CN115702335A - Pars成像方法 - Google Patents

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Abstract

用于使样品中的细节可视化的方法，包括将激励波束引导到样品表面下方的激励位置，以在样品中生成信号；将询问波束引导到样品的激励位置；将信号增强波束引导到样品，以将样品的部分的温度与不存在信号增强波束的样品的部分的温度相比升高5开尔文或更低；检测从所述样品返回的询问波束的指示所生成的信号的部分。

Description

PARS成像方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年5月12日提交的美国临时专利申请第63/187,789号、于2020年9月2日提交的美国专利申请第17/010,500号和于2020年6月18日提交的美国临时专利申请第63/040,866号的优先权，它们的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
这涉及光学成像领域，特别是基于激光的方法和系统，用于在体内、体外或试管内对诸如工业材料或生物组织等样品进行非接触成像。
背景技术
光声成像技术代表了强大的模态家族，其能够可视化在光学散射介质内的固有的内生光学吸收对比。在常见的光声结构中，纳秒或皮秒激光脉冲被引导到样品中，导致产生热弹性感应声波，然后观察并重建声波以形成光学吸收分布的图像。通过仔细选择激励源的波长，可以靶向特定生物分子的吸收对比。例如，532nm是广泛用于靶向血红蛋白的波长。这些系统已被证明在从生物组织内恢复临床相关的生物结构方面是有效的。一些示例包括从大血管到微血管的血管结构、细胞结构和富含脂质的斑块以及包括血氧饱和度的可视化的功能成像。
光声成像可分为两个主要的类别：光声断层扫描(Photoacoustic tomography，PAT)使用基于重建的图像形成，而光声显微镜(photoacoustic microscopy，PAM)使用基于聚焦的图像形成。在PAT中，非聚焦光束激励感兴趣区域，换能器阵列测量在多个位置中产生的超声波。PAM采用光学和声学焦点的光栅扫描，并直接从记录的深度分辨信号中形成图像。PAM可被进一步分类为光学分辨率PAM(optical-resolution PAM，OR-PAM)和声学分辨率PAM(acoustic-resolution PAM,AR-PAM)，在OR-RAM中，光学聚焦比声学聚焦更紧密；在AR-RAM中，声学聚焦更紧密。在所有三个实施例中，通常通过声耦合换能器或其他声学或声光谐振器来收集声学信号。在所有情况下，可以记录光声信号(其通常与样品内的压力和温度的产生相关)，以形成表示样品在激励波长下的光学吸收的图像，其中，各种记录额峰值的振幅暗示局部光学吸收。
然而，由于传统的光声技术需要与样品进行物理耦合，因此不适用于多种多样的临床应用，如眼科成像、术中成像、伤口愈合的监测和许多内窥镜手术。
最近报道的称为光声遥感(photoacoustic remote sensing，PARS)显微术(US2016/0113507和US 2017/0215738)的光声技术通过新的检测机制解决了许多这些敏感性问题。一旦声学压力传播远离其源，PARS能够直接检测激励的光声区域，而不是在外表面处检测声学压力。这是通过监测与光声激励一致的材料光学特性的变化来实现的。这些变化随后编码了各种显著的材料特性，例如光学吸收、物理目标尺寸和组成发色团等。
发明内容
根据某方面，提供了热增强光声遥感(thermally enhanced photoacousticremote sensing，TE-PARS)系统，用于对样品中的亚表面结构进行成像，该系统提供样品内的吸收对比。
TE-PARS系统包括：激励波束或波束集合，被配置为在激励位置或位置集合处在样品中生成PARS信号；信号增强波束或波束集合，被配置为修改温度信号和压力信号的观测或生成，在激励或询问位置或位置集合处入射在样品上；询问波束或波束集合，在询问位置或位置集合处入射到样品上；光学系统或系统集合，其在第一焦点或焦点集合处聚焦或引导激励波束或波束集合、在第二焦点或焦点集合处聚焦或引导信号增强波束以及在第三焦点或焦点集合处聚焦或引导询问波束，第一焦点、第二焦点和第三焦点或焦点集合在样品表面下方；询问和/或信号增强波束的一部分或从样品返回的波束集合，其指示所生成的PARS信号；光学检测器或光学检测器集合，用于检测所述询问波束和/或信号增强波束的返回部分；以及用于解释收集到的结果的处理单元。
TE-PARS的实施例可以包括几个PARS信号增强路径集合，这些信号增强路径也可以作为检测路径。
根据另一方面，提供了用于检测样品内部亚表面结构温度的感温光声遥感(temperature sensing photoacoustic remote sensing，TS-PARS)系统。
TS-PARS系统包括：激励波束或波束集合，被配置为在激励位置或位置集合处在样品中生成PARS信号；询问波束或波束集合，在询问位置或位置集合处入射到样品上；光学系统或系统集合，其将激励波束或波束集合聚焦或引导在第一焦点或焦点集合处，并且将询问波束聚焦或引导到第二焦点或焦点集合处，第一焦点和第二焦点或者焦点集合位于样品表面下方；询问波束的一部分或从样品返回的波束集合，其指示所生成的PARS信号；光学检测器或光学检测器集合，用于检测询问波束和/或信号增强波束的返回部分；以及用于解释收集的结果的温度处理单元。
根据另一方面，提供了超分辨率光声遥感(super-resolution photoacousticremote sensing，SR-PARS)系统，用于通过利用样品内的光学吸收对比度，以大于光学衍射极限所定义的分辨率对样品中的亚表面结构进行成像。
SR-PARS系统包括：激励波束或波束集合，被配置为在激励位置或位置集合处在样品中产生PARS信号；询问波束或波束集合，在询问位置或位置集合处入射到样品上；光学系统或系统集合，其将激励波束或波束集合聚焦或引导在第一焦点或焦点集合处，并且将询问波束聚焦或引导到第二焦点或焦点集合处，第一焦点和第二焦点或者焦点集合位于样品表面下方；询问波束的一部分或从样品返回的波束集合，其指示所生成的PARS信号；光学检测器或光学检测器集合，用于检测询问波束的返回部分；以及用于解释收集的结果的超分辨率处理单元。
根据另一方面，提供了光谱增强光声遥感(spectrally-enhanced photoacousticremote sensing，SE-PARS)系统，用于对样品中的亚表面结构进行成像，该系统利用色散效应和空间滤波方法对样品内的空间信息进行编码。
SE-PARS系统包括：激励波束或波束集合，被配置为在激励位置或位置集合处在样品中产生PARS信号；询问波束或波束集合，在询问位置或位置集合处入射到样品上；光学系统或光学系统集合，基于询问波束的波长或空间定位来分配询问波束；光学系统或系统集合，其将激励波束或波束集合聚焦或引导在第一焦点或焦点集合处，并且将询问波束聚焦或引导到第二焦点或焦点集合处，第一焦点和第二焦点或者焦点集合位于样品表面下方；询问波束的一部分或从样品返回的波束集合，其指示所生成的PARS信号；光学系统或光学系统集合，其基于询问波束的波长或空间定位重新组合询问波束；光学检测器或光学检测器集合，用于检测询问波束的返回部分；以及用于解释收集的结果的处理单元。
根据另一方面，提供了用于对样品中的亚表面结构进行成像的智能检测光声遥感(smart-detection photoacoustic remote sensing，SD-PARS)系统，该系统利用波长比吸收来编码或抑制样品中的空间信息。
SD-PARS系统包括：激励波束或波束集合，被配置为在激励位置或位置集合处在样品中产生PARS信号；询问波束或波束集合，在询问位置或位置集合处入射到样品上；光学系统或系统集合，其将激励波束或波束集合聚焦或引导在第一焦点或焦点集合处，并且将询问波束聚焦或引导到第二焦点或焦点集合处，第一焦点和第二焦点或者焦点集合位于样品表面下方；询问波束的一部分或从样品返回的波束集合，其指示所生成的PARS信号；以及用于解释收集的结果的处理单元。SD-PARS与标准PARS设备的区别在于，可以有目的地选择检测波长，从而抑制从特定区域产生的光声信号或PARS信号。例如，如果期望的目标被定位在大血管旁边，否则可能淹没来自期望目标的信号，则可以选择检测波长，以便通过在检测之前填充吸收能级来抑制来自血管的信号。相对于未抑制的信号，抑制的信号可以被抑制约1％至约100％。在其他示例中，相对于未抑制的信号，抑制的信号可以被抑制约5％至约95％、约10％至约90％、约25％至约75％或其他合适的部分。
TA-PARS、TE-PARS、TS-PARS、SE-PARS、SD-PARS和SR-PARS的实施例可包括PARS、TE-PARS、SE-PARS、SD-PARS、TA-PARS、TS-PARS和SR-PARS检测路径的多个集合。
