CN113349769A - 一种光声显微内窥成像系统 - Google Patents

一种光声显微内窥成像系统 Download PDF

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王飞龙
王康
陶玲
钱志余
徐昊星
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Abstract

本发明公开了一种光声显微内窥成像系统，包括：双波长调制装置、显微内窥成像装置和PC上位机；双波长调制装置用于产生第一激发光和第二激发光，显微内窥成像装置用于光声信号的激发和探测，PC上位机用于图像的重建。本发明用以微型化光声扫描探头，提高光声成像对比度、分辨率。

Description

一种光声显微内窥成像系统
技术领域
本发明涉及医学成像技术领域，尤其是一种光声显微内窥成像系统。
背景技术
光声效应是指物体受到强度周期性变化的光照后，因物体内部周期性的温度变化导致热胀冷缩，从而产生超声波的现象。光声成像作为一种新型的生物医学光学成像技术，应用前景明朗。针对于不同应用场景，已开发出多种光声成像系统。血氧饱和度是血液中氧合血红蛋白的容量占全部可与氧结合的血红蛋白容量的百分比，它既是估计血红蛋白携氧能力的重要指标，也是呼吸循环的重要生理参数。
由于生物组织对超声的散射效应比对光子的散射弱2～3个数量级，因此超声成像可以实现深层生物组织的高分辨率成像，但其成像分辨率和对比度较光学成像差。现有光声成像系统多为基于单根光纤扫描的系统，其扫描机制在光纤的末端，由于现阶段科学技术的限制，单根光纤扫描机制尾端尺寸难以做的很小，并且有较长尺寸部分不能弯曲，这一特点限制了其使用范围。为了获得显微内窥的高分辨率图像，成像视野、成像景深和成像对象的微小位移都会影响成像质量。因此，在进行血氧饱和度测量时，必须要实现高脉冲重复率、短波长切换时间和足够脉冲能量的多波长脉冲激光源，以克服位移的影响。目前测量血氧的光声成像系统，其多波长脉冲激光源大多数通过手动控制或上位机程序来切换波长，从而导致波长切换时间就大大增加，无法获得较为完善的血氧饱和度信息。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种光声显微内窥成像系统，用以微型化光声扫描探头，提高光声成像对比度、分辨率。
为解决上述技术问题，本发明提供一种光声显微内窥成像系统，包括：双波长调制装置、显微内窥成像装置和PC上位机；双波长调制装置用于产生第一激发光和第二激发光，显微内窥成像装置用于光声信号的激发和探测，PC上位机用于图像的重建。
优选的，双波长调制装置包括532nm脉冲激光器、第一半波片、偏振分数棱镜、第二半波片、第一光纤耦合器、5m保偏光纤、第二光纤耦合器、第一滤波片、第一中性密度滤光片、第一平面镜、第三半波片、第三光纤耦合器、50m单模光纤、第四光纤耦合器、第二滤波片、第二中性密度滤光片、第二平面镜和二向色镜；532nm脉冲激光器输出脉冲光束经第一半波片和偏振分数棱镜后将光束分成两路，通过调节第一半波片旋转角度可实现两路光束的能量比例控制；其中一条光束穿过第二半波片到第一光纤耦合器，532nm脉冲激光通过第一光纤耦合器进入5m保偏光纤，然后传出第二光纤耦合器，其中532nm脉冲激光在5m保偏光纤中发生受激拉曼散射效应，532nm脉冲光发生波长变换，产生545nm和558nm脉冲激光，该混合光束穿过第一滤光片后仅保留558nm波长脉冲光，穿过第一中性密度滤光片进行光束能量衰减，然后照射至二向色镜；
经过偏振分数棱镜的另一条光束被第一平面镜反射至第三半波片，然后进入第三光纤耦合器，该光束穿过50m单模光纤至第四光纤耦合器，其中532nm脉冲光束在50m单模光纤中发生受激拉曼散射效应，532nm脉冲光发生波长变换，产生545nm波长脉冲激光，该混合光束穿过第二滤波片后仅保留532nm波长脉冲光，然后穿过第二中性密度滤光片进行能量衰减，由第二平面镜垂直反射至二向色镜，二向色镜将558nm脉冲光和532nm脉冲光合并送入显微内窥成像装置。
优选的，532nm波长光在时间上延迟558nm波长光222ns，最高达2MHz的激光脉冲频率。
优选的，显微内窥成像装置包括空间滤波系统、二维扫描振镜、4F系统、第三物镜和光纤探头；空间滤波系统包括第一物镜、针孔和第二物镜，第一物镜和第二物镜的前焦面重合，针孔位于焦面处，用于阻挡合束光以外的杂散光，并将合束光传输至二维扫描振镜；所述二维扫描振镜用于对光束进行二维点扫描，并将扫描光束传输至4F系统；所述4F系统包括扫描透镜和管镜，用于完成激光束的扩束，并将激光耦合进第三物镜；所述第三物镜用于将激光束耦合进光纤探头；所述光纤探头用于将激光传输至被测样品，产生光声信号并进行探测。
