CN114166791A - 一种用于生物医学成像的太赫兹时域光谱探头装置及时域光谱仪 - Google Patents
一种用于生物医学成像的太赫兹时域光谱探头装置及时域光谱仪 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于生物医学成像的太赫兹时域光谱探头装置及时域光谱仪，由太赫兹时域光谱仪本体激发发射光电导天线发出的太赫兹波，被发射端离轴抛物镜准直，准直后的太赫兹波被扫描抛物镜聚焦于样品表面，经透射后照亮样品，聚焦光斑经过样品反射，再次被扫描抛物镜准直，由探测抛物镜聚焦在探测光电导天线的电极上，经太赫兹时域光谱仪将太赫兹波转换为时域电信号，由工控机控制采集存储，再进一步对时域信号进行分析，扫描方式的实现是一维电动位移平台驱动扫描抛物镜做往复运动，逐点采样，通过高速采集卡，可在1秒内实现16mm线宽的扫描；解决了现有的太赫兹时域光谱成像装置最终获取样品的太赫兹光谱图像信噪比低，无法小型化，不满足手持功能的问题。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，具体涉及一种用于生物医学成像的太赫兹时域光谱探头装置及时域光谱仪。
背景技术
太赫兹(THz)波是指频率为0.1～10THz，位于红外与微波之间的电磁波，其具有非电离、指纹谱和对极性物质敏感等特性。太赫兹时域光谱成像作为医学成像的候选技术之一，其在皮肤烧伤、牙体组织检测、术后诊断、众多肿瘤病灶的检测识别等领域有巨大的应用潜力。含水量差异是肿瘤与正常组织间太赫兹光谱差异的主要原因，肿瘤组织的含水量较高且肿瘤细胞的密度、核异型性、有丝分裂活性都有所增加，这些都将改变其在THz波段检测的折射率、吸收等介电特性。
现有技术中已有的太赫兹时域光谱成像装置，其中探头装置包括依次设置的太赫兹时域光谱仪本体、太赫兹波发射光电导天线、太赫兹波发射4f透镜系统和、二维位移台、太赫兹波接收4f透镜系统和、太赫兹波探测光电导天线。太赫兹波发射、探测光电导天线分别放置在各自4f透镜系统的前焦点和后焦点处，太赫兹发射光电导天线发出的太赫兹波经过4f透镜系统被聚焦放置在上的被测生物样品，经样品反射后，被太赫兹波接收4f透镜系统聚焦于太赫兹波探测光电导天线，从而获取到太赫兹电场的时域信号，进而通过二维位移台的直线扫描，可获得样品的太赫兹光谱成像信息。
当前技术状态下，太赫兹波段透镜元件不能像光学波段可以镀制增透膜，太赫兹波在进行透射传输时由于界面反射、内部吸收等因素造成太赫兹波极大损耗，严重影响了光谱探测的信噪比，特别是装载样品的二维位移台需要至少几分钟的扫描，才能完成二维光谱成像，成像速度慢。虽然可以通过将透射式4f系统改进为离轴抛物镜形式的4f系统，减少了反射损耗，提高了传输能量，但是二维位移台扫描方式依然不能优化，造成装置体积过大，操作不便。因此无论透射式还是反射式光谱装置都无法进行小型化、轻量化，不满足手持功能。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
本发明的目的在于解决现有的太赫兹时域光谱成像装置因为传输损耗严重、二维扫描时间过长、探测头部笨重而使最终获取样品的太赫兹光谱图像信噪比低，无法小型化，不满足手持功能的问题，提供了一种用于生物医学成像的太赫兹时域光谱探头装置及时域光谱仪。
为了实现上述目的，本发明公开了一种用于生物医学成像的太赫兹时域光谱探头装置，包括：
太赫兹波发射光电导天线，用于发射太赫兹波；
发射端抛物镜，用于将太赫兹发射光电导天线发射出的太赫兹波进行准直；
