CN113654993B - 共轴式轴向调制高分辨光声显微成像方法及成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了共轴式轴向调制高分辨光声显微成像方法及成像系统，属于显微成像领域，具体的搭建了一套完整的共轴式轴向调制高分辨光声显微成像系统，避免了正交式轴向结构光调制光声信号方案中轴向分辨率较差的问题。同时本发明还提供了一套轴向调制光声信号方法，通过将轴向结构光调制原理与超声探测相结合，打破了PAM系统轴向分辨率受限于超声探头探测带宽的限制，获取了轴向高分辨的PAM系统成像结果，同时避免了现有提高PAM系统轴向分辨率存在光损伤的弊端。在轴向调制光声信号方法中基于双环缝法提供了一种共轴式轴向结构光实现方案，通过改变输入光场，便可轻松获得具有不同初始相位差环缝掩膜版在透镜后焦面附近的三维光场分布，计算简单。
Description
技术领域
本发明涉及显微成像领域，尤其涉及一种共轴式轴向调制高分辨光声显微成像方法及成像系统。
背景技术
微循环系统是血液与组织液进行物质交换的关键场所，其结构和功能的维持是组织正常工作的必要条件。微循环系统障碍往往会影响血液流速或者形成血栓，导致局部组织缺血甚至坏死，引起一系列临床症状。目前已发展了多种成像技术用于对血管网络进行成像。但这些技术无法同时满足微循环系统的成像需求。光声显微成像(PhotoacousticMicroscopy，PAM)以其高光学吸收对比度和高声学穿透深度，成像深度和分辨率可调，可进行功能成像的优势，更加适用于微循环系统结构和功能的观测。
在PAM中，系统横向分辨率由激发的光焦点决定，往往可达亚微米量级。轴向分辨率主要由探测超声换能器的带宽决定，往往难以优于10微米，导致 PAM系统中横向分辨率与轴向分辨率无法达到相近水平，三维成像的结果往往是各向异性的，无法反映生物组织的真实结构。针对此问题，近年有一种运用结构光重建算法来进行轴向调制的方法，可以对PAM系统的轴向分辨率进行了提升。
具体地，是通过将激光束入射至液晶空间光调制器(Spatial Light Modulator,SLM)、柱透镜后产生线结构光，当超声探头(Ultrasound Transducer,UST)和物镜处于共焦正交的耦合模式时，对光声信号进行结构光调制。但该方法仍存在技术缺陷。首先，虽然该系统能提升轴向分辨率，但这种正交共焦系统，系统的横向分辨率由物镜的轴向分辨率和UST的横向分辨率共同决定，使系统横向分辨率恶化，无法获得三维高空间分辨率的成像结果。其次，该系统仅可对处于物镜焦平面上的样本进行调制，对于偏离物镜聚焦平面的样本，结构光调制效果会随着结构光的离焦而急剧下降。
发明内容
本申请实施例通过提供一种共轴式轴向调制高分辨光声显微成像系统和方法，解决了现有技术中系统的横向分辨率急剧下降，实现了在保留横向分辨率的基础上，提升系统的轴向分辨率。
本申请实施例提供了一种共轴式轴向调制高分辨光声显微成像系统，所述光声显微成像系统包括：
激光发生器，用于发射激光束；
结构光束产生模块，包括物镜，所述结构光束产生模块用于通过激光束产生沿物镜的光轴方向的结构光束；
光声信号产生模块，用于通过结构光束对样品进行激发，产生光声信号；
光声信号接收模块，包括用于接收所述光声信号的超声探头，所述超声探头的探测声轴和所述物镜的光轴方向保持共轴；
信号处理模块，用于根据接收到的所述光声信号进行图像重建。
进一步地，所述结构光束产生模块，还包括：
前处理子模块，用于将所述激光光束进行相位调制，
