CN114098637B - 一种大视场光声显微成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大视场光声显微成像装置及方法。该装置包括激光源组件、光束传输组件、光束扫描组件、反射式成像端口组件、二维步进电机组件及计算机。该方法使用单模光纤传输激光器发出的脉冲激光作为激发光，从样品的上下两个方向同时照射，使用平场扫描透镜聚焦，使用二维扫描振镜沿成像区域半径扫描光焦点，依次激发光声信号并使用线聚焦超声换能器探测，结合半径旋转扫描方法实现三维成像。在此基础上，使用二维步进电机平移样品，以实现高分辨率成像的同时获得超大的成像视场。结合器官脱细胞透明化技术及本发明提出的梯度浓度造影的成像策略，实现多种大尺寸动物器官血管网络三维成像。
Description
技术领域
本发明属于医疗设备与方法领域，具体涉及一种大视场光声显微成像装置及方法。
背景技术
光声成像是一种基于光学吸收对比度成像的成像方法，是通过探测样品吸收脉冲激光能量，由于非辐射弛豫将光转化为热，产生热致弹性膨胀，最终发射出的超声波以获取样品内部光吸收分布的光激发-声探测混合成像。在此基础上，光声显微成像通过结合光学聚焦和高频超声探测，可以获得接近光学衍射极限的分辨率，被广泛用于对生物组织的血管网络、脂质分布等方面的研究。
光声显微成像是一种点对点的成像方式，需要对成像样品进行扫描。国内外相关研究大都采用扫描振镜或高精度步进电机进行扫描，受限于高精度与大行程扫描之间的矛盾，当前光声显微成像的成像范围一般为10×10mm2，横向分辨率一般为1-20微米。针对以上问题，多个研究团队提出了不同的解决方法。中国香港城市大学的Wang及美国杜克大学的Yao等在2020年提出了使用水浸式多边形反射镜扫描以获得12×12mm2的光声显微成像系统；江西科技师范大学的曾吕明团队在2021年提出了使用自制的透明超声换能器结合扫描振镜实现20×20mm2的光声显微成像系统；韩国庆北大学的Jeon团队2021年提出利用扫描振镜进行水浸式扫描以获得的14.5×9mm2成像范围。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明针对现有光声显微成像方法视场的问题，提供一种结合半径旋转扫描高分辨率成像、大行程二维步进电机大扫描范围及双向照明扩展轴向景深的新型大视场光声显微成像装置及方法，同时满足大视场、高分辨率的要求，，能够获得单次旋转扫描成像范围为1200mm2，最大110mm×110mm×10mm的成像视场，提供一种新型成像装置。
另一方面，本发明针对当前脱细胞透明化动物器官缺少合适的三维血管结构成像方式的问题，以大视场光声显微成像为基础，利用梯度浓度造影与光声信号幅值间的关系，实现大视场、高分辨、三维多血管网络结构成像，既提取出单一的血管网络，也可以将多套血管的成像结果融合获得整体器官的三维血管网络。本发明为研究动物器官的血管分布及疾病模型中血管结构改变提供一种新方法。
(二)技术方案
本发明为解决其技术问题，提供了一种大视场光声显微成像装置及方法，具体技术方案如下。
一种大视场光声显微成像装置，其特征在于：包括激光源组件、光束传输组件、光束扫描组件、反射式成像端口组件、二维步进电机组件及计算机；
所述激光源组件包括快速纳秒脉冲激光器，用于向成像目标发射脉冲激光；
所述光束传输组件包括空间光滤波器、分光镜、物镜和单模光纤，用于实现脉冲激光的整形，光纤耦合及传输；
