CN112924389A - 基于光声和光学相干层析技术的多模态成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于光声和光学相干层析技术的多模态成像系统及方法。该基于光声和光学相干层析技术的多模态成像系统包括：OCT成像装置，光声成像装置，样本放置装置，控制和信号处理装置；所述OCT成像装置包括第一光源，第一光传输装置，第一光信号检测装置；所述光声成像装置包括第二光源，第二光传输装置，光声传感装置，以及第二光信号检测装置；其中，所述光声传感装置基于表面等离子体共振传感技术，包括第三光源，第一光偏振装置，棱镜，光声波耦合溶液，凹面声波反射镜，以及第二光偏振装置。该多模态成像系统有效融合了光声成像和OCT成像，实现了组织的“无标记、多视角、自配准”观测，为探索机体的复杂生理病理机制提供革新的技术手段。
Description
技术领域
本发明涉及医学影像技术领域，尤其涉及基于光声和光学相干层析技术的多模态成像系统及方法。
背景技术
众所周知，生物组织是涵盖细胞、细胞外基质、血液微循环等众多要素的复杂体系，例如皮肤、视网膜、神经血管耦合、恶性肿瘤等。获取生物组织多角度、全方位的信息，是实现机体生理病理状态精准评价的前提。
在众多的光学显微技术中，光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)和光声成像两种技术以其特有的成像对比机制，结合无标记、快速、可在体观测等多重优点，在辨析组织层状结构和观察血液微循环方面各具优势。
OCT技术通过探测样品的光学散射特性，无需外源标记即可观察活体生物组织。OCT采用弱相干的宽谱照明光源，通过解析参考臂和样品臂的光学相干信号，可实现微米量级的深度分辨能力，从而清晰呈现组织横截面的层状结构。借助于振镜的高速二维扫描，三维OCT图像的采集耗时仅几秒，甚至可以达到实时成像。而且，绝大多数OCT采用红外波段激发光源，不仅增大了成像深度(～1.0mm)，而且降低了组织的光损伤。光声成像技术基于生物组织的光学吸收特性，它有机结合了光学激发和声学探测两种物理手段，通过探测色素物质吸收短脉冲激光后，因瞬时热弹性效应产生的宽带超声波(即光声信号)，能够直接测量组织的光吸收性质。血红蛋白(血液中的主要光学吸收物质)在可见-近红外光波段具有强烈的光学吸收特性，因此光声技术无需外源标记，即可特异性地观察活体血管组织，避免了造影剂使用可能引发的毒副作用。而且，组织的超声(光声波)衰减作用远远低于光衰减，使光声技术能够测量组织较深位置处的光学吸收信息。但是，作为单一模态影像方法，两种技术的成像机制也限制了自身的观察能力，使它们仅能从单一侧面测量样品的光学特性(光散射或者光吸收)，难以实现生物组织多要素信息的获取。
因此，现有技术存在缺陷，有待改进与发展。
发明内容
鉴于现有技术中的以上缺陷，本发明提供了一种基于光声和光学相干层析技术的多模态成像系统及方法，旨在解决现有OCT成像和光生成像这两种单一成像机制限制了自身的观察能力，使它们仅能从单一侧面测量样品的光学特性，难以实现生物组织多要素信息的获取的问题。
本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种基于光声和光学相干层析技术的多模态成像系统，包括：OCT成像装置，光声成像装置，样本放置装置，控制和信号处理装置；所述OCT成像装置包括第一光源，第一光传输装置，第一光信号检测装置；所述光声成像装置包括第二光源，第二光传输装置，光声传感装置，以及第二光信号检测装置；其中，所述光声传感装置基于表面等离子体共振传感技术，包括第三光源，第一光偏振装置，棱镜，光声波耦合溶液，凹面声波反射镜，以及第二光偏振装置。