PARS路径可包括但不限于美国专利号10,117,583所述的常规PARS、美国专利号10,327,646所述的非干涉型PARS、美国专利号10,627,338所述的基于相机的PARS、国际出版物号WO2019/145764所述的相干选通的PARS、于2020年3月3日提交的国际专利申请号PCT/IB2020/051804中描述的单一源PARS、以及于2019年12月19日提交的国际专利申请号PCT/IB2019/061131中描述的PARS扩展，它们的全部内容通过引用并入本文。
根据另一方面，提供了与光学相干断层扫描(PARS-optical coherencetomography，PARS-OCT)系统相结合的双模态光声遥感系统，用于对样品中的亚表面结构进行成像，该系统提供了组织的吸收和散射对比度。
PARS-OCT的PARS子系统包括：激励波束或波束集合，被配置为在激励位置或位置集合处在样品中产生压力和温度信号；询问波束或波束集合，在询问位置或位置集合处入射到样品上；光学系统或系统集合，其将激励波束或波束集合聚焦或引导在第一焦点或焦点集合处，并且将询问波束聚焦或引导到第二焦点或焦点集合处，第一焦点和第二焦点或者焦点集合位于样品表面下方；从样品返回的询问波束的一部分或询问波束集合，其指示所产生的压力和温度信号；光学检测器或光学检测器集合，用于检测询问的返回部分，以及用于解释收集的结果的处理单元。
PARS-OCT的OCT(optical coherence tomography，OCT)子系统包括：光源或光源集合；干涉仪或干涉仪集合，每个干涉仪具有单个或多个样品臂和参考臂，其中，样品臂将波束或波束集合的样品部分引导到第三焦点，参考臂将波束或波束集合的参考部分引导到已知长度的路径中；从样品臂返回的光的一部分，其指示由样品臂收集的散射；从参考臂返回的光的一部分，其指示由参考臂收集的散射；光学检测器或光学检测器集合，用于检测来自样品臂和参考臂的返回部分，以及用于解释收集的结果的处理单元。
根据另一方面，提供了与光学相干断层扫描(endoscopic photoacoustic remotesensing combined with optical coherence tomography，EPARS-OCT)结合的内窥镜光声遥感设备，该设备提供了样品的吸收和散射信息。
EPARS-OCT的PARS子系统包括：激励波束或波束集合，被配置为在激励位置或位置集合处在样品中产生压力和温度信号；询问波束或波束集合，在询问位置或位置集合处入射到样品上；具有输入端和检测端的光纤电缆或电缆集合；光学系统或系统集合，其将激励波束或波束集合聚焦或引导在第一焦点或焦点集合处，并且将询问波束聚焦或引导到第二焦点或焦点集合处，第一焦点和第二焦点或者焦点集合位于样品表面之下；从样品返回的询问波束的一部分或询问波束集合，其指示所产生的压力和温度信号；光学检测器或光学检测器集合，用于检测询问的返回部分，以及用于解释收集的结果的处理单元。
EPARS-OCT的OCT子系统包括：光源或光源集合；干涉仪或干涉仪集合，每个干涉仪具有单个或多个样品臂和参考臂，其中，样品臂通过具有输入端和检测端的光纤电缆或电缆集合将波束的样品部分或波束集合引导到第三焦点，参考臂将波束的参考部分或波束集合引导到已知长度的路径；从样品臂返回的光的一部分，其指示由样品臂收集的散射；从参考臂返回的光的一部分，其指示由参考臂收集的散射；光学检测器或光学检测器集合，用于检测来自样品臂和参考臂的返回部分，以及用于解释收集的结果的处理单元。
PARS-OCT的实施例可包括PARS检测路径和OCT检测路径的几个集合。
EPARS-OCT的实施例可包括PARS检测路径和OCT检测路径的几个集合。
PARS检测路径可包括但不限于于2018年11月6日公布的美国专利号10,117,583中所述的常规PARS、于2019年6月25日公布的美国专利号10,327,646所述的非干涉型PARS、于2020年4月21日公布的美国专利号10,627,338中所述基于相机的PARS、于2020年11月19日公开的美国出版物号2020/0359903中所述的相干门控的PARS、于2020年9月24日公开的WO2020/188386中所述的单源PARS、于2019年12月19日提交的国际专利申请号PCT/IB2019/061131中描述的PARS扩展、TA-PARS、TE-PARS、TS-PARS、SR-PARS、SE-PARS和SD-PARS。本说明书中描述的所有专利申请和专利通过引用全部并入本文。
OCT检测路径可包括但不限于TD-OCT、SS-OCT、SD-OCT或其他OCT实施例的已知实现。例如，具有宽带光源、扫描参考路径延迟和光电探测器的TD-OCT系统。作为另一个示例，具有调谐窄带源、固定参考路径延迟和光电探测器的SS-OCT系统。作为又一个示例，具有宽带光源、固定参考路径延迟和光谱仪的SD-OCT系统。
可以设想上述PARS或OCT路径的任何组合，例如指定的PARS-OCT。然而，也可以产生任何这样的组合或明显的扩展。
新型PARS信号提取算法可利用多种吸收诱导的调制效应，包括但不限于材料反射率、散射、偏振、相位累积、非线性吸收、非线性散射等的调制。这些可用于通过使用各种激励、检测波束和信号增强波束特性(包括但不限于波长、脉冲宽度、功率、能量、相干长度、重复率、曝光时间等的变化)来从样品内分离组成生色团的多重采集。这些属性可以采用适合任务的任何值。常见的范围可能包括：波长(纳米到微米)、脉冲宽度(阿秒到毫秒)、功率(阿瓦特到瓦特)、脉冲能量(阿焦耳到焦耳)、相干长度(纳米到千米)和重复频率(连续波到千兆赫兹)。与信号增强波束相比，激励波束通常可以使用较短的脉冲宽度(纳秒和亚纳秒)来实现，以引发PARS信号脉冲响应，而信号增强波束可以使用相对较长的脉冲宽度(纳秒和更长)来实现，因为信号增强波束可能只需要引发热扰动。例如，激励波束的脉冲宽度可以大于1ns，或小于1ns；并且信号增强波束的脉冲宽度可以更高。在给定的系统架构中，可以使用不同的波长或偏振状态来实现激励、检测和信号增强波长，以便在各个路径之间提供光学区分的手段。
其他新颖的PARS信号提取算法可以利用收集的时域行为的特性特征来提高信号保真度，增强图像对比度，并恢复关于样品形状、大小和尺寸的信息，或用于执行复用/功能成像。处理技术可以包括但不限于锁定放大(基于软件和硬件的实现)、机器学习方法、广义特征提取、多维分解和基于频率的特征提取以及信号处理方法。
PARS可用于基于目标的吸收、温度、极化、频率、相位、非线性吸收、组成、速度、荧光、非线性散射和散射含量来分解目标的组成。
它还可用于基于目标的吸收、温度、极化、频率、相位、非线性吸收、非线性散射和散射含量来离析目标的大小、形状、特征和尺寸。
通过利用不同波长、不同脉冲宽度、不同相干长度、重复频率、激光曝光时间和激光注量，PARS信号可用于使用目标的吸收含量、散射含量、荧光、偏振含量、频率含量和相位含量来离析目标。
PARS信号可由产生的压力支配，并基于其振幅/强度、频率含量、与极化变化相关的含量、荧光、二次谐波产生和相位变化进行分析，以提供信息。
PARS信号可由产生的温度控制，并基于其振幅/强度、荧光、频率含量、二次谐波产生、与极化变化相关的含量和相位变化进行分析，以提供信息。
PARS系统可被配置为捕获样品中任何光学吸收引起的变化。这种变化可以包括但不限于压力信号、温度信号、超声信号、自体荧光信号。
可收集样品的询问的一部分、信号增强、激励或自体荧光以形成图像。这些信号可用于分解样品的大小、形状、特征、尺寸、性质和成分。
在给定的架构中，可以收集从样品返回的光的任何部分，例如检测波束、激励波束或热增强波束。可以基于波长、相位、偏振等分析返回光，以捕获任何吸收引起的信号，包括压力、温度和光发射。以此方式，PARS可以同时捕获例如归因于每个检测、激励和热增强源的散射、自发荧光和偏振对比度。此外，可以特别选择PARS激光源来突出这些不同的对比机制。
其他方面将从下面的描述和权利要求中显而易见。
附图说明
在本专利文件中，“包含”一词在其非限制性意义上用于表示包含该词之后的项目，但不排除未特别提及的项目。不定冠词“一个(a)”对元素的引用并不要求有且只有一个元素。
以下权利要求的范围不应受到上述示例和附图中所述的优选实施例的限制，而是应给出与整体描述一致的最广泛的解释。
图1TE-PARS系统概述。
图2具有PARS激励和PARS检测的TE-PARS系统概述。
图3TE-PARS系统概述。
图4示出了TE-PARS与其他模态相结合的可能实现。
图5示出了TE-PARS信号的信号处理路径。
图6示出了多个PARS激励激光器的实现。
图7示出了多个PARS检测激光器的实现。
图8示出了多个PARS信号增强激光器的实现。
图9示出了多个激励激光器、多个检测激光器和多个信号增强激光器的实现。