所述光束扫描组件包括两组扫描振镜、扫描透镜，用于实现上下两个方向脉冲激光的扫描与聚焦；
所述反射式成像端口组件包括光-声信号同轴耦合装置、旋转电机及传动齿轮组、旋转电机控制器、线聚焦超声换能器、信号放大器、带通滤波器及数据采集卡，用于实现光声信号的激发、传输及采集；所述光-声信号同轴耦合装置内部为斜45度固定的石英玻璃盖玻片，填充去离子水作为耦合液体；下方单模光纤输出的光经过扫描振镜反射和扫描透镜聚焦后，穿过光-声信号同轴耦合装置，照射在成像样品上；上方单模光纤输出的光经过扫描振镜反射和扫描透镜聚焦后直接照射在成像样品上；成像样品吸收光能量产生光声信号，经过去离子水进入光-声信号同轴耦合装置，并被石英玻璃盖玻片反射到线聚焦超声换能器表面，实现探测；
所述二维步进电机组件包括二维步进电机、二维步进电机控制器，用于在超大视场成像时移动成像样品；
所述计算机用于控制光束扫描组件中扫描振镜及反射式成像端口组件中旋转电机的同步；同时也用于光声信号重建及图像处理。
更具体地，所述激光源组件向成像目标发射脉冲激光，重复频率为200kHz，激光器工作波长为532nm。
更具体地，所述光束传输组件的工作方式如下，由激光器输出的脉冲激光以空间光的形式发出，通过空间光滤波器光束整形，经过分光镜分为反射光和透射光，再经过物镜耦合进入单模光纤分别进入上下两个方向。
更具体地，所述光束扫描组件的工作方式如下，脉冲激光由单模光纤的输出端输出，下方输出光依次通过扫描振镜和扫描透镜，穿过光-声信号同轴耦合装置后在焦点处会聚为一个点照射在成像样品上；上方输出光通过扫描振镜和扫描透镜，直接照射在成像样品同一个点上；扫描进行时，上下两个扫描振镜控制光焦点沿成像区域半径进行扫描并保持重合。
更具体地，所述反射式成像端口组件的工作方式如下，组件内光-声信号同轴耦合装置中的去离子水与石英玻璃盖玻片的折射率近似，使得脉冲光束直接透过装置照射在成像样品上；成像样品的组织吸收光能量产生超声波，激发的后向超声波由于去离子水与石英玻璃盖玻片的声阻抗差异，被石英玻璃盖玻片反射到线聚焦超声换能器上，转换为电信号并通过放大、滤波之后存储在计算机内；图像采集期间，扫描振镜控制光焦点沿超声换能器声焦线扫描，完成一条线上的信号采集之后，旋转电机驱动线聚焦超声换能器旋转，光焦点的扫描轨迹在上下两个扫描振镜的控制下旋转相同角度，使光焦点扫描轨迹及线聚焦超声换能器经过石英玻璃盖玻片反射后的声焦线保持重合，进行采集，表现在成像面上为半径沿着圆的中心进行旋转，直至旋转角度达到360度，完成采集。
更具体地，所述二维步进电机组件的工作方式如下，完成一次旋转扫描成像后，使用二维步进电机移动成像器官到下一位置进行成像，直至完成所有位置的扫描，结束第一套血管的数据采集。
一种大视场光声显微成像方法，其特征在于，采用前述的大视场光声显微成像装置来获得光声成像，步骤如下：
步骤S1，向样品第一套血管网血管网内注射低浓度的墨汁作为造影剂，完成后紧贴于光-声信号同轴耦合装置的透明密封薄膜上；
步骤S2，激光器发出脉冲激光，依次通过反射镜、空间光滤波器、物镜、单模光纤、光纤准直透镜、扫描振镜和扫描透镜，分别从下方和上方同时照明透明化器官，聚焦后的光束在x-y平面内同一位置的不同深度范围上激发超声波，产生的超声波透过光-声信号同轴耦合装置表面的透明密封薄膜，进入内部，在去离子水内传输，被斜45度固定的石英玻璃盖玻片反射到线聚焦超声换能器表面，转换为电信号；其中，每一时刻扫描透镜光焦点位置产生的光声信号包含该点的深度信号，称为“A线信号”，扫描振镜控制光焦点沿直线移动，产生的包含深度的二维数据称为“B扫描数据”；