空间光调制器，用于加载双圆环相位图；
后处理子模块，用于对所述空间光调制器的出射光束进行汇聚和过滤，
所述激光光束经过前处理子模块垂直照射在空间光调制器，所述空间光调制器的出射光束依次经过后处理子模块和所述物镜，在所述物镜的后焦面附近产生沿所述物镜光轴方向传播的结构光束。
进一步地，所述光声显微成像系统还包括扩束滤波模块，所述扩束滤波模块包括第三透镜和第四透镜组成的扩束器以及置于所述扩束器中间的针孔。
进一步地，所述光声显微成像系统还包括检测校准模块，所述检测校准模块包括光分束器和光电探测器。
进一步地，信号处理模块包括放大器、采集卡和工作站，所述光声信号经过放大器放大和采集卡数据采集，传输至工作站采用重建算法进行图像重建。
本申请实施例提供了一种共轴式轴向调制高分辨光声显微成像，所述方法包括：
提供一激光束；
通过所述激光束产生沿物镜光轴方向的结构光束；
通过所述结构光束对样品进行激发，产生光声信号；
通过超声探头对光声信号进行接收，所述超声探头的探测声轴和结构光束的入射光轴保持共轴共焦；
根据接收到的所述光声信号进行图像重建。
进一步地，通过所述激光束产生沿物镜光轴方向的结构光束包括：
所述激光束经过相位调制后垂直照射在空间光调制器上，所述空间光调制器上加载双圆环相位图；
所述空间光调制器的出射光束经过汇聚和过滤，在所述物镜的后焦面附近产生沿所述物镜光轴方向传播的结构光束。
进一步地，所述结构光束的场强分布为：
其中，
式中rbin、rbout、rbm、△rb及rain、raout、ram、△ra分别为外环和内环的内半径、外半径、中心半径及环缝宽度。
进一步地，所述结构光束的轴向总光强为：
当初相位差
α-β＝2π时，轴向周期为：
进一步地，所述双圆环相位图中内外环的环宽：
式中drb为内外环的环宽、ram为内环中心半径、m为外环中心半径rbm与内环中心半径ram的比值。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1、搭建了一套完整的共轴式轴向调制高分辨光声显微成像系统，避免了正交式轴向结构光调制光声信号方案中轴向分辨率较差的问题。
2、提供了一套共轴式轴向调制高分辨光声显微成像方法，轴向调制光声信号方法，通过将轴向结构光调制原理与超声探测相结合，打破了PAM系统轴向分辨率受限于超声探头探测带宽的限制，获取了轴向高分辨的PAM系统成像结果，同时避免了现有提高PAM系统轴向分辨率存在光损伤的弊端。
3、基于双环缝法提供了一种共轴式轴向结构光实现方案，通过改变输入光场，便可轻松获得具有不同初始相位差环缝掩膜版在透镜后焦面附近的三维光场分布，计算简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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为本发明的共轴式轴向调制高分辨光声显微成像系统的示意图；
图2为液晶SLM上相位图的获取方法；
图3为结构光调制提升PAM系统轴向分辨率的原理；
图4为单环缝光束经透镜进行汇聚的物理模型；
图5为本发明所产生轴向结构光束的仿真结果图；
图6为物镜后瞳处不同频率与圆环参数的对应关系；
图7为重建算法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图1为本发明的共轴式轴向调制高分辨光声显微成像系统的示意图。如图1(a)所示，本发明的一种共轴式轴向调制高分辨光声显微成像系统，包括：