图10示出了TE-PARS的系统布局的示例。
图11示出了TE-PARS的系统布局的又一示例。
图12示出了TE-PARS的系统布局的又一示例。
图13示出了将TE-PARS与其他模态组合的示例。
图14示出了使用连续热增强的TE-PARS成像方法的示例。
图15示出了使用脉冲热增强的TE-PARS成像方法的示例。
图16示出了PARS系统中信号生成的示意图。
图17示出了TE-PARS信号离析方法的示意图。
图18示出了用于超分辨率成像的信号流。
图19A-图19K示出了不同的点布置。
图20示出了基于TE-PARS的功能成像方法的示例。
图21示出了PARS激励序列和产生的PARS信号的示例。
图22示出了SE-PARS系统的实现。
图23示出了PARS-OCT系统的概述。
图24a-图24b示出了PARS-OCT系统成像臂的实现。
图25示出了PARS-OCT系统的实现。
图26a-图26c示出了OCT成像系统的机制。
图27示出了OCT信号数据处理路径的概述。
图28示出了人视网膜的示例OCT图像(B扫描)。
图29a-图29c示出了PARS成像系统的机制。
图30示出了PARS信号数据处理路径的概述。
图31a-图31b示出了示例PARS图像。
图32示出了PARS-OCT的示例系统布局。
图33示出了EPARS-OCT的另一个示例系统布局。
图34示出了PARS-OCT的又一示例系统布局。
图35示出了多模态PARS-OCT的示例系统布局。
图36示出了PARS-OCT的又一示例系统布局。
图37示出了TS-PARS的概述。
图38示出了TE-PARS、TS-PARS、SR-PARS和其他模态之间的示例组合。
图39示出了表征热增强源的PARS-OCT。
图40示出了PARS系统，其中，光学子系统围绕样品进行机械扫描。
图41示出了TS-PARS检测过程的示例。
图42示出了散射减法处理路径。
图43a-图43b示出了各种组成光束的示例，其表明可以在传输模式中实现一些路径。
图44a-图44k示出了PARS-OCT系统的不同光斑布置。
图45示出了散射减法处理路径的另一示例。
图46示出了SD-PARS组合散射和吸收对比度可视化的示例。
图47示出了通过改变SD-PARS检测源波长提供的不同对比度的示例。
图48示出了自体荧光敏感的全吸收PARS(total absorption PARS,TA-PARS)结构的示例。
图49示出了由自体荧光敏感全吸收PARS(TA-PARS)结构产生的可视化的示例。
图50示出了TA-PARS的示例。
具体实施方式
现在将详细参考附图中所示的本公开的示例。在可能的情况下，在整个图纸中将使用的相同的附图标记指的是相同或类似的零件。在接下来的讨论中，使用“大约”、“大致”、“近似”等相对术语来表示所述数值的可能变化。
由于PARS设备使用了两个可能处于共焦布置的光束，成像技术的空间分辨率可以被定义为激励定义(excitation-defined，ED)或询问定义(interrogation-defined，ID)，这取决于哪一个波束在样品处提供更紧密的焦点。这一方面还可以有助于对更深的目标成像，超出传统的基于接触的OR-PAM设备的限制。这可以通过利用诸如短波红外(如1310nm或1700nm)的深度穿透(长传输平均自由程)检测波长来实现，该波长可以在诸如生物组织的高度散射介质内提供比给定激励(如532nm)所提供的深度更高的空间分辨率。值得一提的是，如果使用多于两个波束，使得样品处的系统由多于两个焦点组成，那么这些部件的明显扩展将是预期的。例如，如果添加了在其焦点区域内放大信号的附加波束，它也可以有助于定义系统的预期分辨率。
本文所述的PARS系统与先前所述的PARS系统有根本不同。这些设备利用了新的物理发现，大大提高了先前报告的性能。包括PARS系统，其利用材料温度依赖性来增强吸收对比度(取决于被测材料，高达大约一个数量级)和PARS采集可用的灵敏度。利用材料饱和效应来超越仅由衍射受限光学器件提供的分辨率能力。现代空间光谱编码技术被集成，其可以将采集效率和成像速率提高几个数量级。这是由于减少扫描维度、允许按一维扫描顺序完成二维扫描或按二维扫描顺序完成三维扫描等的结果。而且，我们描述了用于多重采集的新处理技术，例如使用各种波束特性(波长、脉宽、功率、相干长度、重复率、曝光时间、信号频率含量和光学饱和、散射、偏振和相位效应等)的分离发色团，以及用于从时域信号中提取附加信息的处理技术。
可能的机制包括压力诱导的折射率调制、热诱导的折射指数调制、表面振荡和受限热膨胀引起的散射体位置调制。
温度和压力升高导致的折射率变化可能反过来影响光的散射。在一些情况下，检测到的PARS信号可由产生的压力和/或温度支配。
由于许多这些新颖的方面利用了本质上不同的物理效应，因此突出了这些添加。首先，在高度简化的抽象中，由注量φ的足够短的光脉冲产生的压力p0可以由以下关系定义
p0＝Γμaφ
其中，μa表示样品内的光学吸收，Γ称为格律乃森(Grüneisen)参数，该参数描述了材料特性的比率。然而，与压力升高同时出现的是暴露于PARS系统内的大量波束所导致的温度升高。这反过来又将通过修改格律乃森参数Γ和光学吸收μa来影响压力产生。这意味着压力产生的效率可能通过温度T来改变。在PARS设备中，压力上升p0通常作为来自激励区域的散射或反射率的变化来测量。光散射的这种变化可能由弹性光学效应引起，其中，压力p0按照给定检测波长λ的关系对局部折射进行数量δneo的调制
Figure BDA0004005236660000111
其中，∈是弹性光学系数，ns是样品的未受干扰的折射，ρ是密度，vs是声传播速度。同样，温度T的升高也将对局部折射产生一定量δnT(λ，T)的调制。然后，这些效应相互叠加，并将部分定义以下测量的PARS信号SPARS
SPARS(μa，φ，λ，T)∝δneo+δnT
因此，强度调制的PARS信号不仅依赖于光吸收和入射激励通量，还依赖于检测激光波长、通量和样品温度。PARS信号也可能来自其他效应，如散射体位置调制和表面振荡。PARS设备可能存在类似的模拟，其利用其他调制光学特性，例如强度、偏振、频率、相位、荧光、非线性散射、非线性吸收等。
由于材料特性取决于环境温度，因此PARS信号中存在相应的温度依赖性。这些温度依赖性可以促进利用PARS系统感测的温度。
温度依赖性还可以促进热增强光声遥感(TE-PARS)技术。TE-PARS系统可以使用除PARS激励和检测源之外的信号增强源。信号增强源可沉积光能，该光能改变局部材料特性，并因此改变诱导的压力调制。
在某些强度水平下，还可以利用附加的饱和效应。例如，光学吸收μa将在强度水平I0处经历饱和，接近特性饱和强度Isat
Figure BDA0004005236660000112
其中，μa0是饱和前材料的光学吸收。对于给定的激励强度的线性输入，这产生了信号的非线性空间分布。与在超分辨率荧光显微镜中利用非线性荧光效应的方式大致相同，PARS也可以利用这种非线性饱和来超过λ/2衍射分辨率极限。
上述机制指出了散射位置或散射截面调制的重要来源，当探针波束聚焦以感测受限激励体积时，这些来源可以很容易地测量。然而，这些大的局部信号并不是PARS信号的唯一潜在来源。传播到样品表面的声学信号也可能导致PARS信号的变化。这些声学信号也可以产生表面振荡，这导致PARS信号的相位调制。
这些生成的信号可能受到次要物理效应(如振动、温度、应力、表面粗糙度、机械弯曲等)的有意控制或影响。例如，可以将温度引入到样品中，与在没有引入该附加温度的情况下生成的信号相比，该温度可以增加生成的PARS信号。另一个示例可能涉及向样品引入机械应力(例如弯曲)，这又可能影响样品的密度，从而与未引入该机械应力的情况下已产生的PARS信号相比，干扰了产生的PARS信号。
可向样品中添加额外的造影剂以增强产生的PARS信号，这包括但不限于染料、蛋白质、特殊设计的细胞、液体和光学试剂或窗口。可以光学地改变目标以提供优化的结果。
温度变化直接影响在激励位置处由检测激光器测量的PARS信号。
最直接的影响可以用以下公式描述：
p0＝ΓηthμaF
其中，ηth是转换成热的光的百分比，F是局部光学通量(J/cm2)，无量纲格律乃森参数Γ定义为：
Figure BDA0004005236660000121
其中，β是体积膨胀的热系数(K-1)，κ是等温压缩性(Pa-1)，ρ是密度(kg/m3)。
信号增强波束在检测波束的焦点和/或信号增强波束的焦点处或附近沉积热，以改变与温度相关的格律乃森参数和材料的其他机械性质。根据上述关系，这导致更高的p0，因此更高的光声和PARS信号，其数量级取决于被测材料。例如，与不存在信号增强波束时的p0的值相比，信号增强波束可以将p0增加至少2倍、至少5倍、至少10倍、至少20倍。在其他示例中，信号增强波束可以将p0增加至少5％、至少10％、至少25％或至少50％。