步骤S3，在获得初始角度的“B扫描数据”后，旋转电机通过传动齿轮组带动线聚焦超声换能器沿一侧旋转一个微小角度，同时扫描振镜控制光焦点的扫描轨迹旋转一个相同的微小角度，保持同步；
步骤S4，不断重复步骤S2及S3，直至旋转角度达到360度，完成一次旋转扫描；
步骤S5，完成一次旋转扫描成像后，使用二维步进电机移动成像器官到下一位置进行成像，移动步长为单次旋转扫描成像区域最大内接正方形的边长，重复步骤S2至S4，完成第二个成像区域的成像；
步骤S6，重复步骤S5，直至成像区域覆盖整个待成像样品；
步骤S7，向样品第二套血管网血管网内注射中等浓度的墨汁作为造影剂，完成后紧贴于光-声信号同轴耦合装置的透明密封薄膜上；
步骤S8，不断重复步骤S2至S6，完成第二套血管的数据采集；
步骤S9，向样品第三套血管网血管网内注射高浓度的墨汁作为造影剂，完成后紧贴于光-声信号同轴耦合装置的透明密封薄膜上；
步骤S10，不断重复步骤S2至S6，完成第三套血管的数据采集；
步骤S11，对采集到的数据进行图像重建；利用坐标系转换算法将旋转采集的二维图像映射至直角坐标系，并将采集到的二维图像重建为三维图像；将多个不同成像区域的三维成像结果拼接融合；将不同血管网络成像进行配准叠加；最后利用三维图像滤波优化成像效果。
(三)有益效果
相对于现有技术而言，本发明具备显著积极的技术效果，其有益效果至少体现在以下几个方面。
(1)通过集成高分辨半径旋转扫描、大行程步进电机移动及双光束照明，本发明提出的大视场光声显微成像从两个方向扩展了光声显微成像的成像范围，同时保持高成像质量：在横向方向上，结合光学扫描振镜半径旋转扫描分辨率高及大行程二维步进电机扫描范围大的优势，相比于传统光声显微成像的成像范围(～10×10mm2)及分辨率(～3-10μm)，大视场光声显微成像将成像范围提升至少一个量级(110×110mm2)，同时保持高分辨成像的优势(～12μm)；在纵向方向上，大视场光声显微成像从上下两个方向照射成像样品，其成像焦深为两束光焦区的并集(～12mm)，为传统光声显微成像焦深的两倍。通过上述两个方向上的综合作用，本发明提出了大视场光声显微成像，将有助于实现动物大尺寸器官及大动物的光声显微成像。
(2)使用经过合理设计的具有梯度浓度的油性墨作为造影剂，利用不同浓度差之间光声信号的差异，通过选取合适的信号阈值，既针对性地提取出单一的血管网络，也可以将多套血管的成像结果融合获得整体器官的三维血管网络，实现对各种脱细胞透明化处理的动物器官进行三维血管结构成像如大鼠肝脏、肾脏、兔肝脏等。
附图说明
图1为本发明大视场光声显微成像装置结构示意图及结合二维步进电机多次扫描示意图
图2为本发明大视场光声显微成像装置对动物器官血管成像结果图，其中图2(a)是大鼠肝静脉网，图2(b)是大鼠门静脉网，图2(c)是大鼠肝脏整体血管网络，图2(d)是大鼠肾脏整体血管网络，图2(e)是大鼠肝脏整体，图2(f)是大鼠肝脏血管网络
具体实施方式
本发明为了解决其技术问题，提供了一种大视场光声显微成像装置及方法。下面结合说明书附图，通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明例提供的一种大视场光声显微成像系统，具体地，如图1所示，该装置包括激光源组件1、光束传输组件2、光束扫描组件3、反射式成像端口组件4、二维步进电机组件5及计算机6。