激光发生器1，用于发射激光束；
结构光束产生模块，包括物镜16，所述结构光束产生模块用于通过激光束产生沿物镜16的光轴方向的结构光束；
光声信号产生模块，用于通过结构光束对样品18进行激发，产生光声信号；
光声信号接收模块，包括用于接收所述光声信号的超声探头20，所述超声探头20的探测声轴和所述物镜16的光轴方向保持共轴共焦；
信号处理模块，用于根据接收到的所述光声信号进行图像重建。
现有技术中，结构光由SLM投影产生，结合柱透镜，在物镜焦平面上获得了轴向结构光，故为探测到结构光调制后的光声信号，该系统中UST需与物镜光轴方向保持正交。由于PAM系统横向分辨率取决于光焦点与声焦点中较小的一个。正交系统是在物镜焦平面上获得轴向结构光，其在横向聚集的光斑大，从而使得正交系统的横向分辨率急剧恶化。
而本申请通过沿物镜光轴方向的结构光激发光声信号，利用共轴共焦的 UST接收信号，组成共轴式轴向调制高分辨光声显微成像系统，共轴系统可保证光束在横向聚集很小的激发光斑，避免了正交系统中横向分辨率差的缺点。对于激发光斑大的轴向而言，由于沿轴向采用了结构光调制，结合重建算法，便可在保留系统横向分辨率的基础上，提升系统的轴向分辨率。
具体地，所述结构光束产生模块，还包括：
前处理子模块，用于将所述激光光束进行相位调制，
空间光调制器10，用于加载双圆环相位图；
后处理子模块，用于对所述空间光调制器10的出射光束进行汇聚和过滤，
所述激光光束经过前处理子模块垂直照射在空间光调制器10，所述空间光调制器10的出射光束依次经过后处理子模块和所述物镜16，在所述物镜16 的后焦面附近产生沿所述物镜16光轴方向传播的结构光束。
利用空间光调制器10在物镜后瞳处产生双圆环平行光束，基于双圆环干涉，在物镜后焦面附近沿物镜光轴方向产生一系列不同频率的轴向无衍射调制光束。
示例性地，前处理子模块包括依次布置的半波片7、偏振分束器8和四分之一波片9。后处理子模块包括依次布置的第一透镜12、孔径光阑13和第二透镜14。前处理子模块和后处理子模块也可以是能够取得对应效果的其他透镜组合。
扩束之后的光束经半波片7，偏振分束器8和四分之一波片9后垂直照射在空间光调制器10上。当加载双圆环相位图至空间光调制器10上时，由于空间光调制器10的栅格结构，出射光束会出现高级衍射，当被透镜12汇聚后，在L3的焦平面会出现多个衍射级，包括未被调制的衍射零级、衍射一级和其他高阶。通过在L3焦平面放置孔径光阑13，使具有较高衍射效率的衍射一级向后传播，遮挡其他的衍射级。经过透镜14进行光束准直，得到双圆环光束，之后被物镜16聚焦得到轴向结构光束。
示例性地，光声信号产生模块包括水槽17、支架与三维平移台24，成像时样本18置于对于超声具有高透过率的材料上，贴于水槽底部，水槽17通过支架与三维平移台24相连，通过移动水槽进来带动样本进行扫描成像，实现 3D数据的获取。
示例性地，光声信号接收模块包括声透镜19与超声探头20组成的聚焦型超声换能器。超声探头与物镜处于共轴共焦的耦合位置，共轴以探测受到轴向结构光调制后的光声信号，共焦使PAM系统光声耦合效率最高。
示例性地，信号处理模块包括放大器21、采集卡22、工作站23，所述光声信号经过放大器21放大和采集卡22数据采集，传输至工作站23采用重建算法进行图像重建。
如图1(b)所示，结构光束(Structured Illumination,SI)对水槽17中的样本18进行激发，产生调制后的光声信号。并被声透镜19与超声探头20组成的聚焦型超声换能器接收，随后经过低噪放大器21放大，被采集卡22采集并存储在工作站23中。图1(c)所示为均匀光(Uniform Illumination,UI)激发后的局部放大图。均匀光可通过在SLM上施加单环获得，为正常的贝塞尔光束，对PA信号无调制作用。
