CN112782125B - 一种生物组织弹性模量测量装置及方法 - Google Patents

一种生物组织弹性模量测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物组织弹性模量测量装置，包括第一电源、第一半导体激光器、第一偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜、四分之一波片、显微物镜和放有样品的位移台、第二偏振分光棱镜、第二半导体激光器和第二电源、第一光电探测器、标准样品、分光棱镜和第二光电探测器、单行器、锁相放大器和电脑，本发明还公开了生物组织弹性模量测量方法，单端输入系统产生被测样品的受激布里渊散射信号，双端输入受激布里渊散射系统将该信号放大，从而实现受激布里渊散射频移的高精度检测。

Description

一种生物组织弹性模量测量装置及方法
技术领域
本发明属于生物医学和传感技术领域，涉及一种生物组织弹性模量测量装置，本发明还涉及一种生物组织弹性模量测量方法。
背景技术
生物组织是生命体结构和功能的基本单位，其力学特性与机体功能密切相关。而弹性模量是表征生物组织力学性能最主要的一项参数，弹性模量的改变往往和重大病变联系在一起。目前，医学研究和临床上通常采用弹性成像的方法获取生物组织的弹性信息，并主要以此为参考进行病理研究和疾病诊断。弹性成像法主要包括超声弹性成像，核磁共振弹性成像(MRE)以及光学相干弹性成像(OCE)等，其工作原理是对生物组织施加一个内部(包括自身的)或外部的、动态或者静态(准静态)的激励，在物理规律作用下，生物组织将产生一个响应(例如位移、应变、速度)，并且它们的分布会随着激励而发生变化，经过数字信号的一系列处理方法就可以将这些变化量反演成图像，从而得到组织内部力学属性的弹性分布。尽管这些方法在临床上得到广泛应用，但存在分辨率低、成像深度浅等缺点。例如超声弹性成像显示的是病灶对于周边组织的相对硬度，无法提供准确的弹性模量值，且包含多种伪像；磁共振弹性成像空间分辨率的整体水平只有1～3mm，这样的分辨率对于某些疾病检测是远远不够的；光学相干弹性成像空间分辨率相对较高，可达到10μm，但其成像深度最大仅为皮肤下1mm等。
根据受激布里渊散射理论可知，布里渊散射的频移νB可表示为：
Figure GDA0003924344530000021
其中E和ρ分别为样品的弹性模量和密度，n为样品折射率，θ为散射角。一般情况下，θ为0°，可见，通过测量布里渊散射的频移可以确定样品的弹性模量E。
近年来，将受激布里渊散射应用于生物组织力学性能研究引起了国外专家学者的高度重视和浓厚的研究兴趣，成为当前生物组织力学性能研究的前沿技术和主要推动力。基于受激布里渊散射原理测量生物组织弹性模量具有测量速度快，分辨率高和非侵入性等优点，但是现有技术均采用单频激光单端输入的方式，即泵浦激光入射在样品上，由光学干涉系统测量后向散射信号光的频移。为了避免损伤生物样品，泵浦激光较弱(小于15mW)，导致受激布里渊散射信号微弱。因此，为了准确测量受激布里渊散射信号的频移(几GHz～十几GHz)这一关键问题，国外研究热点主要集中在提高光谱仪的性能上。如采用多个串联的Fabry-Perot干涉仪、级联虚拟成像陈列(VIPA)或在VIPA前放置分子吸收盒等。这些方法虽然提高了光谱分辨率(亚GHz)，但存在信号随干涉仪级次增加而减小、吸收盒带来信号失真、后续数据处理过程比较复杂等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种生物组织弹性模量测量装置，解决了现有技术中存在的测量系统和数据处理过程复杂的问题。
本发明的另一目的是提供一种生物组织弹性模量方法。