另一种热增强效应集中在检测波束上。检测波束的背反射取决于材料的局部折射率。材料的反射指数也与温度有关。因此，我们可以使用信号增强源来沉积热，与材料的未修改光学特性相比，热将材料的光学特性改变百分之几。反过来，这又通过光学特性修改的大致平方来修改观察到的PARS信号的振幅。例如，使用对强度反射率扰动敏感的PARS检测，由于背反射强度和被测材料的折射率之间的关系，给定的折射率调制可能导致PARS振幅增加该差值的平方。
这些有限的示例突出了一些更直接的信号增强效果。然而，许多附加的材料特性与温度有关。我们可以用信号增强源瞄准任何这些材料特性。这可以修改观察到的PARS信号的振幅、频率含量等。
温度范围将保持适合于目标。例如，生物样品只应被加热几度。例如，样品在信号增强波束的焦点处的温度升高可以是0.1至1开尔文(Kelvin)、0.1至2开尔文、0.1至5开尔文、0.1至10开尔文，尽管也可以考虑其他合适的温度升高。
这些新披露所利用的另一个方面与所生成的PARS信号的散射、极化、频率和相位含量有关。激励事件发生在短时间段内，例如小于100ns，在这段时间内，检测信号中的监测调制包含大量信息。例如，较旧的PARS技术(仅监测强度背反射)可以提取这些时域信号的振幅。然而，可以从信号的时变方面提取附加信息。例如，PARS信号的一些散射、极化、频率和相位含量可归因于产生该信号的区域的大小、形状、特征和尺寸。这可以编码独特的/正交的附加信息，有助于提高最终图像保真度、对样品区域进行分类、确定组成发色团的大小和对组成发色团进行分类，等等。由于这样的技术可以为相同的询问区域生成独立的数据集，因此它们可以被组合或相互比较。例如，频率信息可以描述样品内的微观结构，这可以与常规PARS相结合，常规PARS使用散射调制来突出显示吸收和特定尺寸的区域。
本文件中的公开的最后一个方面围绕PARS设备与光学相干断层扫描(OCT)的组合。OCT是PARS设备的补充成像模式。PARS技术提供光学吸收对比度的可视化，而OCT成像设备提供光学散射对比度的可视化。每种方法都捕获关于样品的信息的独立集。例如，PARS可以产生具有高特异性的高对比度血管信息，OCT可以产生周围组织(例如附近的皮肤层)的高对比度信息。
OCT测量可以使用各种方法进行，如[US2010/0265511和US2014/0125952]中所述的时域光学相干断层扫描(time domain optical coherence tomography，TD-OCT)或频域光学相干断层扫描(frequency domain optical coherence tomography，FD-OCT)。
在TD-OCT中，激光通过干涉仪，其中，一个臂(参考臂)入射到可移动反射镜上，另一个臂(样品臂)入射到样品上。通常通过扫描参考路径长度并记录光学检测器(例如光电二极管)上产生的干涉图图案作为该长度的函数来提取散射信息。该图案的包络表示样品内反射率与深度的关系的图，通常称为A扫描，深度分辨率由源激光的相干长度给出。
FD-OCT同样常用于干涉仪、样品臂和参考臂。它通常分为两种不同的方法。第一种是光谱域光学相干断层扫描(spectral-domain optical coherence tomography，SD-OCT)或基于光谱仪的OCT，使用连续波宽带光源，并通过探测器臂中的色散光谱仪实现光谱分辨。第二种，称为扫频源光学相干断层扫描(swept-source optical coherencetomography,SS-OCT)，通过在宽光学带宽内快速调谐窄带源，对波数反射率进行时间编码。这两种技术都可以允许比TD-OCT显著提高高达15.0-20.0dB的SNR。
在OCT系统中，通常采集多次A扫描，同时横向扫描组织表面的样品波束，建立反射率与深度和横向范围的二维图，通常称为B扫描。B扫描的横向分辨率近似于样品臂光学系统的共焦分辨率，通常由组织中聚焦光斑的大小给出。
OCT领域在提供定量光学吸收测量方面已开展了大量工作。这在需要对眼底进行氧饱和度测量的眼科成像界尤其感兴趣。关于这一主题已经有几项值得注意的工作，但目前的方法仍然无法直接进行光学吸收测量(与PARS模态不同)。而是，必须通过使用可见探针源来推断光学吸收，这可以极大地限制样品的穿透深度。提供改进的光学吸收模态将对生物医学成像界大有裨益。
鉴于PARS和OCT之间的这些互补特性，用OCT增强PARS将有明显的好处。这里讨论了双模态PARS OCT系统的新技术细节。
图1示出了TE-PARS系统的高级图。这包括PARS系统(101)、光学组合器(102)、信号增强系统(103)和成像头(104)。光学组合器用于组合来自PARS系统(101)和信号增强系统(103)的波束。
图2示出了描绘了PARS激励(202)、PARS检测(204)和光学组合器(203)的高级图。它们与信号增强系统(201)和成像头(205)相结合。
图3示出了SR-PARS系统的高级图。这包括超分辨率处理单元(301)、PARS系统(302)、光学组合器(303)、信号增强系统(304)和成像头(305)。
图4示出了与其他模态(405)相结合的TE-PARS系统的高级实施例。这包括PARS系统(401)、光学组合器(402)、信号增强系统(403)和成像头(404)。这些可以与多种其他模态相结合，例如亮场显微镜、扫描激光检眼镜、超声成像、受激拉曼显微镜、荧光显微镜、双光子和共焦荧光显微镜、相干反拉曼斯托克斯显微镜、拉曼显微镜、其他PARS、光声和超声系统等。
图5示出了信号处理路径。它包括光学检测器(501)、信号处理单元(502)、数字转换器(503)、数字信号处理单元(504)和信号提取单元(505)。
图6示出了与光学组合器组合的多激励激光器的实施例。
图7示出了与光学组合器组合的多检测激光器的实施例。
图8示出了与光学组合器组合的多信号增强激光器的实施例。
图9示出了与光学组合器组合的多激励激光器、多检测激光器和多信号增强激光器的实施例。
图10示出了TE-PARS的一种实现。多波长光纤激励激光器(1012)用于产生PARS信号。激励波束(1017)穿过多波长单元(1040)和透镜系统(1042)以将激励波束(1017)调节为聚焦在样品(1018)上。用于调节焦点的光学子系统可以由本领域技术人员已知的部件构成，包括但不限于波束扩展器、可调节波束扩展器、可调节准直器、可调节反射扩展器、望远镜系统等。使用来自检测激光器(1014)的短或长相干长度探测波束(1016)来询问声学特征，所述探测波束与样品(1018)上的激励点共同聚焦并共同对准。询问/探测波束(1016)穿过透镜系统(1043)、偏振分束器(1044)和四分之一波片(1056)，以将反射光(1020)从样品(1018)引导到光电二极管(1046)。然而，该结构不限于包括偏振分束器(1044)和四分之一波片(1056)。上述部件可以替代基于光纤的等效部件，例如循环器、耦合器、WDM和/或双包层光纤等非互易元件。这样的元件可以从第一路径接收光，但随后将所述光重定向到第二路径。信号增强激光器(1061)用于使用信号增强波束(1060)来增强PARS信号。信号增强波束(1060)穿过透镜系统(1045)以将信号增强波束(1060)调整为聚焦在样品(1018)上。使用波束组合器(1031)将信号增强波束(1060)与询问波束(1016)组合。使用另一个波束组合器(1030)将组合的信号增强波束(1060)和询问波束(1016)进一步与激励波束组合。组合波束(1021)由扫描单元(1019)扫描。这穿过物镜(1055)并聚焦到样品(1018)上。反射波束(1020)沿着同一路径返回，并被偏振分束器(1044)反射到信号收集/分析路径。该路径由光电二极管(1046)、放大器(1048)、快速数据采集卡(1050)和计算机(1052)组成。在一些实施例中，信号增强波束可以不沿着与其他波束相同的路径被引导，因为它不一定需要在激励位置处紧密聚焦到样品上。信号增强波束可以包括激励波束的询问波束的任何一个或更多个参数。可以使用单独的光学器件从任何角度定向信号增强波束。信号增强波束可以聚焦在未聚焦上。信号增强波束可以是脉冲的、连续的，并且可以是取决于样品的任何波长。
可以选择信号增强波束的波束属性，以便提供所需的增强。可以基于在与激励相同类型的范围内适合于所需对比度的波长来选择波长。与其他两个波束相比，强度可能相对较低，但同样在类似类型的范围内。
图11示出了TE-PARS的另一个实施例。该实施方式与图10所示的实施方式类似，但使用扫描单元(1111)相对于询问点移动样品，而不是围绕样品扫描询问点。与图10中的部件具有相同附图标记的部件在该架构中具有相同的用途。