工作站23控制着加载在液晶空间光调制器10上的相位图，其获取方式由图2获得。通过在液晶空间光调制器10上依次加载不同空间频率轴向调制光束的相位图，可产生一系列不同频率的轴向SI光束。经过SI调制的光声信号被工作站23进行记录，并由重建算法进行重建。具体的光声显微成像方法见后续方法部分实施例的介绍。
PAM系统的轴向分辨率一般会由UST探测带宽决定，而其分辨率与UST 的探测带宽成反比关系，即UST的带宽越宽，其分辨本领越高。结构光调制提升PAM系统轴向分辨率的原理如图3所示。基于莫尔效应，对于单频率调制的结构光，可将样本的高频信息调制至UST的探测低频段。利用重建算法将高频信息平移至正确位置处的频谱如图3(a)所示，高频信息得以恢复，相当于在现有UST探测频带的基础上进行了展宽。
在一些实施例中，所述光声显微成像系统还包括扩束滤波模块，所述扩束滤波模块包括第三透镜4和第四透镜6组成的扩束器以及置于所述扩束器中间的针孔5。通过由透镜4和透镜6组成的扩束器进行准直扩束，扩束器中间放置针孔5进行空间滤波。
在一些实施例中，所述光声显微成像系统还包括检测校准模块，所述检测校准模块包括光分束器2和光电探测器3。激光器1出射的光经过光分束器2 将激光脉冲分成两束，一束(能量约5％)被光电探测器3获取用于探测激光能量的抖动并用于激光能量的校准。
本发明还包括一种共轴式轴向调制高分辨光声显微成像方法，包括：
S1：提供一激光束；
S2：通过所述激光束产生沿物镜光轴方向的结构光束；
S3：通过所述结构光束对样品进行激发，产生光声信号；
S4：通过超声探头对光声信号进行接收，所述超声探头的探测声轴和结构光束的入射光轴保持共轴共焦；
S5：根据接收到的所述光声信号进行图像重建。
本申请通过沿物镜光轴方向的结构光激发光声信号，利用共轴共焦的UST 接收信号，组成共轴式轴向调制高分辨光声显微成像系统，共轴系统可保证光束在横向聚集很小的激发光斑，避免了正交系统中横向分辨率差的缺点。对于激发光斑大的轴向而言，由于沿轴向采用了结构光调制，结合重建算法，便可在保留系统横向分辨率的基础上，提升系统的轴向分辨率。
具体地，步骤S2通过所述激光束产生沿物镜光轴方向的结构光束，包括：
S21：所述激光束经过相位调制后垂直照射在空间光调制器上，所述空间光调制器上加载双圆环相位图；
S22：所述空间光调制器的出射光束经过汇聚和过滤，在所述物镜的后焦面附近产生沿所述物镜光轴方向传播的结构光束。
双环缝干涉法可易于获得沿物镜轴向传播的一系列不同频率不同相位的结构光场，相位图获取简单，无需复杂光场计算，光路易于搭建。且基于干涉法获得的轴向结构光场，其条纹对比度相较与投影法而言更佳。该方法通过改变输入光场，便可轻松获得具有不同初始相位差环缝掩膜版在透镜后焦面附近的三维光场分布，计算简单。具体原理和推导过程如下：
设置入射场强分布为Ein(x1,y1,0)，出射场强分布为Eout(x2,y2,z)，其之间关系由柯林斯衍射积分法可表示为：
其中程函L(x1,y1,x2,y2,z)为：
其中，x1,y1为入射面坐标，x2,y2,z为出射面坐标，W由能量守恒可求得， W＝-i/λB。入射场到出射场之间的传递矩阵记为
在旋转对称下，化简得：
