CN113029968A - 一种基于光声成像的快速氧分压检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光声成像的快速氧分压检测系统及方法，其系统包括：激光发生系统、光路系统、光声信号采集系统和交互控制系统；激光发生系统包括两个激光发生器，分别由交互控制系统控制产生激发激光脉冲和探测激光脉冲，激发激光和探测激光均通过光路系统照射到氧含量待测样品上；光声信号检测系统采集并检测氧含量待测样品的光声信号并输出给交互控制系统；交互控制系统根据接收到的光声信号，基于磷光寿命与氧含量之间关系的先验知识计算氧含量待测样品的氧气浓度。本发明可以实现对组织氧含量的快速检测，且测量效率高。

Description

一种基于光声成像的快速氧分压检测系统及方法
技术领域
本发明涉及光声成像技术领域，具体涉及一种基于光声成像的快速氧分压检测系统及方 法。
背景技术
光动力学疗法(Photodynamic Therapy,PDT)，又名光敏疗法，是近些年在临床上应用越 来越广泛的新型疗法。其基本原理是当病灶处吸收光敏剂后，特定波长的光照使得光敏剂中 的电子受到激发，从基态跃迁至单重激发态，经系间窜跃后转变为三重激发态。三重激发态 的电子通过三重态相互作用将能量传递给周围的氧分子，生成活性很强的单重态氧或氧自由 基，并产生细胞毒性，进而导致靶向细胞坏死。在活体组织中，氧含量受到血液氧输送能力、 组织氧消耗和光动力治疗消耗的三重影响，始终处于动态变化中，因此要利用组织氧含量对 照射光强进行调控，就必须对组织中的氧含量进行快速成像。
目前对组织氧含量的光声测量技术均基于对激发磷光衰减曲线的测量，而对该曲线的拟 合需要在磷光衰减的不同时间点以us级别的时间分辨力进行30～50次光声信号采集。由于 目前超声探测器灵敏度的限制，为了对微弱的磷光信号进行光声检测需要mJ级别的激光单 脉冲能量，而市场上这类激光器的激光重复发射间隔均大于10ms,无法在一次磷光激发后连 续测量其衰减曲线，因而只能采取为磷光激发激光器和磷光检测激光器设置一系列不同的激 光发射延时，并进行多次磷光激发的方法来测量磷光衰减。由于一系列原因所导致的数据吞 吐量不足，目前已有系统均难以实现组织氧含量的快速检测。由于缺乏全自动的设备控制与 激励系统，目前已有设备每次修改磷光衰减曲线的测量时间点均需手动进行，极大的降低了 检测效率。此外，由于目前激光器各次激光发射脉冲能量之间均存在一定程度的抖动，这种 抖动对磷光激发和探测的定量均存在影响，在已有系统中需要进行数十次的数据平均来消除， 进一步拖慢了测量速度。由于这些因素的限制，目前已有系统每次氧含量测量均需耗时数分 钟，难以满足对组织氧含量进行快速检测的要求。
发明内容
针对现有技术对氧含量检测的不足，本发明提供一种基于光声成像的快速氧分压检测系 统及方法，可以实现对组织氧含量的快速检测，且提高测量效率。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于光声成像的快速氧分压检测系统，包括：激光发生系统、光路系统、光声信号 采集系统和交互控制系统；所述激光发生系统包括两个激光发生器，分别由交互控制系统控 制产生激发激光脉冲和探测激光脉冲，激发激光和探测激光均通过所述光路系统照射到氧含 量待测样品上；所述光声信号检测系统采集并检测氧含量待测样品的光声信号并输出给交互 控制系统；所述交互控制系统根据接收到的光声信号，基于磷光寿命与氧含量之间关系的先 验知识计算氧含量待测样品的氧气浓度。