如图1所示，光束传输组件包括空间光滤波器2-1，分光镜2-2，上下两部分光路物镜2-3，以及分别向上下两个方向传输脉冲激光的单模光纤2-4。
如图1所示，光束扫描组件包括上下两组扫描振镜3-1及扫描透镜3-2。
如图1所示，反射式成像端口组件包括光-声信号同轴耦合装置(下方密封盖玻片4-1、45度斜安装的石英玻璃盖玻片4-2、表面透明密封薄膜4-3及填充的去离子水)、线聚焦超声换能器4-4、旋转电机控制器4-5、旋转步进4-6、电机传动齿轮组4-7及4-8、信号放大器4-9、带通滤波器4-10及数据采集卡4-11。
具体地，激光源组件1发出的脉冲激光通过空间光滤波器2-1进行光束整形、分光镜2-2分光及物镜2-3分别耦合进入两束单模光纤2-4，由单模光纤输出的脉冲激光分别传输至上下两组由扫描振镜3-1及扫描透镜3-2组成的光束扫描组件3。下方光束扫描组件输出的聚焦光穿过光-声信号同轴耦合装置的下方密封盖玻片4-1、45度斜安装的石英玻璃盖玻片4-2及表面透明密封薄膜4-3后在焦点处会聚照射在成像样品上。上方光束扫描组件输出的聚焦光则直接照射在成像样品上，且焦点与下方光焦点在x-y平面重合。光声信号透过透明密封薄膜4-3进入内部，在去离子水内传输，被斜45度固定的石英玻璃盖玻片4-2反射到线聚焦超声换能器4-4表面。信号依次通过信号放大器4-9、带通滤波器4-10及数据采集卡4-11，存储在计算机6内并重建。
在完成一个点的光声信号采集之后，光束扫描组件3控制两个光焦点同时沿成像区域半径扫描，并于线聚焦超声换能器的焦线重合，实现一个成像的采集。之后，旋转电机控制器4-5控制旋转电机4-6通过传动齿轮组4-7、4-8带动线聚焦超声换能器4-4旋转一个微小角度，到达下一个成像面，继续进行采集。
在完成旋转角度达到360°时，完成一次半径旋转扫描，获得单次扫描成像的三维数据集7-1。计算机组件6控制二维步进电机组件5将成像样品移动到下一位置7-2进行第二次半径旋转扫描成像，直至覆盖整个成像样品。
实施例所述的大视场光声显微成像方法的基本原理如图1所示，实现该方法主要使用光束扫描组件、线聚焦超声换能器进行半径旋转扫描，结合二维步进电机组件5进行样品移动实现，具体包括下述步骤：
(1)光声信号的激发与探测，上下两组光束扫描组件控制脉冲激光焦点重合并沿第一个成像区域7-1半径进行扫描，照射在样品上，激发出光声信号；光焦点的扫描轨迹与线聚焦超声换能器经过反射后在成像面上的焦线重合，使光声信号在线聚焦超声换能器表面转换为电信号，且具有较高的信噪比；其中，每一个光焦点位置产生的光声信号包含该点的深度信号，扫描轨迹上的焦点依次排列，产生包含深度的二维数据；
(2)完成某一平面的光声信号数据采集后，以光焦点扫描轨迹的一侧为轴，扫描长度为半径，绕中心旋转一个微小角度；
(3)不断重复步骤(1)及(2)直至旋转角度达到360度，获得一次半径旋转扫描成像的三维数据集7-1；
(4)二维步进电机控制成像样品移动到下一位置，移动步长为单次旋转扫描成像区域最大内接正方形的边长，重复步骤(1)至(3)进行半径旋转扫描成像，获得第二次次半径旋转扫描成像的三维数据集7-2；
(5)重复步骤(1)至(4)，二维步进电机控制成像样品沿图1虚线箭头轨迹移动样品直至覆盖整个待成像区域，获得多组三维数据集7-1至7-N；