优选的，光纤探头包括光纤束、微小透镜、GRIN Lens透镜和环形超声换能器，所述光纤束用于将激光传输至被测样品近端，并将激光耦合进微小透镜；所述微小透镜用于将激光传输至GRIN Lens透镜；所述GRIN Lens透镜用于进一步压缩光斑，将压缩后的激光传输至被测样品，产生光声信号；所述环形超声换能器用于探测产生的光声信号。
本发明的有益效果为：本发明基于光纤束使得系统扫描机制在光纤束的近端，靠近光学系统的主体，克服现有光声探头由于扫描机制的限制导致扫描探头的远端很难实现较小的物理尺寸且有较长尺寸部分不能弯曲的缺点，利于构建不受腔体尺寸限制的小型化光声显微内窥成像系统；利用GRIN Lens透镜进一步压缩光斑和聚焦点，提高光声成像的空间分辨率和成像质量；在单激发波长脉冲光光源的前提下，利用脉冲激光在单模光纤中的受激拉曼散射效应，产生多种不同波长脉冲激光，有效克服现有测量血氧光声成像系统由于波长切换时间长导致的无法获得较为完善的血氧饱和度信息的缺点。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明的光纤探头结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种光声显微内窥成像系统，包括：双波长调制装置、显微内窥成像装置和PC上位机。双波长调制装置用于产生第一激发光和第二激发光，显微内窥成像装置用于光声信号的激发和探测，PC上位机用于图像的重建。
双波长调制装置包括532nm脉冲激光器1、第一半波片2、偏振分数棱镜3、第二半波片4、第一光纤耦合器5、5m保偏光纤6、第二光纤耦合器7、第一滤波片8、第一中性密度滤光片9、第一平面镜10、第三半波片11、第三光纤耦合器12、50m单模光纤13、第四光纤耦合器14、第二滤波片15、第二中性密度滤光片16、第二平面镜17、二向色镜18。532nm脉冲激光器1输出脉冲光束经第一半波片2和偏振分数棱镜3后将光束分成两路，通过调节第一半波片2旋转角度可实现两路光束的能量比例控制。其中一条光束穿过第二半波片4到第一光纤耦合器5，532nm脉冲激光通过第一光纤耦合器5进入5m保偏光纤6，然后传出第二光纤耦合器7，其中532nm脉冲激光在5m保偏光纤中6发生受激拉曼散射效应，532nm脉冲光发生波长变换，产生545nm和558nm脉冲激光，该混合光束穿过第一滤光片8后仅保留558nm波长脉冲光，穿过第一中性密度滤光片9进行光束能量衰减，然后照射至二向色镜18。
经过偏振分数棱镜3的另一条光束被第一平面镜10反射至第三半波片11，然后进入第三光纤耦合器12，该光束穿过50m单模光纤13至第四光纤耦合器，其中532nm脉冲光束在50m单模光纤13中发生受激拉曼散射效应，532nm脉冲光发生波长变换，产生545nm波长脉冲激光，该混合光束穿过第二滤波片15后仅保留532nm波长脉冲光，然后穿过第二中性密度滤光片16进行能量衰减，由第二平面镜17垂直反射至二向色镜18，二向色镜18将558nm脉冲光和532nm脉冲光合并送入显微内窥成像装置。其中532nm波长光在时间上延迟558nm波长光222ns，最高可达2MHz的激光脉冲频率。
显微内窥成像装置包括空间滤波系统、二维扫描振镜22、4F系统、第三物镜25、光纤探头26。
空间滤波系统包括第一物镜19、针孔20和第二物镜21，第一物镜和第二物镜的前焦面重合，针孔位于焦面处，用于阻挡合束光以外的杂散光，提高成像对比度和分辨率，并将合束光传输至二维扫描振镜22；二维扫描振镜22用于对光束进行二维点扫描，并将扫描光束传输至4F系统；4F系统包括扫描透镜23和管镜24，用于完成激光束的扩束，并将激光耦合进第三物镜25；第三物镜25用于将激光束耦合进光纤探头26；二维扫描振镜22、4F系统、第三物镜25把激光逐点耦合进光纤里，实现点对点的扫描成像；光纤探头26用于将激光传输至被测样品，产生光声信号并进行探测。
如图2所示，光纤探头包括光纤束27、微小透镜28、GRIN Lens透镜29和环形超声换能器30，光纤束27包含30000根光纤，用于将激光传输至被测样品近端，并将激光耦合进微小透镜28，同时，光纤束里的每根光纤在系统中也起到点光源的作用；微小透镜28用于将激光传输至GRIN Lens透镜29；所述GRIN Lens透镜29用于进一步压缩光斑，将压缩后的激光传输至被测样品，产生光声信号；所述环形超声换能器30用于探测产生的光声信号。