所述第一光源为超发光二级管；
所述第二光源为脉冲激光器；
所述第三光源为氦氖激光器，用于产生表面等离子体共振的连续光。
所述表面等离子体共振的连续光波长为632.8nm。
所述第一光传输装置包括光纤耦合器，微透镜，以及若干反射镜和透镜；
所述第二光传输装置包括二色镜，以及若干反射镜和透镜。
所述第一光偏振装置包括线偏振片和半波片；
所述第二偏振装置包括偏振分光镜。
所述棱镜表面镀有金膜。
所述凹面声波反射镜材质为玻璃，用于光束和声束的分离。
第二方面，本发明提供一种基于光声和光学相干层析技术的多模态成像方法，该多模态成像方法采用如上任一项所述的基于光声和光学相干层析技术的多模态成像系统进行成像操作，所述多模态成像方法包括以下操作步骤：
将待测样品置于所述基于光声和光学相干层析技术的多模态成像系统的样本放置装置中；
控制OCT成像装置的第一光源输出激光，控制光声成像装置的第二光源输出脉冲激光，两束输出光合束后聚焦至所述样品；
控制第一光信号检测装置检测样品的OCT反射光信号；
控制光声传感装置将样品产生的光声波信号转化为反射偏振光信号；
控制第二光信号检测装置检测样品的光声反射偏振光信号；
所述控制和信号处理装置对检测到的OCT反射光信号和光声反射偏振光信号进行数据分析以及图像重建。
其中，所述光声传感装置将样品产生的光声波信号转化为反射偏振光信号是基于表面等离子体共振传感技术，具体步骤包括：
样品产生的光声波经由光声波耦合溶液耦合，引起耦合溶液折射率变化；
凹面声波反射镜将其反射至表面镀有金膜的棱镜表面，改变棱镜表面的等离子体共振场；
控制光声传感装置的第三光源输出波长为632.8nm的连续光；
所述连续光经第一偏振装置后调整为含p和s成分的线偏振光；
所述线偏振光入射至表面镀有金膜的棱镜上，在金膜表面激发等离子体共振效应；
金膜的反射偏振光经第二偏振装置后分为p-偏振光和s-偏振光；
两束反射偏振光束分别进入第二光信号检测装置两个端口。
有益效果：本发明提供了一种基于光声和光学相干层析技术的多模态成像系统及方法：引入表面等离子体共振传感技术，利用该技术的折射率高敏感与超快时间响应特点，进行光声波的宽带、高灵敏度检测，提高光声成像的信噪比与轴向分辨率，使其具备与OCT相匹配的微米级深度分辨能力。设计声波反射镜，实现光、声能量的引导与区分，从而既实现激发光束的高通量传输和高分辨率聚焦，又保证背向传输信号(OCT反射光和光声波)的高灵敏度、大带宽检测。通过上述方式使光声和OCT具备相比拟的空间分辨率和反射成像能力，从而搭建完成两者有效融合的多模态成像系统，实现组织的“无标记、多视角、自配准”观测，为探索机体的复杂生理病理机制提供革新的技术手段。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于光声和光学相干层析技术的多模态成像系统的示意图。
图2为本发明实施例提供的一种基于光声和光学相干层析技术的多模态成像方法具体实施的流程图。
图3为本发明实施例提供的一种光声传感装置将样品产生的光声波信号转化为反射偏振光信号的具体实施步骤的流程图。
其中：1-脉冲激光器；2-反射镜；3-二色镜；4-微透镜；5-参考臂；6-光纤耦合器；7-超发光二级管；8-光谱仪；9-透镜；10-氦氖激光器；11-线偏振片；12-半波片；13-高频平衡光电放大器；14-偏振分光镜；15-棱镜；16-凹面声波反射镜；17-光声波耦合溶液；18-电脑。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。(也可根据情况省略)