其中，J0为零阶贝塞尔(Bessel)函数，k为波数，S1为计算区域。在柱坐标下，对于圆对称区域，上述积分会化为一维。为推导平行光经双环缝孔阑后在透镜后焦面附近的三维光场分布，在此首先对较为简单的平行光经单环缝孔阑到达透镜后焦面附近的物理过程进行分析。系统结构如图4所示，透镜前焦面放置一通光半径介于rbin和rbout的单环缝，环缝初始相位为
平行光经该环缝后被焦距为f的透镜进行汇聚。此时系统传递矩阵为：
令r1＝ρ表示光阑面的径向坐标，r2＝r表示透镜后焦面附近△z处的径向坐标，得到输入场：
将输出场Eout(r2,z)记为Eb(r,△z)，则
其中，C1＝-ik exp(ik(f+△z))/f，通过对环缝区域进行积分，便能得到单环缝对应物镜后焦面附近的三维光场分布：
Ib(r,△z)＝(Eb(r,△z))2 (7)
进一步地，在r＝0的情况下，则可求出平行光经该单环缝在透镜后焦面附近沿光轴方向的场强分布为：
其中，
M＝-k△z/(2f2)
相应单环沿轴向的光强分布为：
可发现，轴向焦点附近相邻左右第一个零点之间区域的光强值较大，是光束能量最为集中的区域，记此区域的长度为轴向扩展范围Rz，即
其中，△rb＝rbout-rbin为外环宽度。
进一步，对通光区域半径介于[rain,raout]，[rbin,rbout]的双环缝，则平行光经过该双环缝在透镜后焦面附近的三维光场分布I(r,△z)如下：
I(r,△z)＝[Eb(r,△z)+Ea(r,△z)]2 (11)
其中
式中，Sa为内环对应积分区域，其中
为内环初相位。
双环缝沿轴向的场强分布可化简为：
其中，
式中rbin、rbout、rbm、△rb及rain、raout、ram、△ra分别为外环和内环的内半径、外半径、中心半径及环缝宽度。
轴向总光强为：
当初相位差
α-β＝2π时，轴向周期：
可看出，通过改变双圆环的半径，可以改变轴向光强的周期，进而获得不同频率的轴向结构光束。
由于双环是由内环及外环对应衍射Bessel光束干涉产生的，故双环的轴向扩展范围Rz会由单环轴向扩展范围中的较小值所决定，即
Rz＝min(Rza,Rzb) (16)
用MATLAB软件对上述推导结果进行仿真，得到的结果如图5所示。其中图5(a)为双环在透镜后焦面附近沿yz截面的光强分布；图5(b)(c)分别为此双环的内、外单环在透镜后焦面附近沿yz截面的光强分布；图5(d)为双环与其内外单环沿z轴的光强分布；图5(e)为双环的内外单环沿x轴的光强分布，即光斑大小。可看出，本方法可对不同尺寸单环缝光阑及双环缝光阑在透镜后焦面附近的三维光场分布进行计算，且通过更改输入光场可易于得到多环缝光阑在透镜后焦面附近的光场分布。
由于后续考虑用SLM来等价于虚拟双环缝光阑，获取具有不同尺寸、不同初始相位差的双环缝平行光束，故在此将SLM器件、4f望远系统以及物镜和物镜后焦面附近光束的特征进行关联，从而得到物镜后焦面附近特定频率轴向结构光束与SLM上圆环参数的对应关系。具体地，圆环参数选取的步骤如下：
首先，由前可知，物镜后焦面附近轴向结构光束的空间周期dz、对应时间频率以及其与物镜入瞳处双环形光束内外半径ram，rbm的关系如下。同时，应注意到物镜轴向分辨率需小于轴向结构光束周期，方可能通过该物镜产生该明暗分布的轴向结构光。
式中，vs为介质中声速，本文中所使用物镜匹配液为80％甘油溶液，声速约为 1840m/s，q为正整数，轴向结构光调制频率步长保持与上一节一致，取△f为 32MHz。λ为激发波长，fobj为物镜焦距，rbm与ram分别为物镜入瞳处双环形光束的外环中心与内环中心，robj_axial为物镜轴向分辨率。显然外环半径中心rbm大于内环半径中心ram。