扫描抛物镜，用于将经发射端抛物镜准直后的太赫兹波聚焦于样品表面，再将由样品表面反射的太赫兹波进行准直；
探测端抛物镜，用于将经扫描抛物镜准直的太赫兹波聚焦；
太赫兹探测光电导天线，用于将经探测端抛物镜聚焦后的太赫兹波传递给太赫兹时域光谱仪本体。
所述发射端抛物镜和探测端抛物镜为离轴90°抛物镜，反射焦距为33mm。
所述扫描抛物镜的母焦距为33.5mm，有效包容角为48°。
所述扫描抛物镜通过光楔窗口对样品进行扫描，所述光楔窗口采用TPX材料制成。
本发明还公开了一种采用上述用于生物医学成像的太赫兹时域光谱探头装置的时域光谱仪，还包括基座、太赫兹时域光谱仪本体、工控机，所述太赫兹发射光电导天线、发射端抛物镜、扫描抛物镜、探测端抛物镜、太赫兹探测光电导天线均设于所述基座上，所述太赫兹时域光谱仪本体用于激发发射太赫兹信号后将太赫兹信号传递给所述太赫兹发射光电导天线，同时接收所述太赫兹探测光电导天线传递的太赫兹波转换为时域电信号，所述工控机用于对控制太赫兹光谱仪本体以及采集和存储时域电信号。
所述发射端抛物镜、探测端抛物镜和扫描抛物镜组成的独特光路所形成的远点光程和近点光程满足太赫兹时域光谱仪本体延迟线要求。
所述扫描抛物镜下方设有扫描位移台、电机，所述扫描位移台由所述电机驱动，所述电机由工控机通过PCI总线控制。
所述扫描抛物镜通过安装座与所述扫描位移台连接，与安装座采用滚珠作为关节，通过隔板和2拉2紧的方式实现扫描抛物镜的三维调整，所述安装座通过圆柱销定位，并用4个M4内六角螺钉安装于所述扫描位移台上。
所述太赫兹波发射光电导天线、太赫兹波探测光电导天线与基座内安装孔采用基孔制的精密滑动配合，对焦调整好后用2个平端紧定顶丝固定。
所述工控机内搭载有显示与线扫描控制程序。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：
1、太赫兹波在传输过程中都为抛物面，扫描窗口采用了在太赫兹波段高透的TPX材料厚度较薄，减少了太赫兹波的传输损耗，提升了光谱图像的信噪比；
2、扫描抛物镜具备准直、聚焦、收集信号功能同时具备扫描功能，极大的减少了太赫兹波光路折转传输光学元件数量，降低损耗，减少了光路准直误差；
3、本装置用扫描抛物镜代替现有的二维机械扫描样品台，样品静止，光谱成像效率提高98％以上，装置简易，体积小、重量轻、样本检测时间短、易于快速定位的优点，该方法可以推广应用于太赫兹光谱临床医学诊断中。
附图说明
图1为本发明中的太赫兹时域光谱探头装置的光路示意图；
图2为本发明中的太赫兹时域光谱探头装置的结构示意图；
图3为本发明中的太赫兹时域光谱探头装置的工作流程示意图；
图4为本发明中的太赫兹时域光谱探头装置光学设计图；
图5为本发明中的太赫兹时域光谱探头装置采集的16点太赫兹光谱信号图；
图6为本发明中的太赫兹时域光谱探头装置扫描抛物镜三维调整示意图。
图中数字表示：
1-太赫兹时域光谱仪本体；2-太赫兹波发射光电导天线；3-发射端离轴抛物镜；4-扫描抛物镜；5-TPX材料光楔窗口；6-扫描位移台；7-探测端离轴抛物镜；8-太赫兹波探测光电导天线；9-工控机；10-一维位移台；11-电机；12-高速信号采集卡；13-PCI总线；14-电源；15-基座；16-安装座；17-TPX光楔窗口；18-2拉镙钉；19-2紧镙钉。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例1
本实施例提供一种用于生物医学成像的太赫兹时域光谱探头装置，如图1所示，太赫兹波发射光电导天线2、发射端离轴抛物镜3、扫描抛物镜4、TPX材料光楔窗口5、扫描位移台6、探测端离轴抛物镜7、太赫兹波探测光电导天线8。