本发明所采用的技术方案是，一种生物组织弹性模量测量装置，包括第一电源，第一电源连接第一半导体激光器，第一半导体激光器沿其光波的光轴方向依次设有第一偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜、四分之一波片、显微物镜和放有样品的位移台，第一偏振分光棱镜沿垂直于第一半导体激光器光波的光轴方向的左侧依次设有第二偏振分光棱镜、第二半导体激光器和第二电源，右侧设有第一光电探测器，第一光电探测器连接锁相放大器，锁相放大器连接电脑，第三偏振分光棱镜沿垂直于第一半导体激光器光波的光轴方向的左侧依次设有标准样品、分光棱镜和第二光电探测器，第二光电探测器连接锁相放大器，锁相放大器连接电脑，分光棱镜位于第二偏振分光棱镜的偏振光束上，第二偏振分光棱镜与分光棱镜之间设有单行器。
本发明所采用的另一种技术方案是，一种生物组织弹性模量测量方法，采用上述一种生物组织弹性模量测量装置，具体按照以下步骤实施：
步骤1、打开第一电源和第二电源，使得第一半导体激光器输出功率为10mW，线性调谐第二电源的电流，改变从第二半导体激光器出射激光的频率，当第一半导体激光器和第二半导体激光器在第一光电探测器处形成拍波，且拍波频率ν拍小于1GHz时，停止调谐第二电源的输出电流；
步骤2、线性调节第二电源的输出电流，改变从第二半导体激光器出射激光的频率，记录第二光电探测器输出电压与第二电源的输出电流的关系，当第二光电探测器输出电压最大时，记录第二半导体激光器频率变化量；
步骤3、计算被测样品的受激布里渊散射频移，然后再计算样品弹性模量；
步骤4、重复步骤1-3，求取样品弹性模量的平均值；
步骤5、沿第一半导体激光器光波的光轴方向调整位移台，重复步骤1-4。
本发明的特点还在于：
步骤1中第二半导体激光器频率的调谐速率为0.2GHz/s。
步骤2中第二半导体激光器频率的调谐速率为0.2GHz/s。
步骤3中被测样品的受激布里渊散射频移νB为：νB＝νb+Δν-ν拍，其中，νb为标准样品的受激布里渊散射频移，Δν为第二半导体激光器频率变化量，ν拍为第一半导体激光器和第二半导体激光器在第一光电探测器处形成拍波频率。
步骤3中样品弹性模量E根据
Figure GDA0003924344530000041
计算，其中，ρ为样品的密度，n为样品折射率，θ为散射角。
本发明的有益效果是：本发明将单端输入和双端输入受激布里渊散射系统串联，单端输入受激布里渊散射系统的样品为被测样品，双端输入受激布里渊散射系统的样品为标准样品(丙酮)。两个780nmLD激光器分别作为单端输入受激布里渊散射系统的泵浦光和双端输入受激布里渊散射系统的抽运光。单端输入系统产生被测样品的受激布里渊散射信号，双端输入受激布里渊散射系统将生物组织微弱的受激布里渊散射信号进行选频放大后测量，从而实现受激布里渊散射频移的高精度检测。
附图说明
图1是本发明一种生物组织弹性模量测量装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种生物组织弹性模量测量装置，如图1所示，包括第一电源，第一电源连接第一半导体激光器，第一半导体激光器沿其光波的光轴方向依次设有第一偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜、四分之一波片、显微物镜和放有样品的位移台，第一偏振分光棱镜沿垂直于第一半导体激光器光波的光轴方向的左侧依次设有第二偏振分光棱镜、第二半导体激光器和第二电源，右侧设有第一光电探测器，第一光电探测器连接锁相放大器，锁相放大器连接电脑，第三偏振分光棱镜沿垂直于第一半导体激光器光波的光轴方向的左侧依次设有标准样品、分光棱镜和第二光电探测器，第二光电探测器连接锁相放大器，锁相放大器连接电脑，分光棱镜位于第二偏振分光棱镜的偏振光束上，第二偏振分光棱镜与分光棱镜之间设有单行器。