其次，由于双圆环虚拟光阑是通过SLM产生的，故需对SLM本身的器件参数进行考虑。对于本实验而言，所采用SLM像素分辨率为1 920×1 080，像素尺寸为8μm。外环外径应不超过SLM的半高，双环缝的内环外径raout应不与外环内径rbin相重叠，以得到双环。同时，注意到后续结构光系统中，物镜与SLM间存在由双透镜组成的望远系统，放大倍数Mrelay为1.44。此外，从望远系统出射的双环缝光束应可以完整从物镜后瞳处入射，而不被物镜内部孔阑所遮挡，也即物镜入瞳处圆环外环外径rbout应不超过物镜的通光半径rEN，上述过程相应的数学表达式如下：
上述分析对轴向结构光束的轴向特征进行了考虑。横向上，双环缝法产生的轴向结构光束，在横向上由中心光斑与一系列同心圆环组成，为保证物镜可在横向上产生该环形光束，至少应保证单内环对应Bessel光束在焦平面上的横向主瓣可被物镜分辨。在此，以单外环对应的横向主瓣可被物镜分辨为约束条件，即
即
化简上式，可得到：
rbm<0.6275×fobj×NA＝Rb (21)
最后，为保证调制光束沿轴向对比度最优，类似杨氏双缝干涉，面积相等的情况下双缝后的干涉强度最大。由式(14)可知，当两圆环通光面积相同，即
rbmdrb＝ramdra (22)
时，干涉光强具有最大值，为单个环缝对应轴向强度最大值的4倍。此时由式(16)可知，内环与外环所对应的轴向光束范围Rz恰好相同，也即轴向光束的干涉范围相同。定义
rbm＝m×ram (23)
则
dra＝m×drb (24)
显然m>1，结合式(17)和式(21)可化简得：
进一步，可得到如下表达式：
注意
本文所使用物镜NA为1，由此频率总数q≤21。也即在本文实验条件下，采用双环缝干涉法最多只能产生轴向调制频率为672 MHz的轴向结构光束。同时对不同q，可得到相应m的下限，适当增量后便可得到m取值，进而可得到不同频率成ram与rbm。进一步地，将式(25)代入式(18)的第二式化简可得到内外环的环宽
即可得到drb上限，减一个极小量后便可得到外环环宽。由于定义rbmdrb为恒定值，便得到了不同频率对应的内外环参数，该圆环参数对应轴向光束范围 Rz应相同，轴向周期应对应所期望的空间周期。至此得到了物镜后瞳处不同空间频率对应的圆环参数，后需仅需考虑望远系统的放大倍数Mrelay后，便可得到不同频率轴向结构光束对应SLM上的圆环参数。
图6为结构光性能与圆环参数的关系。示例性地，对物镜(XLSLPLN25XGMP NA＝1.0,Olympus)而言，采用上述方法计算得到的其后瞳处的圆环尺寸如图6所示，图6(a)为不同频率对应的圆环参数rbm，drb，ram， dra，Rb物镜可分辨外环环缝对应Bessel主瓣半径时对应外环最大环缝值。图6(b)为不同频率对应的理论与实际轴向周期dz以及轴向扩展范围Rz，可以看出采用此方法得到的圆环参数，其实际对应物镜后焦面附近的轴向周期与理论轴向周期非常吻合。图6(c)为不同频率对应的单环环缝所产生besssel光束的中心主瓣半径，可以看出基于上述方法，无论是内环还是外环产生Bessel光束的光斑主瓣半径均可被物镜分辨。
进一步地，产生结构光束还包括：
通过在空间光调制器依次加载不同空间频率轴向调制光束的相位图，产生一系列不同频率、不同相位的沿物镜光轴方向的结构光束。