图12示出了TE-PARS的又一个实施例。该实施方式与图10所示的实施方式类似，但增加了收集和分析从样品反射的信号增强波束的部件(1210)。信号增强波束(1260)穿过透镜系统(1245)、偏振分束器(1259)和四分之一波片(1257)。该波束与样品上的询问波束(1216)和激励波束(1217)共同聚焦。反射的信号增强波束(1210)被反射到由光电二极管(1258)、放大器(1268)、数据采集卡(1269)和计算机(1270)组成的信号收集路径上。注意，该特定示例突出了非干涉检测，然而，信号增强检测可以采取包括干涉设计的任何先前列举的PARS检测路径的形式。与图10中的部件具有相同附图标记的部件在该架构中具有相同的用途。
图13示出了多模态TE-PARS系统的又一实施例。该实施方式与图10相似，但增加了亮场检测，其中，波束组合器(1373)将光引导通过管透镜(1371)并到达相机(1372)。可以以这种方式添加附加模态，例如亮场显微镜、扫描激光检眼镜、超声成像、受激拉曼显微镜、荧光显微镜、双光子和共焦荧光显微镜、相干反拉曼斯托克斯显微镜、拉曼显微镜、其他PARS、光声和超声系统等。与图10中的部件具有相同附图标记的部件在该架构中具有相同的用途。这种集成的附加路径可能需要在窄波段上操作，这些窄波段在朝向样品的唯一路径上保持开放。这可能涉及仔细选择模态之间的工作波长。这种方法的潜在好处是，单个包含的设备可能能够提供不同模态的广泛补充，每种模态都有各自的好处。例如，在图13中，相机的加入允许传统的亮场显微镜可以提供不同的对比度，并且与共同集成的PARS设备相比实现了不同的成像速率。
图14示出了标准PARS采集(左)和TE-PARS采集(右)之间的比较。TE-PARS采集使用由信号增强激光器产生的附加热量(1毫开尔文至10开尔文、20开尔文、30开尔文、40开尔文、50开尔文、60开尔文、70开尔文、80开尔文、90开尔文、100开尔文或更高)来提高光声转换效率，从而导致来自该区域的背反射强度的更大调制，高达大约一个数量级。该附加信号可用于简单地增强整体保真度，或突出不同于激励的来自波长的对比度。在一些示例中，TE-PARS可将信噪比提高至少5％。在一些示例中，TE-PARS可实现高达1000％的光声转换效率。例如，这里的激励使用波长“a”来捕获基线PARS信号。然后，使用相同的激励波长进行另一次采集，但现在使用发射波长“b”的信号增强激光。这两个信号之间的差异可以直接归因于信号增强波长处的吸收。
图15示出了使用具有脉冲信号增强波束的TE-PARS的信号采集过程的示例。在本示例中，在两次标准PARS采集之间使用中红外(mid-infrared,MIR)增强波束。这些PARS采集中的一个直接跟随MIR脉冲，使得其经历由MIR激励引起的温度升高带来的附加PARS激励。
图16示出了标准PARS采集使用的信号采集过程的示例。信号生成仅基于激励脉冲的吸收。
图17示出了进行多重采集的TE-PARS使用的信号采集过程的示例。在传统的光声中，通过使用多个激励波长来进行多重采集。然而，TE-PARS可以使用单个激励波长以及不同的信号增强波长。因此，该方法可用于基于多个发色团在信号增强波长下的光吸收来分离多个发色团。尽管每个原始数据集都提供了这些成分的超级位置，但这可以促进独立成分部件(如发色团)的可视化。在一些实施例中，该系统可以将不同的发色团(例如血红蛋白、DNA和脂质)彼此分离(因为它们可以在复杂的组织中混合)。然后，它们可以被赋予不同的颜色图，并且可以显示在一幅图像中。此外，现在可以通过观察该图像来容易地区分发色团/目标。
图18示出了SR-PARS使用的信号采集过程的示例。在各种已知的激励能量下执行多个标准PARS采集。由于饱和效应，观察到的输出PARS信号可以反过来提供这些激励能量的非线性相关。可以利用诸如通过利用样品内的非线性光学吸收对比效应(例如光学强度引起的光学吸收衰减(有时称为光漂白))和材料性质的非线性热相关性(例如热膨胀系数)的系统实现比光学衍射极限更紧的分辨率。该算法可以使用样品的若干扫描作为输入，使得非线性PARS信号生成可以在采集时允许应用基于范德蒙德矩阵的过程来分离N'阶幂关系。PARS超分辨率处理算法可以利用这些非线性效应，然后提取更高阶空间频率，从而提高分辨率，该分辨率可能超过光学衍射极限。
图19示出了几个局部点定位条件的示例。各个波束(1901)、(1902)、(1903)中的每一个可以表示激励波束、检测波束或信号增强波束中的任何一个。图19a突出显示了一个方向，在该方向上，激励波束、检测波束和信号增强波束中的一个形成相对于其他两个波束的较小焦斑。同样，图19b突出显示了另一种情况，其中，激励波束、检测波束和信号增强波束中的两个形成比第三波束更小的焦斑。图19c举例说明了第三种情况，其中，在激励波束、检测波束和信号增强波束的每一个中，形成几乎相等的焦斑。图19d和19e显示了聚焦条件，其中，组成波束的光斑在焦斑处没有完全重叠，而是在横向方向上移位。在第一种情况(图19d)中，单个波束移位，而其他两个波束保持重叠，在第二种情况(图19e)中，所有三个波束相对于彼此移位。与图19d和图19e类似，图19f和图19g显示了聚焦条件，其中，组成波束的光斑在焦斑处不重叠，而是在轴向上移位。在第一种情况(图19f)中，单个波束移位，而其他两个波束保持重叠，在第二种情况(图19g)中，所有三个波束相对于彼此移位。根据成像会话的要求，这些位移可以是任何合理的值。图19h和图19i突出显示了中心波束轴在它们之间和样品之间形成角度的情况，其中，该角度通常可以与样品表面成5到90度。图19h突出显示了在修改第三波束的角度时，两个波束保持共对准的情况。图19i显示了每个波束相对于其他波束保持独立角度的情况。最后，图19j和图19k显示了扫描样品(1910)的两种不同情况。在图19k中，样品直接放置在波束路径内，替代地，在图19j中，样品之前的波束路径中有一些散射介质或光学窗口(1911)，样品之前波束路径中的常见介质的示例是容纳样品的玻璃玻片或盖玻片。该图并非限制性的，并且在系统包括多于三个波束的情况下具有明显的扩展。可以通过将波束调整为对准一个或更多个聚焦光学器件来控制这些各种条件。例如，激励可以相对于其他波束转向一侧，以产生类似于图19d的条件。同样，激励焦点可以相对于其他两个波束轴向移动，以产生类似于图19f的条件。在某些情况下，例如快速光学扫描，可能需要有意地使这些焦点错位，例如，需要使询问点跟踪激励点以补偿快速焦点扫描。相对于彼此对波束进行倾斜(图19h和图19i)可能提高检测灵敏度，这是因为横向光学散射比反向光学散射更普遍。另一个好处可以来自利用一个波束的紧密的横向聚焦，通过使它们以大约90度彼此重叠来补偿另一个波束相对较差的轴向聚焦。
图20示出了TE-PARS进行多重采集使用的信号处理的另一示例。这里，热效应用于测量两个组成发色团的比例。在一种情况下(样品1)，检测波长“c”的吸收比检测波长“a”的吸收高，导致波长“c”处的返回信号较低，而波长“a”处的返回信号较高。同样，在样品2中，检测波长“a”的吸收高于检测波长“c”的吸收，导致波长“c”处的返回信号较高，而波长“a”处的返回信号较低。返回振幅的这些差异主要归因于目标对每个波长“a”和“c”的光学吸收的差异。此外，样品1和样品2的比例可以基于波长“a”相对于波长“c”的返回信号的比例来确定。通过以这种方式利用热增强效应，可以仅利用单个激励源来执行发色团离析。
图21示出了TE-PARS系统的示例，该系统利用具有变化的脉冲宽度、能量、波长和脉冲定时的定制激励脉冲串来在样品内引起特定的热效应和压力效应。这些脉冲串可用于成形和设计特定的定制PARS信号。此外，这样的激励脉冲串可用于增强来自特定发色团的信号、抑制来自特定发色团的信号，生成特定形状和频率的信号以帮助信号提取等。例如，可以相对于第一脉冲对第二脉冲进行定时，使得第一信号的弛豫周期与第二信号的峰值一致，从而进一步增大整体信号振幅。
图22演示了SE-PARS检测系统的实施方式。该实施方式利用了与图10至图13所示类似的PARS激励和传递系统，但增加了部件以编码与检测波束(2270)光谱域内焦平面中焦点的空间分布相关的信息。这可以省略对小视场的光学或机械扫描的要求，并且可以促进通过单个光纤对空间信息进行编码，其中，空间分布被编码在光谱分布内。检测波束(2216)穿过透镜系统(2243)、偏振分束器(2244)和四分之一波片(2256)。然后，波束穿过衍射光学器件(2232)，该衍射光学器件基于光波长横向扩展检测波束。然后，通过扫描单元(2219)和物镜(2255)，加宽的波束与激励波束(2221)共同聚焦在样品(2218)上。反射的信号检测波束(2220)被反射到信号收集路径上，该信号收集路径由另一衍射光学器件(2233)、透镜(2257)、光电二极管阵列(2246)、放大器(2248)、数据采集卡(2250)和计算机(2252)组成，该衍射光学器件(2233)基于光波长横向扩展检测波束，透镜(2257)用于将光聚焦到光电二极管阵列上。与图10中的部件具有相同附图标记的部件在该架构中具有相同的用途。