(6)图像融合重建。利用滤波反投影算法获得单一成像面包含深度的二维图像，利用坐标系转换算法将二维图像映射至直角坐标系，并重建为三维图像；将重建后的三维数据集7-1至7-N拼接融合，最后利用三维图像滤波优化成像效果。
本实施例所述的利用梯度浓度造影剂对透明化动物器官不同血管网络成像的效果如图2所示，具体包括下述步骤：
(1)向样品第一套血管网内注射低浓度的墨汁作为造影剂，利用大视场光声显微成像系统进行三维成像，获得第一套血管网络(图2(a))；
(2)向样品第二套血管网血管网内注射中浓度的墨汁作为造影剂，利用大视场光声显微成像系统进行成像，获得第二套血管网络(图2(b))；
(3)向样品第三套血管网血管网内注射高浓度的墨汁作为造影剂，利用大视场光声显微成像系统进行成像，最终获得总体血管网络(图2(c))；
基于本方法，利用不同浓度差之间光声信号的差异，可以通过选取合适的信号阈值，针对性地提取出单一的血管网络，也可以将多套血管的成像结果融合获得整体器官的三维血管网络，同时还可以对包括大鼠肾脏(图2(d))、大鼠肝脏整体(图2(e))、大鼠肝脏动脉血管网络(图2(f))等在内的多种动物器官脱细胞透明化模型的血管网络进行三维成像。
本申请中所描述的具体实施案例仅仅是对本发明的主要思想作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (5)
1.一种大视场光声显微成像装置，其特征在于：包括激光源组件、光束传输组件、光束扫描组件、反射式成像端口组件、二维步进电机组件及计算机；
所述激光源组件包括快速纳秒脉冲激光器，用于向成像目标发射脉冲激光；
所述光束传输组件包括空间光滤波器、分光镜、物镜和单模光纤，用于实现脉冲激光的同轴会聚、整形和传输；
所述光束扫描组件包括两组扫描振镜、扫描透镜，用于实现上下两个方向脉冲激光束的扫描与聚焦；
所述反射式成像端口组件包括光-声信号同轴耦合装置、旋转电机及传动齿轮组、旋转电机控制器、线聚焦超声换能器、信号放大器、带通滤波器及数据采集卡，用于实现光声信号的激发、传输及采集；所述光-声信号同轴耦合装置内部为斜45度固定的石英玻璃盖玻片，填充去离子水作为耦合液体；下方单模光纤输出的光经过扫描振镜反射和扫描透镜聚焦后，穿过光-声信号同轴耦合装置，照射在成像样品上；上方单模光纤输出的光经过扫描振镜反射和扫描透镜聚焦后直接照射在成像样品上；成像样品吸收脉冲激光能量产生光声信号，经过去离子水进入光-声信号同轴耦合装置，并被石英玻璃盖玻片反射到线聚焦超声换能器表面，实现探测；
所述二维步进电机组件包括二维步进电机、二维步进电机控制器，用于在超大视场成像时移动成像样品；
所述计算机用于实现光束扫描组件中扫描振镜的控制及反射式成像端口组件中旋转电机的同步；同时也用于光声信号重建及图像处理；
所述光束扫描组件的工作方式如下，脉冲激光由单模光纤的输出端输出，下方输出光依次通过扫描振镜和扫描透镜，穿过光-声信号同轴耦合装置后在焦点处会聚为一个点照射在成像样品上；上方输出光通过扫描振镜和扫描透镜，直接照射在成像样品同一个点上；扫描进行时，上下两个扫描振镜控制光焦点沿成像区域半径进行扫描并保持重合；