光声与OCT相集成的多模态成像技术吸引了众多的目光，也有机构开发了多套光声/OCT多模态系统，提升了成像信噪比、空间分辨率、图像采集速率等许多关键的性能指标。然而，尽管融合光声和OCT的多模态成像取得了一定的发展，但是这一技术仍存在巨大缺陷。首先，两种成像模式的深度分辨能力存在差异显著。OCT的深度分辨率普遍在微米量级(约为6.0微米)。光声成像的深度分辨率决定于光声波的检测带宽，传统的压电型超声换能器带宽往往限制在几十兆赫兹，导致纵向分辨率较差(大于20微米)；虽然法布里帕罗干涉仪可以替代传统换能器进行光声探测，但是其频带响应仍不足以提升光声成像的深度分辨率；低相干干涉方法具有67MHz检测带宽，由此决定的光声深度分辨率仍然与OCT相距甚远。两种技术在轴向上分辨能力的差距严重影响了两者的深度信息匹配度。其次，光声探测的灵敏度有待提高。当前广泛使用的压电型超声换能器的探测灵敏度较低，通常在上千帕，难以捕捉到位于组织深处的毛细血管的微弱光声信号。第三，如何实现光声波的反射式探测。OCT以反射模式进行成像，光声成像只有采用相同的信号探测方式，才能确保两者的共光路架构，这是两种成像模式信号和图像自动配准的前提。
基于此，本发明提供了一种基于光声和光学相干层析技术的多模态成像系统，其包括：OCT成像装置，光声成像装置，样本放置装置，控制和信号处理装置。
在本实施例中，所述OCT成像装置包括第一光源，第一光传输装置，以及第一光信号检测装置。所述OCT成像装置为光纤式谱域OCT，该装置便于集成所述第一光源为超发光二级管，用于输出激光。这是因为第一光源为OCT光源，且OCT采用弱相干的宽谱照明光源；所述第一光传输装置包括光纤耦合器，微透镜，以及若干反射镜和透镜。
所述光纤耦合器用于对光纤内传输光的分束与合束，使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，可根据输入和输出光信号的需求，选择不同的规格。本实施例输出激光分为两路，一路为参考臂，一路为样品臂，因此优选为2×2光纤耦合器。
微透镜的作用是为了准直从光纤的输出光；反射镜的作用是反射光束，改变光束的传播方向，可以根据实际的需求选择任意数目的反射镜，以达到使光束向任意方向传播的目的；透镜的作用是将光束聚焦或准直，同样可以根据实际的需求选择任意数目。
在一些具体的实施方式中，第一光信号检测装置为光谱仪，用来检测OCT相干光，通过解析参考臂和样品臂的光学相干信号，可实现微米量级的深度分辨能力，从而清晰呈现组织横截面的层状结构。
在一些实施方式中，所述光声成像装置包括第二光源，第二光传输装置，光声传感装置，以及第二光信号检测装置。
在一些具体的实施方式中，所述第二光源为脉冲激光器，用于产生纳秒级光声激发光。
优选的，所述脉冲激光器为Nd:YAG脉冲激光器。
激发光波长可根据不同的样品进行改变，以样品的吸收系数最大、产生的光声信号最强为准。
优选的，激发光波长为532nm。
在一些具体的实施方式中，所述第二光传输装置包括二色镜，以及若干反射镜和透镜。
二色镜用于透过长波长激光，反射短波长激光，脉冲激光器发出的脉冲激光经二色镜后，与OCT输出光合束；反射镜的作用是反射光束，改变光束的传播方向，可以根据实际的需求选择任意数目的反射镜，以达到使光束向任意方向传播的目的；透镜的作用是将光束聚焦或准直，同样可以根据实际的需求选择任意数目。
在一些具体的实施方式中，所述光声传感装置基于表面等离子体共振传感技术，包括第三光源，第一光偏振装置，棱镜，光声波耦合溶液，凹面声波反射镜，以及第二光偏振装置。