还可以设想TE-PARS、TS-PARS、TA-PARS、SE-PARS、SD-PARS或SR-PARS，其使用用于PARS激励、PARS检测和信号增强路径的所有组成路径或路径集合的单个光源。在这些模态中的任何一种中，一个或更多个波束路径可以以透射模式定向，这意味着收集光学器件被放置在样品的相对侧，以将光引导至样品处。
图23示出了PARS-OCT系统的高级概述。这由PARS成像系统(2301)、OCT成像系统(2303)、光学组合器(2302)和将波束路径聚焦到样品(2305)上的成像头(2304)组成。
图24演示了PARS成像子系统(2301)和OCT成像子系统(2303)的实施方式。图24(a)示出了PARS子系统(2301)的一种实施方式，该子系统由一个或更多个PARS系统配置(1、2、…、N)的一个或更多个PARS系统(2401)组成，该配置可以包括但不限于：单源、双源、脉冲检测等。然后，其输出通过光学组合器(2402)耦合，该光学组合器可以用诸如自由空间波束组合器、自由空间分色镜、基于光纤的干涉仪、基于光纤的耦合器等设备实现。图24(b)示出了OCT子系统(2303)的一种实施方式，该子系统由一个或更多个OCT系统配置(1、2、…、M)的一个或更多个OCT系统(2404)组成，OCT系统配置可以包括但不限于：光谱域OCT(SD-OCT)、扫描源OCT(SS-OCT)、时域OCT(TD-OCT)、全场OCT(full-field OCT,FF-OCT)、线场OCT(line-field OCT,LF-OCT)、偏振敏感OCT(polarization-sensitive OCT,PS-OCT)、Gabor域OCT(Gabor-domain OCT,GD-OCT)等。然后，其输出通过光学组合器(2403)耦合，该光学组合器可以用诸如自由空间波束组合器、自由空间分色镜、基于光纤的干涉仪、基于光纤的耦合器等设备实现。
图25演示了PARS子系统(2501)、OCT子系统(2502)的组合，如图24所示，以及附加的候补成像子系统(2503)。候补成像子系统可以是但不限于：亮场显微镜、扫描激光检眼镜、超声成像、受激拉曼显微镜、荧光显微镜、双光子和共焦荧光显微镜、相干反拉曼斯托克斯显微镜、拉曼显微镜、其他PARS、光声和超声系统等。然后通过光学组合器(2504)组合这些子系统(2501、2502、2503)，光学组合器可以用诸如自由空间波束组合器、自由空间分色镜、基于光纤的干涉仪、基于光纤的耦合器等设备来实现。
图26描述了OCT信号生成和捕获的机制。图26(a)示出了特定深度的时域干涉图的代表性示例。图26(b)显示了OCT系统的傅里叶域干涉图的代表性示例。图26(c)显示了试图捕获深度下的散射对比度的OCT系统的A扫描的代表性示例。
图27描述了示例OCT系统的信号处理路径。OCT光学检测器信号(2701)可以用包括但不限于光电二极管、雪崩光电二极管、光电管、光电倍增管、互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)相机、电荷耦合元件(Charge-coupled Device,CCD)相机(包括电子倍增CCD(Electron Multiplier CCD,EM-CCD)、增强型CCD、背减薄和冷却型CCD)、光谱仪等设备来捕获。然后，该信号可以经历模拟信号处理(2702)，模拟信号处理(2702)包括但不限于低通滤波、高通滤波、放大、衰减等。此外，信号还可以通过候补路径(2703)被馈送，以突出显示不同的信号特性，利用候补的模拟处理或缺乏其本身。然后，处理的或/和未处理的OCT信号经历信号数字化(2704)。该数字信号然后经历数字信号处理(2705)，其可以包括但不限于低通滤波、高通滤波、希尔伯特变换、傅里叶变换等。在一些实施例中，可从该完全处理的信号提取关键特征(2706)以产生OCT图像，可包括但不限于绝对最大投影等技术。
图28描绘了人类视网膜的代表性OCT图像(B扫描)。这张图像是用SS-OCT系统捕获的，显示出显著的散射对比度，允许对视网膜生理机能进行详细分析。
图29描述了产生和捕获PARS信号的机制。图29(a)示出了示例成像会话期间PARS信号、激励激光激活信号和询问激光激活信号随时间变化的代表性示例。在这种情况下，示例PARS系统由CW询问激光器和脉冲激励激光器实现。在图29(a)中，突出显示了几个时间点，以帮助演示该PARS系统的功能。这里，询问波束在所有时间点都是激活的。在时间点t1，激励激光器是非激活的，并且测量的PARS信号保持静止，具有恒定(DC)偏移。在时间点t2，激励激光器刚刚传送了短脉冲，并且当样品现在已经被激励时，可以在光热和光声信号中看到可测量的AC波形。在时间点t3，PARS信号现在已经返回静止，因为从激励脉冲起已经过了足够的时间。图29(b)演示了从非吸收介质移动到吸收介质的边界层深度转换的压力变化和折射率变化。这表示图29(a)中时间点t1和t3的样品特性。在该示例中，一旦进入吸收介质，折射率就恒定增加，并且当样品静止时，当进入吸收介质时没有压力变化。图29(c)演示了从非吸收介质移动到吸收介质的边界层深度转换上的样品压力梯度和折射率。这代表了图29(a)中时间点t2的样品特性。此时，样品刚刚从激励激光器发出脉冲，该脉冲在吸收介质中的深度上引起大的压力梯度。压力的这种大的增加导致样品的折射率发生变化，这导致询问激光器的返回光强度发生可测量的变化。这可以被看作图29(a)中PARS信号中的AC波形。
图30描述了用于示例PARS系统的信号处理路径。PARS光学检测器信号(3001)可以用包括但不限于光电二极管、雪崩光电二极管、光电管、光电倍增管、CMOS相机、CCD相机(包括EM-CCD、增强型CCD、背减薄和冷却型CCD)、光谱仪等设备来捕获。然后，该信号可以经历模拟信号处理(3002)，其可以包括但不限于低通滤波、高通滤波、放大、衰减等。此外，还可以通过候补路径(3003)馈送该信号以突出显示不同的信号特性。然后，处理的或/和未处理的PARS信号经历信号数字化(3004)。然后，该数字信号可以经历数字信号处理(3005)，其可以包括但不限于低通滤波、高通滤波、希尔伯特变换、傅里叶变换、PARS信号识别方法、提取极化、相位和频率含量等。在一些实施例中，可以从该完全处理的信号中提取关键特征(3006)，以生成PARS图像，其可能包括但不限于绝对最大投影、峰值频率等技术。
图31描绘了两个PARS图像，其实现了到目标特定吸收体的不同的激励波长。图31(a)描绘了小鼠耳中脉管系统的体内PARS图像，利用目标血红蛋白的绿光(532nm)吸收对比度。图31(b)描绘了人体组织的离体PARS图像，利用目标DNA的紫外光(266nm)吸收对比度。
图32突出显示了PARS-OCT的一种实施方式。在该示例中，来自询问源(3222)的波束穿过适当的准直器(3208)并被引导到偏振分束器(3214)、四分之一波片(3215)中，并且被引导朝向适当的分色镜(3216)；以及与来自脉冲激光器(3230)和适当的准直器(3212)的激励波束(3228)一起，朝向样品路径。在OCT子系统中，来自宽带光源(3225)的波束以适当的分割比被引导到自由空间/光纤耦合器分束器(3202)中，并被划分成参考波束(3227)和样品波束(3226)。这些系统可能需要能够提供宽照明光谱的波束，例如宽带CW源或扫频源。极化控制器(3204)可用于最大化干扰效率。参考波束由适当的准直器(3203)准直并穿过色散补偿单元(3205)，并且使用适当的透镜(3206)聚焦在参考镜(3207)上。样品波束被引导朝向适当的分色镜(3223)，并与PARS激励(3228)和询问(3229)波束组合。然后，所有波束都被引导朝向样品(3220)。在这种情况下，检流计扫描镜(3217)与一对远心透镜(3218)和物镜(3219)一起使用。返回波束被引导朝向分色镜(3223)，并被分离成OCT和PARS询问波束。OCT样品波束与参考波束干涉，混合由适当的检测器(3201)检测，信号被引导朝向相应的处理器(3224)。PARS询问波束被引导朝向适当的滤波器(3209)以滤除询问波束光谱范围，并且使用适当的透镜(3210)聚焦到检测器(3211)上，信号在相应的处理器(3221)中被后处理。
图33突出显示了EPARS-OCT的实施方式。该实施方式与来自图32的实施方式相似，不同之处在于波束的组合通过内窥镜(3331)被传送到样品，内窥镜包括但不限于准直器(3332)以及适当的成像光学器件(3333和3334)。
图34突出显示了PARS-OCT的另一种新颖的实施方式，其中PARS激励和OCT光源是共享的(3436)，其中，光源可以是但不限于纳秒脉冲超连续光谱激光器，指向适当的分色镜(3435)以分离PARS激励(3437)和OCT照明(3438)波束。如果光源(3436)以这种方式在多个路径之间共享，则可能需要宽带输出，该宽带输出可以被滤波到所需的子部分(PARS、OCT等)或可调谐，从而可以单独满足每个要求。除了宽带性质之外，它可能不需要任何特殊的特性，除了其他系统的单个波束源所特有的特性。这样的设备布局可以提供优于为每个路径使用单独源的架构的显著优势。这些优势中的一些可能包括总体设备成本、尺寸、易于维护(包括诸如对准之类的项目)等。例如，由于多个路径可以共享同一波长，因此可以使系统对准更容易，从而减少不期望的色散效应。在此示例中，系统实施例的其余部分与图32中的类似。