所述图1中的太赫兹发射和探测光电导天线放置于发射和聚焦抛物镜的焦点上；所述发射和探测抛物镜为离轴90°抛物镜，反射焦距为33mm，其反射面镀金膜；所述扫描抛物镜母焦距为33.5mm，其反射面镀金膜，用其一半，有效包容角为48°，反射焦距为入射焦距的1.7倍。
所述图1中的光路为：由太赫兹波发射光电导天线2发出NA＝0.2的太赫兹波，被发射端离轴抛物镜3准直，准直后的太赫兹波被扫描抛物镜4聚焦于样品表面，并以入射角16.5°入射到TPX材料光楔窗口5，经透射后照亮样品，聚焦光斑经过样品反射，以反射角16.5°出射，再次被扫描抛物镜4准直，由探测抛物镜7聚焦在探测光电导天线8的电极上，经太赫兹时域光谱仪1将太赫兹波转换为时域电信号。
实施例2
本实施例提供一种用于生物医学成像的太赫兹时域光谱仪，如图1～2所示，包括太赫兹时域光谱仪本体1、太赫兹波发射光电导天线2、发射端离轴抛物镜3、扫描抛物镜4、TPX材料光楔窗口5、扫描位移台6、探测端离轴抛物镜7、太赫兹波探测光电导天线8、工控机9、安装座16、外壳及基座11，这些部件稳固的安装在带有加强筋结构的基座内。扫描位移台6通过2个
的圆柱销定位、四个M5内六角镙钉紧固安装在基座15底部，安装座16通过四个M4内六角镙钉安装在扫描位移台6上，扫描抛物镜4采用滚珠做关节，通过2拉2紧的方式实现抛物镜方位调整并固定，所述扫描抛物镜固定在扫描位移台上，实现一维扫描；所述扫描位移台可由计算机编程控制且定位精度高于5μm，重复精度±1μm，最大速度20mm/s的一维电动位移平台，发射端离轴抛物镜3、探测端离轴抛物镜7同样采用滚珠做关节，所述安装座上设有隔板，所述隔板的水平方向设有2紧镙钉，竖直方向设有2拉镙钉，通过2拉2紧的方式实现抛物镜方位调整并固定，太赫兹波发射光电导天线2、太赫兹波探测光电导天线8与基座15内安装孔采用基孔制的精密滑动配合，进行对焦调整，调整好后用2个平端紧定顶丝固定。
在进行生物样品太赫兹光谱成像时，装置工作流程如图3所示，太赫兹时域光谱仪本体2由工控机9通过PCI总线13控制，发射出太赫兹波，经抛物镜准直聚焦于样品，工控机9通过PCI总线13控制电机4驱动扫描位移台6进行往复运动，对样品进行一维扫描，样品反射的太赫兹波通过高速信号采集卡12采集，存储到工控机硬盘。
这种时域光谱仪的光路为：由太赫兹时域光谱仪本体1激发发射光电导天线2发出NA＝0.2的太赫兹波，被发射端离轴抛物镜3准直，准直后的太赫兹波被扫描抛物镜4聚焦于样品表面，并以入射角16.5°入射到TPX材料光楔窗口5，经透射后照亮样品，聚焦光斑经过样品反射，以反射角16.5°出射，再次被扫描抛物镜4准直，由探测抛物镜7聚焦在探测光电导天线8的电极上，经太赫兹时域光谱仪1将太赫兹波转换为时域电信号，由工控机9控制采集存储，再进一步对时域信号进行分析。扫描方式的实现是一维电动位移平台6驱动扫描抛物镜4做往复运动，逐点采样，通过高速采集卡，可在1秒内实现16mm线宽的扫描。
所述发射端抛物镜、探测端抛物镜和扫描抛物镜组成的独特光路所形成的远点光程和近点光程满足太赫兹时域光谱仪本体延迟线要求，太赫兹时域光谱仪本体延迟线为15cm，收发探头之间光程为400mm，光谱探头装置通过光学设计控制光路中的三个抛物镜的空间间隔满足延迟线要求，同时保证像点弥散斑远远小于衍射极限。