在更优的技术方案中，所述快速氧分压检测系统还包括协调激励系统，所述交互控制系 统经由协调激励系统控制激光发生系统产生激光脉冲的时间延迟；所述协调激励系统包括 FPGA、两个分光镜和两个激光能量检测器；所述两个分光镜分别设置于两个激光发生器的输 出光路上，且每个分光镜将激光发生器的部分激光照射到对应的一个激光能量检测器；所述 激光能量检测器从FPGA接收触发检测信号，并检测激光发生器输出激光的能量并反馈给交 互控制系统。
在更优的技术方案中，产生激发激光脉冲的激光发生器的输出波长为532nm，产生探测 激光脉冲的激光发生器的输出波长为740nm。
在更优的技术方案中，所述光路系统包括激发激光光路和探测激光光路，激发激光光路 和探测激光光路均包括：聚焦镜、光纤，所述聚焦镜将激光发生器输出的激光聚焦到光纤， 由光纤将聚焦的激光传输并照射到氧含量待测样品上。
在更优的技术方案中，所述光声信号采集系统包括高频超声阵列换能器、信号放大器和 多通道数据采集卡；所述高频超声阵列换能器接收氧含量待测样品产生的光声信号，所述信 号放大器对高频超声阵列换能量接收的光声信号进行放大处理，所述多通道数据采集卡对放 大的光声信号进行采集并发送给交互控制系统。
在更优的技术方案中，所述光声信号采集系统还包括数字示波器，用于对放大的光声信 号进行显示。
一种快速氧分压检测方法，采用上述任一技术方案所述的基于光声成像的快速氧分压检 测系统，包括以下步骤：
交互控制系统控制激光发生系统重复产生激发激光脉冲和探测激光脉冲，每次产生的探 测激光脉冲相对于激发激光脉冲的时间延迟，分布在-100到400us的时间延迟区间内；
交互控制系统记录每个时间延迟对应的光声信号；
交互控制系统控制激光发生系统仅产生探测激光脉冲，将对应的光声信号作为参考信号 并记录；
交互控制系统将每个时间延迟对应的光声信号减去参考信号，得到氧含量待测样品在每 个时间延迟的瞬态吸收对光声信号的贡献值；
以时间延迟为横坐标、氧含量待测样品的瞬态吸收对光声信号的贡献值为纵坐标，根据 氧含量待测样品在每个时间延迟的瞬态吸收对光声信号的贡献值建立磷光衰减曲线，并根据 磷光衰减曲线确定氧含量待测样品的磷光寿命；
基于磷光寿命与氧含量之间关系的先验知识，计算氧含量待测样品的氧气浓度。
在更优的技术方案中，所有时间延迟平均分布在-100到400us的时间延迟区间内。
在更优的技术方案中，使用两个激光能量检测分别检测两个激光发生器输出的激光能量， 并输出给交互控制系统，由交互控制系统根据激光发生器输出的激光能量对光声信号进行补 偿。
有益效果
本发明不仅可以实现对不同磷光衰减时间点上的数据的连续采集，而且能对磷光激发- 检测定量与激光脉冲能量关系的研究构建校准曲线，并结合对激光器的每次激光发射脉冲能 量的测量来校准激光器脉冲能量抖动对定量的影响，以极大的减少数据平均次数，提高测量 效率。本发明快速氧分压检测系统及方法对组织氧含量成像速度有望提高到1Hz以上，实现 对组织氧含量的快速检测。
附图说明
图1是本申请实施例1所述快速氧分压检测系统的结构示意图；
图2是本申请实施例1所述实验实例中氧含量待测样品流动循环系统示意图。
其中，1为交互控制系统，2为FPGA芯片，3为脉冲激光器，4为OPO波长可调谐激光器，5为激光能量检测器，6为分光镜，7为聚焦镜，8为光纤，9为循环染料管，10为高频 超声阵列换能器，11为水槽，12为40dB放大器，13为数字示波器，14为多通道数据采集卡， 16为蠕动泵，17为气体交换腔，18为通气管。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了 详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。
实施例1