电脑23控制着加载在液晶SLM上的相位图，其获取方式由图3获得。轴向结构光的周期根据双圆环的半径按公式(8)控制产生，通过在液晶SLM上依次加载不同空间频率轴向调制光束的相位图，可产生一系列不同频率的轴向 SI光束。经过SI调制的光声信号被工作站23进行记录，通过重建算法进行重建。
具体地，步骤S5中：根据接收到的所述光声信号进行图像重建。
通过采用轴向结构光调制的方法对光声信号进行编码，将光声信号的高频信息调制至UST的探测低频通带内，在获取高频信息的同时避免组织对高频信号的衰减。结合提出的重建算法对高频信息进行恢复，扩展UST的探测频带，提高光学分辨PAM的分辨率，实现对样本进行三维均匀高分辨率成像的目的。图7为重建算法的流程图，如图7所示，具体原理及重建算法流程如下：
在线性响应PAM系统中，成像的物理过程可以近似用下式表示：
其中，z代表轴向空间坐标，PA(z)为UST记录下的光声信号。μ(z)为样本沿轴向的光吸收系数分布。η为热能转化效率，I(z)为轴向光通量分布，P(z)为系统的轴向点扩展函数，表征系统的轴向分辨能力。空间频率为ko的余弦结构光可表示为：
式中，Io为余弦结构光平均强度，m为结构光的调制度，ko为余弦结构光的空间频率，
为余弦结构光的初始相位。
将式(29)带入式(28)可得到余弦结构光激发后的光声信号PA(z)，其频谱如下：
其中，P(k)为系统的频谱响应，同时定义基频DN(k)，和频DS(k)，差频DP(k)，
DN(k)＝μ(k)P(k) (31)
DS(k)＝μ(k-ko)P(k) (32)
DP(k)＝μ(k+ko)P(k) (33)
可以看出，和频DS(k)与差频DP(k)是平移ko后的轴向光吸收系数分布
与系统频谱响应P(k)的乘积。
(一)频谱分离。采用三相位法对三个分量进行分离，对于单个空间频率而言，用三个不同相位
结构光对样本进行照明激发，获得的三个光声信号PA1(z)、PA2(z)、PA3(z)可组成一个线性方程组，其频谱如下：
令
解此方程即可分离基频、和频、差频三个分量
(二)IRT相位估计。
假设相邻相位之间相位差为2π/3，则三个未知相位便可转换为对初相位
的评估。相应不同相位的光声信号可表示为：
运用上述三条不同相位调制的光声信号进行构建可得到一条新的光声信号，记为：
对该式进行傅里叶变换可得到：
考虑PAn(k)在k＝ko处的取值，
可发现，由于吸收体轴向吸收系数分布μ以及k＝ko处的轴向点扩展函数 P(ko)均为实数，PAn(k)在k＝ko处的相位仅由条纹初相位决定。故条纹初相位
可由下式进行估计：
(三)频谱频移。将其中的和频、差频分量进行频移便可将高频信息搬移回正确位置。在此利用傅里叶变换的平移特性来保证频移的准确性，首先将和频DS(k)，差频DP(k)逆转换至空域，与exp(±i2πkoz)相乘，之后再变换至频域则可以完成精确的信息移位，即
其中，FFT表示傅里叶变换，IFFT表示逆傅里叶变换。
(四)频谱融合。考虑到UST探测带宽有一定限制，为获取样本更多的高频信息，在这里采用多个不同频率的余弦结构光对样本进行激发，其中每个频率对应三个相位。并用广义维纳滤波器来将获得的所有移频后的频谱片段融合，即
其中，*代表共轭运算，C(k)为最终重建后图像在频域上的表达，N为所有类型的结构光照明下获得的光声信号的个数。Pn(k)为第n阶的频移。w为一个小的常数，大小根据经验设定，用来控制重建图像中的噪声。A(k)是切趾函数用于抑制图像重建过程中由于频率在边缘的不连续性，出现在还原的图像中的旁瓣。
本申请的共轴式轴向高分辨光声显微成像方法采用结构光调制及重建步骤，采用一系列不同频率的结构光，便可将更高频的样本信息逐步调制至UST 的低频带进行探测。结合重建算法，一步步对样本的高频信息进行恢复，可更大程度扩宽UST的探测频带，最终提升系统的轴向分辨率。