工控机9搭载显示与线扫描控制程序，完成扫描位移台6的位置限位和逐点采样。扫描位移台6先通过检测绝对坐标和线程，完成零点复位。通过限位往返，确定精度误差。逐点采样时，位移台运动采用加速+匀速+减速模式。线扫描长度设置为16mm，每次运动长度为1mm，共有16个点位置。每个点位置采样时，当达到所设点位置的0mm、±0.1mm、±0.2mm时，分别记录高速信号采集卡5的信号，将当前单个点位置前后采样5次的信号进行平均作为最终采样数据。在各点位置的0mm时，平移台速度应为0；在-0.1mm、-0.2mm时，平移台处于减速结束期；在+0.1mm、+0.2mm时，平移台处于加速起始期，减少位移台运动带来的信号抖动。因此，单次16mm的线扫描共有16个像素点采样，移动被测生物样品或手持式探头位置距离d，进行16×d mm2面积的光谱测量，在工控机3上提取像素点有效光谱信息后在界面上进行被测生物样品的太赫兹光谱成像显示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于生物医学成像的太赫兹时域光谱探头装置，其特征在于，包括：
太赫兹波发射光电导天线，用于发射太赫兹波；
发射端抛物镜，用于将太赫兹发射光电导天线发射出的太赫兹波进行准直；
扫描抛物镜，用于将经发射端抛物镜准直后的太赫兹波聚焦于样品表面，再将由样品表面反射的太赫兹波进行准直；
探测端抛物镜，用于将经扫描抛物镜准直的太赫兹波聚焦；
太赫兹探测光电导天线，用于将经探测端抛物镜聚焦后的太赫兹波传递给太赫兹时域光谱仪本体。
2.如权利要求1所述的一种用于生物医学成像的太赫兹时域光谱探头装置，其特征在于，所述发射端抛物镜和探测端抛物镜为离轴90°抛物镜，反射焦距为33mm。
3.如权利要求1所述的一种用于生物医学成像的太赫兹时域光谱探头装置，其特征在于，所述扫描抛物镜的母焦距为33.5mm，有效包容角为48°。
4.如权利要求1所述的一种用于生物医学成像的太赫兹时域光谱探头装置，其特征在于，所述扫描抛物镜通过光楔窗口对样品进行扫描，所述光楔窗口采用TPX材料制成。
5.一种包括如权利要求1～4任一项所述的用于生物医学成像的太赫兹时域光谱探头装置的时域光谱仪，其特征在于，还包括基座、太赫兹时域光谱仪本体、工控机，所述太赫兹发射光电导天线、发射端抛物镜、扫描抛物镜、探测端抛物镜、太赫兹探测光电导天线均设于所述基座上，所述太赫兹时域光谱仪本体用于激发发射太赫兹信号后将太赫兹信号传递给所述太赫兹发射光电导天线，同时接收所述太赫兹探测光电导天线传递的太赫兹波转换为时域电信号，所述工控机用于对控制太赫兹光谱仪本体以及采集和存储时域电信号。
6.如权利要求5所述的一种用于生物医学成像的太赫兹时域光谱仪，其特征在于，所述发射端抛物镜、探测端抛物镜和扫描抛物镜组成的独特光路所形成的远点光程和近点光程满足太赫兹时域光谱仪本体延迟线要求。
7.如权利要求5所述的一种用于生物医学成像的太赫兹时域光谱仪，其特征在于，所述扫描抛物镜下方设有扫描位移台、电机，所述扫描位移台由所述电机驱动，所述电机由工控机通过PCI总线控制。
8.如权利要求7所述的一种用于生物医学成像的太赫兹时域光谱仪，其特征在于，所述扫描抛物镜通过安装座与所述扫描位移台连接，所述扫描抛物镜与安装座采用滚珠作为关节，所述安装座上设有隔板，所述隔板的水平方向设有2紧镙钉，竖直方向设有2拉镙钉，所述安装座通过圆柱销定位，并用4个M4内六角螺钉安装于所述扫描位移台上。
9.如权利要求5所述的一种用于生物医学成像的太赫兹时域光谱仪，其特征在于，所述太赫兹波发射光电导天线、太赫兹波探测光电导天线与基座内安装孔采用基孔制的精密滑动配合，对焦调整好后用2个平端紧定顶丝固定。
10.如权利要求7所述的一种用于生物医学成像的太赫兹时域光谱仪，其特征在于，所述工控机内搭载有显示与线扫描控制程序。
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