本发明一种生物组织弹性模量测量装置的工作过程如下，第一半导体激光器LD1，可发射780nm的光波，其电源为第一电源1，在该光波的光轴上设置第一偏振分光棱镜PBS1，后分成两束相互垂直的线偏振光p偏振光和s偏振光，s偏振光入射至第一光电探测器PD1，光电转换后的电信号经锁相放大器LIA1后由PC采集；p偏振光的光轴上依次放置第三偏振分光棱镜PBS3，四分之一波片QWP和显微物镜OL，该p偏振光经四分之一波片QWP后变为圆偏振光，由显微物镜OL聚焦在被测样品脂肪乳剂上，产生的后向受激布里渊散射光经显微物镜OL收集，再次通过四分之一波片QWP后变为s偏振光，在第三偏振分光棱镜PBS3处反射至标准样品丙酮。第二半导体激光器LD2，可发射780nm的光波，其电源为第二电源2，在该光波的光轴上设置第二偏振分光棱镜PBS2后，分成两束相互垂直的线偏振光p偏振光和s偏振光，p偏振光经第一偏振分光棱镜PBS1入射至第一光电探测器PD1；s偏振光经光单行器后，在分光棱镜BS处反射后入射至标准样品；放大后的受激布里渊散射光经BS透射，入射至第二光电探测器PD2，光电转换后的电信号经锁相放大器LIA2后由PC采集。
本发明一种生物组织弹性模量测量方法，采用上述一种生物组织弹性模量测量装置，具体按照以下步骤实施：
步骤1、打开第一电源和第二电源，使得第一半导体激光器输出功率为10mW，线性调谐第二电源的电流，改变从第二半导体激光器出射激光的频率，第二半导体激光器频率的调谐速率为0.2GHz/s，当第一半导体激光器和第二半导体激光器在第一光电探测器处形成拍波，且拍波频率ν拍小于1GHz时，停止调谐第二电源的电流；
步骤2、线性调节第二电源的输出电流，改变从第二半导体激光器出射激光的频率，第二半导体激光器频率的调谐速率为0.2GHz/s，记录第二光电探测器输出电压与第二电源电流的关系，当第二光电探测器输出电压最大时，记录第二半导体激光器频率变化量；
步骤3、计算被测样品的受激布里渊散射频移，然后再计算样品弹性模量，其中，被测样品的受激布里渊散射频移νB＝νb+Δν-ν拍，其中，νb为标准样品的受激布里渊散射频移，Δν为第二半导体激光器频率变化量，ν拍为第一半导体激光器和第二半导体激光器在第一光电探测器处形成拍波频率，样品弹性模量E根据
Figure GDA0003924344530000061
计算，其中，ρ为样品的密度，n为样品折射率，θ为散射角，一般情况下，θ为0°；
步骤4、重复步骤1-3，求取样品弹性模量的平均值；
步骤5、沿第一半导体激光器光波的光轴方向调整位移台，重复步骤1-4。
一种生物组织弹性模量测量方法的工作原理为：如图1所示，从LD1输出的频率为ν1的780nm激光，透过PBS1后的p偏振光经PBS3后，再经1/4波片QWP，p线偏振光变为圆偏振光，再通过显微物镜OL聚焦入射在被测样品上，产生背向受激布里渊散射光，即信号光，其频率为ν1-νB，νB为被测样品布里渊散射的频移，由于布里渊散射信号光与输入激光偏振态相同，因此由样品反射回的信号光仍为圆偏振光，由显微物镜OL收集，经1/4波片QWP后变成s偏振光，在PBS3处反射至标准样品；
受激布里渊散射信号放大采用双端输入受激布里渊散射系统，从PBS3处反射的频率为ν1-νB的脉冲信号光入射至标准样品，从半导体激光器LD2输出的频率为ν2的s偏振光作为抽运光，经单行器后被BS反射至标准样品；根据受激布里渊散射原理，当抽运光ν2与信号光ν1-νB的频差在标准样品布里渊散射谱范围内，且ν2>ν1-νB时，抽运光的部分能量将转移信号光，即信号光得到放大，并且抽运光和信号光的频差与受激布里渊散射增益成洛伦兹曲线关系，当ν2-(ν1-νB)＝νb时，受激布里渊散射(SBS)能量转移作用最强，PD1探测到的信号光功率变化最大。因此，线性调谐半导体激光器LD2电源的电流，使LD2频率的调谐速率为0.2GHz/s。当第二光电探测器PD2输出信号最大时，记录半导体激光器LD2频率变化量Δν，已知标准样品的布里渊频移νb＝2.97GHz，由此，根据公式即可计算样品弹性模量。