具体的，所述第三光源为氦氖激光器，用于产生表面等离子体共振的连续光。
具体的，所述表面等离子体共振的连续光波长为632.8nm。表面等离子体共振场改变时，会影响该波长的连续光在金箔上的的吸收和反射的比例即反射率。
具体的，所述第一光偏振装置包括线偏振片和半波片，所述线偏振片用于将入射光束调制为标准线偏振光，半波片用于调整线偏振光的偏振方向。经线偏振片和半波片之后，氦氖激光器发射的波长为632.8nm的连续光被调整为含p和s成分的线偏振光。
在另一些实施方式中，初始探测光束并不局限于线偏振光，也可以是椭圆或圆偏振光，以信号的灵敏度最高为准。
具体的，所述棱镜表面镀有金膜，用于折返光束，使偏振光束激发表面等离子体产生共振，耦合光声波，进行光声感应。
优选的，所述棱镜为直角棱镜、等腰梯形棱镜或其他合适角度的棱镜。
在另一些实施方式中，用于等离子共振也可以是其他金属膜，如银膜等，对应的激发角度也有差异。
具体的，所述光声波耦合溶液用来耦合光声波。光声成像中，光声脉冲波引起耦合溶液折射率变化，进而改变表面等离子体共振场，引起反射偏振光随时间改变。
优选的，所述光声波耦合溶液为去离子水。
具体的，所述凹面声波反射镜用于透过光声和OCT激光、OCT的反射光信号以及反射光声波。
凹面声波反射镜可有效进行光、声引导与区分。该方法利用玻璃的光学透明和声学反射特性，能够高效的引导激发光聚焦，同时将光声波反射至探测器上，实现光束和声束的恰当分离。既实现多激发光束的高通量、高分辨率聚焦，又能够高效收集OCT反射光信号，同时保证背向传播光声波的检测。
具体的，所述第二光偏振装置为偏振分束镜，用于将混合偏振光分解为p偏振光和s偏振光。
在光声成像中，入射的偏振光束在金膜表面激发等离子体共振效应，金膜的反射偏振光被偏振分光镜分为p偏振光和s偏振光，两束光分别进入不同的检测端口。
在另一些实施方式中，将混合光束分解为s偏振光和p偏振光的器件并非只有偏振分光镜(PBS)，还可以是沃拉斯顿棱镜等偏振分光器件。
在一些具体的实施方式中，所述第二光信号检测装置为高频平衡光电放大器，用于探测高速变化的s与p偏振光的光强差。
高频平衡光电放大器有两个端口，反射偏振光被分为p偏振光和s偏振光之后，两束光分别进入不同的检测端口。通过差分检测方法监测偏振光强改变，即可实现宽带光声波的高灵敏度探测。
在一些实施方式中，所述样本放置装置用于放置待检测样品，其可以根据需要设计为方形、圆形等任意形状，也可以根据需要具有可移动、可旋转等多种功能。
在一些实施方式中，所述控制和信号处理装置用于控制位移台的扫描、数据采集和处理、控制和重建程序、数据分析与处理、图像重建等。
优选的，所述控制和信号处理装置包括电脑或其他终端。
下面用一个具体的实施例来说明，如图1所示：所述基于光声和光学相干层析技术的多模态成像系统中，OCT成像装置以超发光二级管(7)为光源，输出激光经2×2光纤耦合器(6)分为两路，一路为参考臂(5)，另一路为样品臂。样品臂输出光经微透镜(4)由光纤端口输出，并被反射镜(2)反射。光声成像装置脉冲激光器以(1)发射的脉冲激光为激发光源，经二色镜(3)后光声和OCT输出光合束。两光束经反射镜(2)和透镜组(9)聚焦至样品上。