Claims (5)

1.一种光声显微内窥成像系统，其特征在于，包括：双波长调制装置、显微内窥成像装置和PC上位机；双波长调制装置用于产生第一激发光和第二激发光，显微内窥成像装置用于光声信号的激发和探测，PC上位机用于图像的重建。
2.如权利要求1所述的光声显微内窥成像系统，其特征在于，双波长调制装置包括532nm脉冲激光器、第一半波片、偏振分数棱镜、第二半波片、第一光纤耦合器、5m保偏光纤、第二光纤耦合器、第一滤波片、第一中性密度滤光片、第一平面镜、第三半波片、第三光纤耦合器、50m单模光纤、第四光纤耦合器、第二滤波片、第二中性密度滤光片、第二平面镜和二向色镜；532nm脉冲激光器输出脉冲光束经第一半波片和偏振分数棱镜后将光束分成两路，通过调节第一半波片旋转角度可实现两路光束的能量比例控制；其中一条光束穿过第二半波片到第一光纤耦合器，532nm脉冲激光通过第一光纤耦合器进入5m保偏光纤，然后传出第二光纤耦合器，其中532nm脉冲激光在5m保偏光纤中发生受激拉曼散射效应，532nm脉冲光发生波长变换，产生545nm和558nm脉冲激光，该混合光束穿过第一滤光片后仅保留558nm波长脉冲光，穿过第一中性密度滤光片进行光束能量衰减，然后照射至二向色镜；
经过偏振分数棱镜的另一条光束被第一平面镜反射至第三半波片，然后进入第三光纤耦合器，该光束穿过50m单模光纤至第四光纤耦合器，其中532nm脉冲光束在50m单模光纤中发生受激拉曼散射效应，532nm脉冲光发生波长变换，产生545nm波长脉冲激光，该混合光束穿过第二滤波片后仅保留532nm波长脉冲光，然后穿过第二中性密度滤光片进行能量衰减，由第二平面镜垂直反射至二向色镜，二向色镜将558nm脉冲光和532nm脉冲光合并送入显微内窥成像装置。
3.如权利要求2所述的光声显微内窥成像系统，其特征在于，532nm波长光在时间上延迟558nm波长光222ns，最高达2MHz的激光脉冲频率。
4.如权利要求1所述的光声显微内窥成像系统，其特征在于，显微内窥成像装置包括空间滤波系统、二维扫描振镜、4F系统、第三物镜和光纤探头；空间滤波系统包括第一物镜、针孔和第二物镜，第一物镜和第二物镜的前焦面重合，针孔位于焦面处，用于阻挡合束光以外的杂散光，并将合束光传输至二维扫描振镜；所述二维扫描振镜用于对光束进行二维点扫描，并将扫描光束传输至4F系统；所述4F系统包括扫描透镜和管镜，用于完成激光束的扩束，并将激光耦合进第三物镜；所述第三物镜用于将激光束耦合进光纤探头；所述光纤探头用于将激光传输至被测样品，产生光声信号并进行探测。
5.如权利要求4所述的光声显微内窥成像系统，其特征在于，光纤探头包括光纤束、微小透镜、GRIN Lens透镜和环形超声换能器，所述光纤束用于将激光传输至被测样品近端，并将激光耦合进微小透镜；所述微小透镜用于将激光传输至GRIN Lens透镜；所述GRINLens透镜用于进一步压缩光斑，将压缩后的激光传输至被测样品，产生光声信号；所述环形超声换能器用于探测产生的光声信号。
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