图35突出显示了多模态PARS-OCT系统的另一种实施方式。该实施方式与来自图32中的实施方式类似。但是，使用两个波束组合器(3542)而不是单个组合器来组合PARS波束、OCT波束和亮场显微镜波束(3541)。这里，亮场检测被实现为管透镜(3540)和相机(3539)。可以以这种方式添加其他模态，例如荧光显微镜、扫描激光检眼镜、超声成像等。
图36突出显示了PARS-OCT的另一种新颖实施方式，其中，PARS询问和OCT光源是共享的(3643)，其中，光源可以是但不限于连续波(continuous wave,CW)激光器，指向适当的波束组合器(3644)以分离PARS询问(3646)波束和OCT照明(3645)波束。这样的设备布局可以提供优于为每个路径使用单独源的架构的显著优势。这些优点中的一些可能包括总体设备成本、尺寸、易于维护(包括诸如对准之类的项目)等。例如，由于多个路径可以共享同一波长，因此可以使系统对准更容易，从而减少不期望的色散效应。在此示例中，系统实施例的其余部分与图32中的类似。
同样，可以设想类似的系统组合，其使用用于PARS激励、PARS询问和OCT波束的所有三个的单个(即，完全且仅一个)激光源。
图37突出显示了TS-PARS系统的框图。这可以被实现为传统的PARS系统(3702)，其被组合(3703)并且通过成像头(3704)被引导到样品上。这里，至少一个显著的区别在于增加了温度感测单元(3701)，其可以对包含在PARS信号中的信息进行解码并对其进行解释以产生样品的绝对或相对温度测量。可以将单个PARS测量值与给定温度下给定样品的已知信号进行比较。同样，对于给定样品，可以将多个PARS测量值相互比较，以在这些多个测量值之间产生温度的相对变化。感测单元和/或控制器然后将PARS信号中的这些相对变化转换为相对或绝对温度测量值。
图38突出显示了多个所描述的系统之间的组合的框图，在这种情况下是TS-PARS(3809)、SR-PARS(3801)、TE-PARS(3808)和其他模态(3806)集合之间的组合。这些单独的系统被组合(3802、3803、3804、3807)并在被引导到样品上之前被引导到单个成像头(3805)中。本文描述的系统的其它组合可以类似地被组合。
图39突出显示了表征热增强源的又一PARS-OCT实施方式。信号增强激光器(3947)用于使用信号增强波束(3949)增强PARS信号。来自激光器的增强波束穿过适当的准直器(3948)，并使用适当的波束组合器(3950)与PARS询问波束(3929)组合。在此示例中，系统实施例的其余部分与图32中的类似。
图40突出显示了干扰OCT实施方式，其中，光学子系统围绕样品机械地扫描。在该示例中，成像头安装在机械扫描台(4051)单元上，该机械扫描台单元能够进行横向、轴向和旋转扫描。在此示例中，系统实施例的其余部分与图32中的类似。
图41提供了TS-PARS中可能存在的温度感测处理的高级描述。随着样品温度的变化(在本示例中从25°至35°)，光声压力产生的效率也发生变化。在这种情况下，对于恒定的激励能级(脉冲a、b、c、d)，输出信号随着温度的升高而增加。然后可以记录这些温度调制，并将其拟合到预期的温度相关模型，以提取样品内温度的相对或绝对变化。
图42示出了散射补偿方法的高级概述。PARS信号强烈依赖于未受干扰的反向散射光，因此依赖于样品的局部散射效率。为了将PARS信号振幅与局部散射效率解耦，使用用于任务的唯一控制器从PARS信号中提取并去除后向散射振幅，该控制器可以是与前述或稍后提及的控制器中的任何控制器相同的控制器，或是不同的控制器。控制器从PARS信号中减去收集的散射对比度，PARS信号用于减少来自随机散射光子的背景噪声，并放大信噪比。
在TE-PARS、TS-PARS、SE-PARS、SD-PARS、TA-PARS、SR-PARS、PARS或OCT-PARS模态中的任何一种模态中，一个或更多个波束路径可以以透射模式定向，这意味着波束采集光学器件被放置在样品的相对侧，与将光引导到样品处的光学器件相对。图43举例说明了这种情况，在TE-PARS系统的示例中，这里的波束(4301)、(4302)和(4303)分别表示TE-PARS激励波束、检测和波束信号增强波束中的任何一个。在每种情况下，这些波束中的一个或更多个可以与其他波束在相同或相反的方向上定向。此外，这些方向性并非旨在限制，可以应用于图21所示的任何示例性波束重叠条件，或任何其他逻辑波束定位。当薄样品(<1mm)成像时，这可能产生一些潜在的优点，因为与后向散射相比，前向散射往往更显著。同样，这样的实施方式可以通过不要求所有模态经由同一物镜到达样品处来帮助支持同时使用多个模态，从而大大提高了复用能力。
图44示出了PARS-OCT的几个局部点定位条件的示例。各个波束(4401)、(4402)、(4403)中的每一个可以表示任何激励波束、检测波束、信号增强波束或OCT波束。图44a突出显示了PARS或OCT激励波束、检测波束和信号增强波束中的一个与其他两个波束相比形成较小焦斑的方向。同样，图44b突出显示了替代情况，其中，激励波束、检测波束和信号增强波束中的两个形成比第三波束更小的焦斑。图44b举例说明了第三种情况，其中在PARS或OCT激励波束、检测波束和信号增强波束中的每一个中都形成了几乎相等的焦斑。图44d和图44e显示了聚焦条件，其中，组成波束的光斑在焦斑处没有完全重叠，而是在横向方向上移位。在第一种情况下(图44d)，单个波束发生位移，而其他两个波束保持重叠，在第二种情况下(图44e)，所有三个波束相对于彼此发生位移。与图44d和图44e类似，图44f和图44g示出了组成波束的光斑在焦斑处不重叠，而是在轴向上移位的聚焦条件。在第一种情况下(图44f)，单个波束发生位移，而其他两个波束保持重叠，在第二种情况下(图44g)，所有三个波束相对于彼此发生位移。根据成像会话的要求，这些位移可以是任何合理的值。图44h和图44i突出显示了中心波束轴在它们之间和样品之间形成角度的情况，其中该角度通常与样品表面成5到90度的范围。图44h突出显示了在修改第三波束的角度时，两个波束保持共对准的情况。图44i显示了每个波束相对于其他波束保持独立角度的情况。最后，图44j和图44k显示了扫描样品(4410)的两种不同情况。在图44k中，样品直接放置在波束路径内，替代地，在图44j中，样品之前的波束路径中有一些散射介质或光学窗口(4411)，样品之前的波束路径中的常见介质的示例是容纳样品的玻璃玻片或盖玻片。该图并非限制性的，并且在系统包括多于三个波束的情况下具有明显的扩展。
图45示出了PARS信号增强的另一高级示例。由于PARS信号对后向散射光和样品的局部散射特性有很强的依赖性，因此通过去除标准PARS采集中固有的剩余散射对比度，可以利用该信息来再现光学吸收对比度的更精确的可视化。在一些应用中，可以单独收集来自检测激光器、信号增强激光器或激励激光器的散射含量。这些信号可以被减去或添加到PARS信号中，并且可以基于它们的振幅、相位、极化和频率含量来单独分析，以提供关于样品的附加信息。在所示的示例中，为了将PARS信号振幅与局部散射效率解耦，独立于PARS信号提取局部反向散射振幅。在本示例中，两个PARS信号似乎具有同一振幅，尽管在“b”情况下反向散射明显较少。为了减少局部散射效应，PARS信号相对于其测量的局部散射振幅被归一化。如这里所例示的，这用于放大具有低散射振幅的信号并减少具有强散射振幅的信号。可以收集任何检测、信号增强或激励的光学特性，包括偏振、频率、相位含量、荧光等。可以将该信息与PARS信号混合、相减、相加或以其他方式增强，以实现期望的信号修改结果。
在至少一些PARS实施例中，可能仅测量(来自激励源的)吸收对比度。在SD-PARS的实施例中，测量散射对比度(仅检测源)和吸收对比度(归因于激励和检测源)。这可以直接用于生成可视化，即为每个图像提供不同的颜色(PARS吸收和散射)并叠加结果。替代地，可以利用波长比吸收和散射来揭示或抑制样品内的信息。
在SD-PARS中，可以有目的地选择检测波长，从而抑制从特定区域产生的光声或PARS信号。例如，如果期望的目标被定位在大血管旁边，这可能淹没来自期望目标的信号，则可以选择检测波长，以便通过在检测之前填充吸收能级来抑制来自血管的信号。在SD-PARS中，还可以选择检测波长以突出显示归因于样品内感兴趣区域的散射对比度。例如，当对组织成像时，可以选择高度散射的波长来突出显示形态结构。