本实施例提供一种基于光声成像的快速氧分压检测系统，包括：激光发生系统、协调激 励系统、光路系统、光声信号采集系统和交互控制系统；所述激光发生系统包括两个激光发 生器，分别由交互控制系统控制产生激发激光脉冲和探测激光脉冲，激发激光和探测激光均 通过所述光路系统照射到氧含量待测样品上；所述光声信号检测系统采集并检测氧含量待测 样品的光声信号并输出给交互控制系统；所述交互控制系统根据接收到的光声信号，基于磷 光寿命与氧含量之间关系的先验知识计算氧含量待测样品的氧气浓度。
其中，产生激发激光脉冲的激光发生器，记其为第一激光发生器，采用OPO多波长脉冲 激光器，用于产生高频率、高能量和不同波长的脉冲激光，本实施例中设置其输出波长为 532nm。产生探测激光脉冲的激光发生器，记其为第二激光发生器，采用OPO多波长脉冲激 光器，用于产生高频率、高能量和不同波长的脉冲激光，本实施例中设置其输出波长为740nm。
所述协调激励系统包括FPGA、两个分光镜和两个激光能量检测器；所述交互控制系统 经由协调激励系统的FPGA控制第一和第二激光发生器产生激光脉冲的时间延迟；所述两个 分光镜分别设置于两个激光发生器的输出光路上，且每个分光镜通过第一输出分路将激光发 生器的部分激光照射到对应的一个激光能量检测器；所述激光能量检测器从FPGA接收触发 检测信号，并检测激光发生器输出激光的能量并反馈给交互控制系统。
所述光路系统包括激发激光光路和探测激光光路，分别设置于两个分光镜的第二输出分 路上，激发激光光路和探测激光光路均包括：聚焦镜、光纤，通过聚焦镜将分光镜第二输出 分路上的激光聚焦到光纤，并通过光纤将聚焦的激光传输并照射到氧含量待测样品上。
所述光声信号采集系统包括高频超声阵列换能器、信号放大器、多通道数据采集卡和数 字示波器；所述高频超声阵列换能器接收氧含量待测样品产生的光声信号，所述信号放大器 对高频超声阵列换能量接收的光声信号进行放大处理，所述多通道数据采集卡对放大的光声 信号进行采集并发送给交互控制系统，另外数字示波器对放大的光声信号进行显示。
其中，高频超声阵列换能器位于模块内，模块向内凹陷呈现圆弧形，将氧含量待测样品 置于其中，使氧含量待测样品产生的光声信号能更好地被模块内的高频超声阵列换能器接收。 高频超声阵列换能器的外层通过BNC同轴电缆与40dB放大器(Panametrics5072PR)相连。
本实施例通过FPGA控制第一和第二激光发生器分别产生激发激光脉冲和探测激光脉冲 的定时，使激发激光脉冲和探测激光脉冲之间的精确时间延迟在-100到400us范围内。同时， FPGA芯片给激光能量检测器提供一个脉冲能量检测触发信号，触发激光能量检测器采集分 光器第一输出分路上的激光。激光能量检测器将采集到的激光信号转换为电信号，电信号经 电荷积分器得到与输入激光脉冲能量成正比的电压信号，从而完成能量的测量。
所述交互控制系统由计算机和基于LabVIEW编写的控制程序组成，激光能量检测器将 检测到的激光脉冲能量信号传输到计算机上，并通过软件进行实时显示同时将协调激励命令 返回到FPGA芯片。计算机在得到激光检测器发送的激光脉冲能量信号后，评估激光脉冲能 量的波动情况，并结合激光脉冲能量与光声信号的关系对交声信号的成像数据进行强度补偿， 以减少激光脉冲能量波动对成像结果的影响，加快成像速度。而且，通过对两个激光发生器 每次发射激光脉冲的能量测量，来校准激光发生器脉冲能量抖动对定量的影响，从而极大地 减少用于求平均值的多个相同时间延迟的测量次数，提高测量效率。
第一激光发生器产生的激发激光脉冲经激发激光光路照射到氧含量待测样品上，第二激 光发生器产生的探测激光脉冲经探测激光光路照射到氧含量待测样品上，且激发激光脉冲和 探测激光脉冲指向氧含量待测样品的一段重叠部分。氧含量待测样品经激发和探测激光照射 后，其中的氧分子经过一系列的光物理和光化学反应，产生光声信号。其中与时间相关的光 声信号则采用高频超声阵列换能器10聚焦在光束重叠位置进行检测。
