，所述第一透镜(3)和所述半反半透镜(5)之间设置有照明小孔(4)，所述半反半透镜(5)和所述PMT(7)之间设置有探测端小孔(6)，所述液态声光透镜(10)具体包括导电内液介质(11)和非导电的外液介质(12)，通过给介电电泳驱动装置(13)供电，使液-液界面曲率发生变化；
所述近红外反射型光声显微单元由依序连接的宽带近红外激光器(1)、可调谐滤波器(2)、第一透镜(3)、半反半透镜(5)、光束整形器(8)、PVDF环形换能器(9)和液态声光透镜(10)构成；
所述中红外透射型光声显微单元由依序连接的激光器(21)、光隔离器(20)、由滤光片(19)、光学晶体(18)以及中红外滤光片(17)组成的OPO腔、镀金反射镜(16)、第二透镜(15)、液态声光透镜(10)和PVDF环形换能器(9)构成；
在所述近红外反射型共聚焦显微单元中：波长范围为780nm～2500nm的宽带近红外激光器(1)发出宽带激光，经可调谐滤波器(2)出射对生物组织感兴趣的激光波长，由第一透镜(3)聚焦，经过照明小孔(4)滤波提高光束质量，扩散到半反半透镜(5)然后反射到光束整形器(8)中，整形后的光束经过液态声光透镜(10)中的外液介质(12)与内液介质(11)，再经过介电电泳驱动装置(13)聚焦到二维移动平台上的生物组织或细胞中，将具有结构成像的反射光依次通过介电电泳驱动装置(13)、内液介质(11)、外液介质(12)、经光束整形器(8)并透过半反半透镜(5)、聚焦到探测端小孔(6)、通过过滤离焦杂散光进入PMT(7)中，配合控制单元(22)驱动的二维移动平台(14)水平扫描，将所获得数据重组成近红外反射型激光共聚焦显微图像，由显示单元(23)输出近红外反射型激光共聚焦显微图像；
所述近红外反射型光声显微单元中：波长范围为780nm～2500nm的宽带近红外激光器(1)发出宽带激光，经可调谐滤波器(2)出射对生物组织感兴趣的激光波长，由第一透镜(3)聚焦，经过照明小孔(4)滤波提高光束质量，扩散到半反半透镜(5)然后反射到光束整形器(8)中，整形后的光束经过液态声光透镜(10)中的外液介质(12)与内液介质(11)，再经过介电电泳驱动装置(13)聚焦到二维移动平台上的生物组织或细胞中，由于吸收进而产生声波，将具有功能成像的反射声波依次通过介电电泳驱动装置(13)、内液介质(11)、外液介质(12)平行进入PVDF环形换能器(9)中，配合控制单元(22)驱动的二维平台水平扫描，将所获得数据重组成近红外反射型激光光声显微图像，显示单元(23)输出近红外反射型激光光声显微图像；
所述中红外透射型光声显微单元中，1064nm激光器(21)发射出准直光经过光隔离器(20)，依次入射到由1064nm滤光片(19)、光学晶体(18)、中红外滤光片(17)组成的OPO腔，调谐出射的波长范围为3000nm～5000nm中红外光束经过镀金反射镜(16)，通过第二透镜(15)聚焦到二维移动平台(14)上的生物组织或细胞中，由于吸收进而产生声波，具有功能成像的透射声波依次通过液态声光透镜(10)中的介电电泳驱动装置(13)、内液介质(11)、外液介质(12)进入PVDF环形换能器(9)中，配合控制单元(22)驱动二维平台水平扫描，将所获得数据重组成中红外透射型激光光声显微图像，由显示单元(23)输出中红外透射型激光光声显微图像。
2.利用如权利要求1所述的一种基于液态声光透镜的红外多模态显微装置实现的显微方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
所利用的基于液态声光透镜的红外多模态显微装置包括近红外反射型共聚焦显微单元、近红外反射型光声显微单元、中红外透射型光声显微单元、控制单元(22)以及显示单元(23)，其中：
所述近红外反射型共聚焦显微单元由依序连接的宽带近红外激光器(1)、可调谐滤波器(2)、第一透镜(3)、半反半透镜(5)、PMT(7)、光束整形器(8)和液态声光透镜(10)构成，所述第一透镜(3)和所述半反半透镜(5)之间设置有照明小孔(4)，所述半反半透镜(5)和所述PMT(7)之间设置有探测端小孔(6)，所述液态声光透镜(10)具体包括导电内液介质(11)和非导电的外液介质(12)，通过给介电电泳驱动装置(13)供电，使液-液界面曲率发生变化
所述近红外反射型光声显微单元由依序连接的宽带近红外激光器(1)、可调谐滤波器(2)、第一透镜(3)、半反半透镜(5)、光束整形器(8)、PVDF环形换能器(9)和液态声光透镜(10)构成；
所述中红外透射型光声显微单元由依序连接的激光器(21)、光隔离器(20)、由滤光片(19)、光学晶体(18)以及中红外滤光片(17)组成的OPO腔、镀金反射镜(16)、第二透镜(15)、液态声光透镜(10)和PVDF环形换能器(9)构成；
通过给液态声光透镜(10)中的介电电泳驱动装置(13)供电，实现光波和声波通过具有相同声学和光学折射率的两种不同液体包括导电内液介质(11)和非导电的外液介质(12)的界面，使液-液界面曲率发生变化，实现光学聚焦与声波聚焦的同轴共焦配置，提高光声成像灵敏度探测；
PVDF超声换能器(9)捕获的声信号包含有一维深度信息，再配合二维移动平台(14)移动，控制单元(22)通过采集声信号的一维深度信息与二维移动平台的位置信息，在显示单元(23)利用数据处理软件重组成三维的激光光声显微图像；PMT(7)捕获反射光的光强信号，配合二维移动平台(14)移动，控制单元(22)通过采集光强信号与二维移动平台的位置信息，在显示单元(23)利用数据处理软件即可重组成光学切片的二维激光共聚焦显微图像；通过选取对生物组织和细胞成像感兴趣的红外多个波长，即利用傅里叶红外光谱仪测其反射率和吸收率进行多个波长的确定，分别进行多波长的近红外反射型共聚焦显微成像、近红外反射型光声显微成像、中红外透射型光声显微成像，进而分类形成二维信息的共聚焦显微成像与三维信息的光声显微成像，对每类成像的多波长的图像进行引导滤波形成每个图像的基础层和细节层，然后对其采用卷积神经网络和离散余弦波的图像融合算法，重建每类的融合图像，最后对具有多光谱信息的二维信息共聚焦显微成像与三维信息的光声显微成像进行配准融合，形成具有一张多模态信息的多光谱图像。
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