Claims (8)
1.一种共轴式轴向调制高分辨光声显微成像系统，其特征在于，所述光声显微成像系统包括：
激光发生器(1)，用于发射激光束；
结构光束产生模块，包括物镜(16)，所述结构光束产生模块用于通过激光束产生沿物镜(16)的光轴方向的结构光束；
光声信号产生模块，用于通过所述结构光束对样品(18)进行激发，产生光声信号；
光声信号接收模块，包括用于接收所述光声信号的超声探头(20)，所述超声探头(20)的探测声轴和所述物镜(16)的光轴方向保持共轴共焦；
信号处理模块，用于根据接收到的所述光声信号进行图像重建，
其中，所述结构光束产生模块，还包括：
前处理子模块，用于将所述激光束进行相位调制，
空间光调制器(10)，用于加载双圆环相位图；
后处理子模块，用于对所述空间光调制器(10)的出射光束进行汇聚和过滤，
所述激光光束经过前处理子模块垂直照射在空间光调制器(10)，所述空间光调制器(10)的出射光束依次经过后处理子模块和所述物镜(16)，在所述物镜(16)的后焦面附近产生沿所述物镜(16)光轴方向传播的结构光束。
2.根据权利要求1所述的显微成像系统，其特征在于，所述光声显微成像系统还包括扩束滤波模块，所述扩束滤波模块包括第三透镜(4)和第四透镜(6)组成的扩束器以及置于所述扩束器中间的针孔(5)。
3.根据权利要求1所述的显微成像系统，其特征在于，所述光声显微成像系统还包括检测校准模块，所述检测校准模块包括光分束器(2)和光电探测器(3)。
4.根据权利要求1-3任一项所述的显微成像系统，其特征在于，信号处理模块包括放大器(21)、采集卡(22)、工作站(23)，所述光声信号经过放大器(21)放大和采集卡(22)数据采集，传输至工作站(23)采用重建算法进行图像重建。
5.一种共轴式轴向调制高分辨光声显微成像方法，其特征在于，
提供一激光束；
通过所述激光束产生沿物镜光轴方向的结构光束；
通过所述结构光束对样品进行激发，产生光声信号；
通过超声探头对所述光声信号进行接收，所述超声探头的探测声轴和所述结构光束的入射光轴保持共轴共焦；
根据接收到的所述光声信号进行图像重建；
其中，通过所述激光束产生沿物镜光轴方向的结构光束包括：
所述激光束经过相位调制后垂直照射在空间光调制器上，所述空间光调制器上加载双圆环相位图；
所述空间光调制器的出射光束经过汇聚和过滤，在所述物镜的后焦面附近产生沿所述物镜光轴方向传播的结构光束。
6.根据权利要求5所述的显微成像方法，其特征在于，所述结构光束的场强分布为：
其中，
式中rbin、rbout、rbm、Δrb及rain、raout、ram、Δra分别为外环和内环的内半径、外半径、中心半径及环缝宽度；M＝-kΔz/(2f2)，其中，k＝2π/λ为波数、f为聚焦透镜的焦距，Δz表示某个轴向位置处的聚焦光场距离透镜后焦面的轴向距离、λ为激发波长。
7.根据权利要求6所述的显微成像方法，其特征在于，所述结构光束的轴向总光强为：
当初相位差
α-β＝2π时，轴向周期为：
其中，f为聚焦透镜的焦距，λ为激发波长。
8.根据权利要求6所述的显微成像方法，其特征在于，所述双圆环相位图中内外环的环宽：
式中drb为内外环的环宽、ram为内环中心半径、m为外环中心半径rbm与内环中心半径ram的比值。
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