由于激光器重复发射激光脉冲的时间间隔均大于10ms，而磷光衰减曲线的测量需要在不 同时间点以us级别的时间分辨力进行30～50次光声信号采集，因此现有技术无法通过单次 磷光激发后连续多次测量其衰减曲线。本发明通过重复多次产生激发激光脉冲和探测激光脉 冲，每次产生的探测激光脉冲相对于激发激光脉冲的时间延迟，分布在-100到400us的时间 延迟区间内，从而得到多个时间延迟对应的光声信号，将其视为同一次磷光激发后在多个时 间点(时间分辨力为us级别)的光声信号，即可用于构建磷光衰减曲线，以进一步利用磷光 寿命与氧含量之间关系的先验知识，计算氧含量待测样品的氧气浓度。
在具体实例中，首先将PtOEP(八乙基卟吩铂)溶解在聚苯乙烯中配置浓度为1mL的原 液，再将其溶解在甲苯中，然后用乙醇稀释，制备100uM磷光染料溶液，最后将磷光染料溶 液作为本实施例所述的氧含量待测样品，使用本实施例的基于光声成像的快速氧分压检测系 统对该磷光染料溶液的氧含量进行检测。其中，PtOEP的激发态具有固有的较长的寿命(聚苯 乙烯介质中为91us)，但在氧存在时，由于分子间碰撞导致能量转移到氧分子上，使其寿命 降低。因此，测量磷光寿命就能得到氧气浓度的测量值。如图2所示，一个密封的气体交换 腔17，用于控制磷光染料中溶解氧的水平，通过通气管18向其中鼓泡氮气或空气，分别用 于低氧浓度和高氧浓度。蠕动泵16(MasterFlex 7524-00,Cole-Parmer)将气体交换腔17的磷光 染料输送到循环塑料管9用于样品检测。
本实验实例测量了一组激发-探测时间延迟在0到100us范围内的光声响应。这组测量是 在120分钟的N2鼓泡(低氧状态)和10分钟的空气鼓泡(高氧状态)后重复的。每个氧态 还记录了一个没有激发脉冲的参考信号，该参考信号对应于探针波长740nm处的基态常数吸 收。在不同的延迟下，从测量的光声信号中减去参考信号，以提取瞬态吸收对光声信号的贡 献，得到每个氧态下光敏剂的磷光寿命，最终可通过计算得到对应氧态下的氧气浓度测量值。
综上所述，本发明不仅可以实现对不同磷光衰减时间点上的数据的连续采集，而且能对 磷光激发-检测定量与激光脉冲能量关系的研究构建校准曲线，并结合对激光器的每次激光发 射脉冲能量的测量来校准激光器脉冲能量抖动对定量的影响，以极大的减少数据平均次数， 提高测量效率。本发明快速氧分压检测系统及方法对组织氧含量成像速度有望提高到1Hz以 上，实现对组织氧含量的快速检测。
实施例2
本实施例提供一种快速氧分压检测方法，采用实施例1所述的基于光声成像的快速氧分 压检测系统，包括以下步骤：
交互控制系统控制激光发生系统重复产生激发激光脉冲和探测激光脉冲，所有产生的探 测激光脉冲相对于激发激光脉冲的时间延迟，平均分布在-100到400us的时间延迟区间内， 每次时间延迟的时间分辨率为us级别；
交互控制系统记录每个时间延迟对应的光声信号；
交互控制系统控制激光发生系统仅产生探测激光脉冲，将对应的光声信号作为参考信号 并记录；
交互控制系统将每个时间延迟对应的光声信号减去参考信号，得到氧含量待测样品在每 个时间延迟的瞬态吸收对光声信号的贡献值；
以时间延迟为横坐标、氧含量待测样品的瞬态吸收对光声信号的贡献值为纵坐标，根据 氧含量待测样品在每个时间延迟的瞬态吸收对光声信号的贡献值建立磷光衰减曲线，并根据 磷光衰减曲线确定氧含量待测样品的磷光寿命；
基于磷光寿命与氧含量之间关系的先验知识，计算氧含量待测样品的氧气浓度。
本实施例的快速氧分压检测方法，其工作原理及技术效果与实施例1所述的快速氧分压 检测系统相同，此处不再重复。
以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种 变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保 护的范围之内。