样品的OCT反射光信号返回至光纤，并进入光谱仪(8)，经解析可获得具有深度辨析能力的图像。在光声成像装置中，光声信号的探测采用基于表面等离子体共振传感技术：表面氦氖激光器(10)发射的波长为632.8nm的连续光经线偏振片(11)和半波片(12)后，调整为含p和s成分的线偏振光。偏振光束被反射镜(2)改变方向入射至表面镀有金膜的棱镜(15)上，在金膜表面激发等离子体共振效应。这是因为待测样品产生的光声波由光声波耦合溶液(17)耦合，被凹面声波反射镜(16)反射至棱镜(15)表面，光声脉冲波引起耦合溶液折射率变化，进而改变表面等离子体共振场，引起反射偏振光随时间改变。金膜的反射偏振光经反射镜(2)和透镜(9)后，被偏振分光镜(14)分为p-和s-偏振光。两偏振光束经过反射镜(2)后分别进入高频平衡光电放大器(13)的两个端口。OCT信号和光声信号均存储至电脑(18)，用于后续数据分析和图像重建。
第二方面，本发明提供了一种基于光声和光学相干层析技术的多模态成像方法，该多模态成像方法采用如前任一项所述的基于光声和光学相干层析技术的多模态成像系统进行成像操作，如图2所示，包括以下步骤：
S100、将待测样品置于所述基于光声和光学相干层析技术的多模态成像系统的样本放置装置中；
S200、控制OCT成像装置的第一光源输出激光，控制光声成像装置的第二光源输出脉冲激光，两束输出光合束后聚焦至所述样品；
S300、控制第一光信号检测装置检测样品的OCT反射光信号；
S400、控制光声传感装置将样品产生的光声波信号转化为反射偏振光信号；
S500、控制第二光信号检测装置检测样品的光声反射偏振光信号；
S600、所述控制和信号处理装置对检测到的OCT反射光信号和光声反射偏振光信号进行数据分析以及图像重建。
具体的，所述步骤S400中控制光声传感装置将样品产生的光声波信号转化为反射偏振光信号还包括如下步骤，如图3所示：
S401、样品产生的光声波经由光声波耦合溶液耦合，引起耦合溶液折射率变化；
S402、凹面声波反射镜将其反射至表面镀有金膜的棱镜表面，改变棱镜表面的等离子体共振场；
S403、控制光声传感装置的第三光源输出波长为632.8nm的连续光；
S404、所述连续光经第一偏振装置后调整为含p和s成分的线偏振光；
S405、所述线偏振光入射至表面镀有金膜的棱镜上，在金膜表面激发等离子体共振效应；
S406、金膜的反射偏振光经第二偏振装置后分为p-偏振光和s-偏振光；
S407、两束反射偏振光束分别进入第二光信号检测装置两个端口。
综上所述，本发明提供了一种基于光声和光学相干层析技术的多模态成像系统及方法。该基于光声和光学相干层析技术的多模态成像系统包括：OCT成像装置，光声成像装置，样本放置装置，控制和信号处理装置；所述OCT成像装置包括第一光源，第一光传输装置，第一光信号检测装置；所述光声成像装置包括第二光源，第二光传输装置，光声传感装置，以及第二光信号检测装置；其中，所述光声传感装置基于表面等离子体共振传感技术，包括第三光源，第一光偏振装置，棱镜，光声波耦合溶液，凹面声波反射镜，以及第二光偏振装置。该多模态成像系统引入表面等离子体共振传感技术，利用该技术的折射率高敏感与超快时间响应特点，进行光声波的大宽带、高灵敏度检测，提高光声成像的信噪比与轴向分辨率，使其具备与OCT相匹配的微米级深度分辨能力。设计声波反射镜，实现光、声能量的引导与区分，从而既实现激发光束的高通量传输和高分辨率聚焦，又保证背向传输信号(OCT反射光和光声波)的高灵敏度、大带宽检测。通过上述方式使光声和OCT具备相比拟的空间分辨率和反射成像能力，从而搭建完成两者有效融合的多模态成像系统，实现活体生物组织的“无标记、多视角、自配准”观测，为探索机体的复杂生理病理机制提供革新的技术手段。