所述反射式成像端口组件的工作方式如下，组件内光-声信号同轴耦合装置中的去离子水与石英玻璃盖玻片的折射率近似，使得脉冲光束直接透过装置照射在成像样品上；成像样品的组织吸收激光能量产生超声波，激发的后向超声波由于去离子水与石英玻璃盖玻片的声阻抗差异，被石英玻璃盖玻片反射到线聚焦超声换能器上，转换为电信号并通过放大、滤波之后存储在计算机内；图像采集期间，扫描振镜控制光焦点沿超声换能器声焦线扫描，完成一条线上的信号采集之后，旋转电机驱动线聚焦超声换能器旋转，光焦点的扫描轨迹在上下两个扫描振镜的控制下旋转相同角度，使光焦点扫描轨迹与线聚焦超声换能器经过石英玻璃盖玻片反射后的声焦线保持重合，进行采集，表现在成像面上为半径沿着圆的中心进行旋转，直至旋转角度达到360度，完成采集。
2.根据权利要求1所述的大视场光声显微成像装置，其特征在于：所述激光源组件向成像目标发射脉冲激光，重复频率为200kHz，激光器工作波长为532nm。
3.根据权利要求1所述的大视场光声显微成像装置，其特征在于：所述光束传输组件的工作方式如下，由激光器输出的脉冲激光以空间光的形式发出，通过空间光滤波器光束整形，经过分光镜分为反射光与透射光，再通过物镜耦合进入单模光纤分别进入上下两个方向。
4.根据权利要求1所述的大视场光声显微成像装置，其特征在于：所述二维步进电机组件的工作方式如下，完成一次旋转扫描成像后，使用二维步进电机移动成像器官到下一位置进行成像，直至完成所有位置的扫描，结束第一套血管的数据采集。
5.一种大视场光声显微成像方法，其特征在于，采用如权利要求1-4中任意一项所述的大视场光声显微成像装置来获得光声成像，步骤如下：
步骤S1，向样品第一套血管网络内注射低浓度的墨汁作为造影剂，完成后紧贴于光-声信号同轴耦合装置的透明密封薄膜上；
步骤S2，激光器发出脉冲激光，依次通过空间光滤波器、分光镜、物镜、单模光纤、光纤准直透镜、扫描振镜和扫描透镜，分别从下方和上方同时照明透明化器官，聚焦后的光束在x-y平面内同一位置的不同深度范围上激发超声波，产生的超声波透过光-声信号同轴耦合装置表面的透明密封薄膜，进入内部，在去离子水内传输，被斜45度固定的石英玻璃盖玻片反射到线聚焦超声换能器表面，转换为电信号；其中，每一时刻扫描透镜光焦点位置产生的光声信号包含该点的深度信号，称为“A线信号”，扫描振镜控制光焦点沿直线移动，产生的包含深度的二维数据称为“B扫描数据”；
步骤S3，在获得初始角度的“B扫描数据”后，旋转电机通过传动齿轮组带动线聚焦超声换能器沿一侧旋转一个微小角度，同时扫描振镜控制光焦点的扫描轨迹旋转一个相同的微小角度，保持同步；
步骤S4，不断重复步骤S2及S3，直至旋转角度达到360度，完成一次旋转扫描；
步骤S5，完成一次旋转扫描成像后，使用二维步进电机移动成像器官到下一位置进行成像，移动步长为单次旋转扫描成像区域最大内接正方形的边长，重复步骤S2至S4，完成第二个成像区域的成像；
步骤S6，重复步骤S5，直至成像区域覆盖整个待成像样品；
步骤S7，向样品第二套血管网络内注射中等浓度的墨汁作为造影剂，完成后紧贴于光-声信号同轴耦合装置的透明密封薄膜上；
步骤S8，不断重复步骤S2至S6，完成第二套血管的数据采集；
步骤S9，向样品第三套血管网络内注射高浓度的墨汁作为造影剂，完成后紧贴于光-声信号同轴耦合装置的透明密封薄膜上；
步骤S10，不断重复步骤S2至S6，完成第三套血管的数据采集；
步骤S11，对采集到的数据进行图像重建；利用坐标系转换算法将旋转采集的二维图像映射至直角坐标系，并将采集到的二维图像重建为三维图像；将多个不同成像区域的三维成像结果拼接融合；将不同血管网络成像进行配准叠加；最后利用三维图像滤波优化成像效果。
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