Claims (9)

1.一种基于光声成像的快速氧分压检测系统，其特征在于，包括：激光发生系统、光路系统、光声信号采集系统和交互控制系统；所述激光发生系统包括两个激光发生器，分别由交互控制系统控制产生激发激光脉冲和探测激光脉冲，激发激光和探测激光均通过所述光路系统照射到氧含量待测样品上；所述光声信号检测系统采集并检测氧含量待测样品的光声信号并输出给交互控制系统；所述交互控制系统根据接收到的光声信号，基于磷光寿命与氧含量之间关系的先验知识计算氧含量待测样品的氧气浓度。
2.根据权利要求1所述的一种基于光声成像的快速氧分压检测系统，其特征在于，还包括协调激励系统，所述交互控制系统经由协调激励系统控制激光发生系统产生激光脉冲的时间延迟；所述协调激励系统包括FPGA、两个分光镜和两个激光能量检测器；所述两个分光镜分别设置于两个激光发生器的输出光路上，且每个分光镜将激光发生器的部分激光照射到对应的一个激光能量检测器；所述激光能量检测器从FPGA接收触发检测信号，并检测激光发生器输出激光的能量并反馈给交互控制系统。
3.根据权利要求1所述的一种基于光声成像的快速氧分压检测系统，其特征在于，产生激发激光脉冲的激光发生器的输出波长为532nm，产生探测激光脉冲的激光发生器的输出波长为740nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于光声成像的快速氧分压检测系统，其特征在于，所述光路系统包括激发激光光路和探测激光光路，激发激光光路和探测激光光路均包括：聚焦镜、光纤，所述聚焦镜将激光发生器输出的激光聚焦到光纤，由光纤将聚焦的激光传输并照射到氧含量待测样品上。
5.根据权利要求1所述的一种基于光声成像的快速氧分压检测系统，其特征在于，所述光声信号采集系统包括高频超声阵列换能器、信号放大器和多通道数据采集卡；所述高频超声阵列换能器接收氧含量待测样品产生的光声信号，所述信号放大器对高频超声阵列换能量接收的光声信号进行放大处理，所述多通道数据采集卡对放大的光声信号进行采集并发送给交互控制系统。
6.根据权利要求5所述的一种基于光声成像的快速氧分压检测系统，其特征在于，所述光声信号采集系统还包括数字示波器，用于对放大的光声信号进行显示。
7.一种快速氧分压检测方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一所述的基于光声成像的快速氧分压检测系统，包括以下步骤：
交互控制系统控制激光发生系统重复产生激发激光脉冲和探测激光脉冲，每次产生的探测激光脉冲相对于激发激光脉冲的时间延迟，分布在-100到400us的时间延迟区间内；
交互控制系统记录每个时间延迟对应的光声信号；
交互控制系统控制激光发生系统仅产生探测激光脉冲，将对应的光声信号作为参考信号并记录；
交互控制系统将每个时间延迟对应的光声信号减去参考信号，得到氧含量待测样品在每个时间延迟的瞬态吸收对光声信号的贡献值；
以时间延迟为横坐标、氧含量待测样品的瞬态吸收对光声信号的贡献值为纵坐标，根据氧含量待测样品在每个时间延迟的瞬态吸收对光声信号的贡献值建立磷光衰减曲线，并根据磷光衰减曲线确定氧含量待测样品的磷光寿命；
基于磷光寿命与氧含量之间关系的先验知识，计算氧含量待测样品的氧气浓度。
8.根据权利要求7所述的一种快速氧分压检测方法，其特征在于，所有时间延迟平均分布在-100到400us的时间延迟区间内。
9.根据权利要求7所述的一种快速氧分压检测方法，其特征在于，使用两个激光能量检测分别检测两个激光发生器输出的激光能量，并输出给交互控制系统，由交互控制系统根据激光发生器输出的激光能量对光声信号进行补偿。
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