应当理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不足以限制本发明的技术方案，对本领域普通技术人员来说，在本发明的精神和原则之内，可以根据上述说明加以增减、替换、变换或改进，而所有这些增减、替换、变换或改进后的技术方案，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于光声和光学相干层析技术的多模态成像系统，其特征在于，包括：OCT成像装置，光声成像装置，样本放置装置，控制和信号处理装置；所述OCT成像装置包括第一光源，第一光传输装置，第一光信号检测装置；所述光声成像装置包括第二光源，第二光传输装置，光声传感装置，以及第二光信号检测装置；其中，所述光声传感装置包括第三光源，第一光偏振装置，棱镜，光声波耦合溶液，凹面声波反射镜，以及第二光偏振装置。
2.根据权利要求1所述的基于光声和光学相干层析技术的多模态成像系统，其特征在于：
所述第一光源为超发光二级管；
所述第二光源为脉冲激光器；
所述第三光源为氦氖激光器，用于产生表面等离子体共振的连续光。
3.根据权利要求2所述的基于光声和光学相干层析技术的多模态成像系统，其特征在于：所述表面等离子体共振的连续光波长为632.8nm。
4.根据权利要求1所述的基于光声和光学相干层析技术的多模态成像系统，其特征在于：
所述第一光传输装置包括光纤耦合器，微透镜，以及若干反射镜和透镜；
所述第二光传输装置包括二色镜，以及若干反射镜和透镜。
5.根据权利要求1所述的基于光声和光学相干层析技术的多模态成像系统，其特征在于：
所述第一光偏振装置包括线偏振片和半波片；
所述第二偏振装置包括偏振分光镜。
6.根据权利要求1所述的基于光声和光学相干层析技术的多模态成像系统，其特征在于：所述棱镜表面镀有金膜。
7.根据权利要求1所述的基于光声和光学相干层析技术的多模态成像系统，其特征在于：所述凹面声波反射镜材质为玻璃，用于光束和声束的分离。
8.一种基于光声和光学相干层析技术的多模态成像方法，其特征在于，该多模态成像方法采用权利要求1至7中任一项所述的基于光声和光学相干层析技术的多模态成像系统进行成像操作，所述多模态成像方法包括以下操作步骤：
将待测样品置于所述基于光声和光学相干层析技术的多模态成像系统的样本放置装置中；
控制OCT成像装置的第一光源输出激光，控制光声成像装置的第二光源输出脉冲激光，两束输出光合束后聚焦至所述样品；
控制第一光信号检测装置检测样品的OCT反射光信号；
控制光声传感装置将样品产生的光声波信号转化为反射偏振光信号；
控制第二光信号检测装置检测样品的光声反射偏振光信号；
所述控制和信号处理装置对检测到的OCT反射光信号和光声反射偏振光信号进行数据分析以及图像重建。
9.根据权利要求8所述的基于光声和光学相干层析技术的多模态成像方法，其特征在于：所述光声传感装置将样品产生的光声波信号转化为反射偏振光信号是基于表面等离子体共振传感技术。
10.根据权利要求9所述的基于光声和光学相干层析技术的多模态成像方法，其特征在于，所述光声传感装置将样品产生的光声波信号转化为反射偏振光信号的具体步骤包括：
样品产生的光声波经由光声波耦合溶液耦合，引起耦合溶液折射率变化；
凹面声波反射镜将其反射至表面镀有金膜的棱镜表面，改变棱镜表面的等离子体共振场；
控制光声传感装置的第三光源输出波长为632.8nm的连续光；
所述连续光经第一偏振装置后调整为含p和s成分的线偏振光；
所述线偏振光入射至表面镀有金膜的棱镜上，在金膜表面激发等离子体共振效应；
反射偏振光经第二偏振装置后分为p-偏振光和s-偏振光；
两束反射偏振光束分别进入第二光信号检测装置两个端口。
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