Claims (6)

1.一种生物组织弹性模量测量装置，其特征在于，包括第一电源，所述第一电源连接第一半导体激光器，所述第一半导体激光器沿其光波的光轴方向依次设有第一偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜、四分之一波片、显微物镜和放有样品的位移台，所述第一偏振分光棱镜沿垂直于第一半导体激光器光波的光轴方向的左侧依次设有第二偏振分光棱镜、第二半导体激光器和第二电源，右侧设有第一光电探测器，所述第一光电探测器连接锁相放大器，所述锁相放大器连接电脑，所述第三偏振分光棱镜沿垂直于第一半导体激光器光波的光轴方向的左侧依次设有标准样品、分光棱镜和第二光电探测器，所述第二光电探测器连接锁相放大器，所述锁相放大器连接电脑，所述分光棱镜位于第二偏振分光棱镜的偏振光束上，所述第二偏振分光棱镜与分光棱镜之间设有单行器。
2.一种生物组织弹性模量测量方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的一种生物组织弹性模量测量装置，具体按照以下步骤实施：
步骤1、打开第一电源和第二电源，使得第一半导体激光器输出功率为10mW，线性调谐第二电源的电流，当第一半导体激光器和第二半导体激光器在第一光电探测器处形成拍波，且拍波频率ν拍小于1GHz时，停止调谐第二电源的输出电流；
步骤2、线性调节第二电源的输出电流，改变从第二半导体激光器出射激光的频率，记录第二光电探测器输出电压与第二电源的输出电流的关系，当第二光电探测器输出电压最大时，记录第二半导体激光器频率变化量；
步骤3、计算被测样品的受激布里渊散射频移，然后再计算样品弹性模量；
步骤4、重复步骤1-3，求取样品弹性模量的平均值；
步骤5、沿第一半导体激光器光波的光轴方向调整位移台，重复步骤1-4。
3.根据权利要求2所述的一种生物组织弹性模量测量方法，其特征在于，所述步骤1中第二半导体激光器频率的调谐速率为0.2GHz/s。
4.根据权利要求2所述的一种生物组织弹性模量测量方法，其特征在于，所述步骤2中第二半导体激光器频率的调谐速率为0.2GHz/s。
5.根据权利要求2所述的一种生物组织弹性模量测量方法，其特征在于，所述步骤3中被测样品的受激布里渊散射频移νB为：νB＝νb+Δν-ν拍，其中，νb为标准样品的受激布里渊散射频移，Δν为第二半导体激光器频率变化量，ν拍为第一半导体激光器和第二半导体激光器在第一光电探测器处形成拍波频率。
6.根据权利要求5所述的一种生物组织弹性模量测量方法，其特征在于，所述步骤3中样品弹性模量E根据
Figure FDA0003924344520000021
计算，其中，ρ为样品的密度，n为样品折射率，θ为散射角。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1905294A (zh) * 2006-08-07 2007-01-31 西安理工大学 LD抽运共增益双腔超大频差双频Nd: YAG激光器
US20130046487A1 (en) * 2010-03-16 2013-02-21 Motoko Ichihashi Viscoelasticity measuring method and viscoelasticity measuring apparatus
CN103743354A (zh) * 2014-01-06 2014-04-23 桂林电子科技大学 一种基于布里渊相移检测的动态应变测量方法及测量装置
CN107907507A (zh) * 2017-09-28 2018-04-13 南昌航空大学 一种基于布里渊散射光谱的润滑油弹性模量检测方法
CN108348151A (zh) * 2015-09-02 2018-07-31 通用医疗公司 基于生物组织的监测特性执行过程
CN110426372A (zh) * 2019-07-16 2019-11-08 南昌航空大学 一种扫频式布里渊散射体弹性模量成像检测方法
CN110772217A (zh) * 2019-10-18 2020-02-11 南昌航空大学 一种干涉型光路提高布里渊弹性成像系统信噪比的方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NZ519475A (en) * 2002-06-11 2004-10-29 Ind Res Ltd Measuring wood properties by optical investigation of tracheid orientations
EP2712299A4 (en) * 2011-04-29 2014-12-10 Gen Hospital Corp METHODS AND ARRANGEMENTS FOR OBTAINING INFORMATION AND PROVIDING ANALYSIS FOR BIOLOGICAL TISSUES
JP6360735B2 (ja) * 2014-07-02 2018-07-18 国立大学法人北海道大学 細胞の複素弾性率の計測方法および計測システム

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1905294A (zh) * 2006-08-07 2007-01-31 西安理工大学 LD抽运共增益双腔超大频差双频Nd: YAG激光器
US20130046487A1 (en) * 2010-03-16 2013-02-21 Motoko Ichihashi Viscoelasticity measuring method and viscoelasticity measuring apparatus
CN103743354A (zh) * 2014-01-06 2014-04-23 桂林电子科技大学 一种基于布里渊相移检测的动态应变测量方法及测量装置
CN108348151A (zh) * 2015-09-02 2018-07-31 通用医疗公司 基于生物组织的监测特性执行过程
CN107907507A (zh) * 2017-09-28 2018-04-13 南昌航空大学 一种基于布里渊散射光谱的润滑油弹性模量检测方法
CN110426372A (zh) * 2019-07-16 2019-11-08 南昌航空大学 一种扫频式布里渊散射体弹性模量成像检测方法
CN110772217A (zh) * 2019-10-18 2020-02-11 南昌航空大学 一种干涉型光路提高布里渊弹性成像系统信噪比的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
共焦布里渊显微镜轴向成像特性;钟昆等;《光学学报》;20161031;第36卷(第10期);第1-7页 *

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