在SD-PARS中，可以应用特定的信号提取算法，这取决于PARS吸收和散射时域行为。可以选择SD-PARS询问以突出显示样品特定散射、吸收、荧光、偏振含量、频率含量和相位含量。在SD-PARS询问中编码的该额外信息可应用于提高信号保真度、增强图像对比度并恢复关于样品形状、大小和尺寸的信息。SD-PARS询问特性可以根据期望的特征和应用以各种方式来处理。例如，处理技术可以包括机器学习方法、广义特征提取、多维分解和基于频率含量的特征提取以及信号处理方法。与标准PARS相反，可以利用归因于询问源交互而非PARS激励事件的信息来增强处理技术。这也可以被应用于增强多重成像，通过在检测之前填充吸收能级来抑制来自结构的信号。这也可以被应用于突出显示样品内的特定散射特征。
SD-PARS的一种这样的实施方式侧重于分离归因于检测源的吸收对比度。该SD-PARS的处理如下：
1)在用高频数字转换器捕获信号之前，使用带通滤波原始光电二极管输出的“标准”方法收集PARS吸收信号。
2)从数字化时域信号中提取特性化PARS振幅。这可以通过任何一种方法实现，如最大投影、频率分析、特征分解等。
3)这可以结束PARS处理的一个实施例。
在这一点之后，SD-PARS处理可能包括与“标准”PARS处理相比的额外处理。该处理可分为三个一般部分：
第1部分：SD-PARS吸收信号处理
可以分析从上述2)中提取的PARS数据，以突出显示来自检测源的吸收对比度的信号特性。使用基于直方图的处理技术提取归因于检测源的高吸收或激励源的低吸收的低振幅PARS信号。首先，直方图经历非线性缩放。在这里，伽马偏移用于“拉伸”直方图的下部区域。这个偏移了图像对比度，突出显示低振幅PARS信号，同时抑制高振幅PARS。然后基于低振幅PARS信号的统计测量对结果进行加窗。这隔离了感兴趣的信号。然后，分割图像指示具有低激励吸收或高检测吸收的组织特征。
第2部分：SD-PARS散射信号处理
为了明确地隔离归因于检测源吸收的对比度，收集检测的光学散射对比度。散射信号独立于PARS吸收信号被收集。散射信号是通过捕获原始的未经滤波的(与传统的PARS信号不同)光电二极管输出来收集的。每个位置处的反向散射强度被确定为光电二极管时域输出的加权平均。
第3部分：SD-PARS离析
然后使用每个位置的检测散射强度和相应的PARS吸收信号进行离析。PARS吸收信号被分解为检测吸收对比度和激励吸收对比度的线性加权和。这遵循以下比例：
PARSABS∝DetSc(Detabs+Extabs)
通过为每个图像提供不同的颜色范围(PARS吸收和散射)来产生组合的PARS吸收与散射可视化，例如，低吸收和散射信号可以被分配为白色值，高值的此类信号可以被指定为独特的颜色，以模拟多个染色组织制剂的外观。在此示例中，归因于给定位置的对比度将是在给定位置处捕获的散射对比度和吸收对比度的组合。可以通过诸如线性混合或非线性颜色混合算法的多种方法来组合不同的对比度。所得的SD-PARS可视化然后将提供吸收和散射可视化。在其他示例中，可以使用任何信号特性来定义着色。基于振幅的阈值是一种可能的实施方式，然而，这不受限制。着色可以关注任何属性，例如振幅、相位、偏振、频率含量等。此外，着色可以使用多种方法进行，例如线性或非线性混合，或基于AI的方法。
图46示出了SD-PARS组合散射和吸收对比度实施方式的示例。我们可以利用SD-PARS系统同时收集散射和吸收信号。这里，选择SD-PARS检测的波长以专门针对样品的光学性质。该目标对比度可用于直接产生增强的可视化，该可视化突出显示了SD-PARS散射和吸收对比度。当生成组合可视化时，可以基于SD-PARS散射信号的振幅、相位、偏振、频率含量等来分析SD-PARS信号以提供信息。提取的SD-PARS散射对比度然后可以通过各种方法(例如线性或非线性颜色混合或基于人工智能的方法)与PARS吸收信号相减、相加或混合。在所示的示例中，我们用PARS图46(a)捕捉细胞核的吸收对比度。同时，我们独立于吸收信号捕获SD-PARS光学散射对比度。在本示例中，我们使用红外光来捕获包含核结构(b)的组织的散射对比度。然后将两种可视化(a)吸收和(b)散射混合在一起，以形成增强的表示。这里我们现在看到了组织结构和伴随的核对比(c)。在这种情况下，使用基本的线性混合技术组合两个图像。然而，这可以通过任何数量的技术实现，包括非线性混合或基于人工智能(Artificial Intelligence,AI)的方法。此外，这可以针对样品的任何光学性质，包括偏振、频率、相位含量、荧光等。这些信息可以与PARS信号混合、相减、相加或以其他方式增强，以实现期望的信号修改结果。
图47示出了SD-PARS的不同对比电位的示例。这里，选择SD-PARS检测的波长以针对样品的不同光学性质。在本示例中，我们在保存的人类乳腺组织的薄切片中捕获散射图像。在(a)中，我们使用近红外1310nm SD-PARS检测源，在(b)中，我们使用可见波长405nmSD-PARS检测源。每个源突出显示了组织样品中的独特结构。这种目标对比形成了SD-PARS机制和增强的可视化的基础。
图48示出了自体荧光敏感PARS的一种实施方式。多波长光纤激励激光器(4812)用于产生PARS信号。激励波束(4817)穿过多波长单元(4840)和透镜系统(4842)以将其调节为聚焦在样品(4818)上。用于调节聚焦的光学子系统可以由本领域技术人员已知的部件构成，包括但不限于波束扩展器、可调节波束扩展器、可调节准直器、可调节反射扩展器、望远镜系统等。使用来自检测激光器(4814)的短或长相干长度探测波束(4816)来询问声学特征，所述检测激光器与样品(4818)上的激励点共同聚焦并共同对准。询问/探测波束(4816)穿过透镜系统(4843)、偏振分束器(4844)和四分之一波片(4856)，以将反射光(4820)从样品(4818)引导到光电二极管(4846)。然而，该架构不限于包括偏振分束器(4844)和四分之一波片(4856)。上述部件可以替代基于光纤的等效部件，例如循环器、耦合器、WDM和/或双包层光纤，它们是非互易元件。这样的元件可以从第一路径接收光，但随后将所述光重定向到第二路径。使用波束组合器(4830)将询问波束(4816)与激励波束组合。组合波束(4821)由扫描单元(4819)扫描。这穿过物镜(4855)并聚焦到样品(4818)上。反射波束(4820)沿着同一路径返回。用波束组合器/分束器(4831)对反射波束进行滤波，以将检测波束(4816)与从样品返回的任何自体荧光分离。自体荧光(4890)穿过透镜系统(4845)以将其调节为聚焦到自体荧光敏感光电探测器(4891)上。隔离的检测波束(4820)通过分束器(4831)向信号收集/分析路径传输。这里，返回的检测光被偏振分束器(4844)重定向。检测路径由光电二极管(4846)、放大器(4848)、快速数据采集卡(4850)和计算机(4852)组成。自体荧光敏感光电检测器可以是包括相机、光电二极管、光电二极管阵列等的任何这样的设备。自发荧光检测路径可以包括莫氏分束器和光电检测器，以进一步隔离和检测特定波长的光。
图49显示了可能由自体荧光敏感的全吸收PARS(TA-PARS)提供的可视化的示例。当样品吸收光时，可能发生有限数量的相互作用。吸收的能量被转换成温度和压力，或者转换成不同波长的光。当温度和压力信号由PARS检测波束捕获时，光发射可由自体荧光敏感PARS检测。以此方式，PARS系统可以捕获组织对光的所有吸收(无论是以产生的压力、产生的温度或荧光的形式)。在该架构中，可以基于波长收集和分析从样品返回的光的任何部分，不包括检测波束。通过从样品中分离特定波长的光发射，我们可以可视化感兴趣的特定分子。例如，我们可以将自体荧光敏感PARS应用于成像组织。在这里，我们选择了PARS激励来捕获原子核的吸收对比度。在这种情况下，我们使用紫外激励产生归因于组织中的细胞核的压力和温度信号。同时，我们捕获了PARS激励产生的自体荧光对比度。在这种情况下，组织的非核区域是高度荧光的。通过这种方式，我们可以同时提供组织中核结构和非核结构的可视化。此外，所得到的可视化可能只需要单个激励波长来捕获。
例如，自体荧光敏感PARS可以在我们的PARS吸收光谱仪中实现，以准确地测量样品对光的所有吸收。此外，我们可以使用自体荧光敏感PARS来测量吸收的能量分别转化为热和压力或光的比例。这可能使迄今为止最灵敏的量子效率测量成为可能。
如图50中突出显示的，TA-PARS信号也可以在单个检测器上收集。鉴于TA-PARS信号的显著成分可能彼此不同，单个检测器可以适当地表征这些成分。例如，初始信号电平(散射)可以指示在对散射强度进行编码的询问位置处来自样品的检测波束的未扰动强度反射率。然后，在由激励脉冲激励之后(在图中为100ns)，可以观察到与热、温度和荧光相关的PARS激励信号作为唯一的重叠信号(图中标记为PA和AF)。如果这些激励信号彼此显著不同，则可以从组合信号中分解它们以提取这些幅度及它们的特性寿命。这种丰富的信息可能有助于改善可用的对比度，提供额外的多路复用能力，并提供组成发色团的特性化分子特征。此外，这种方法可以提供实用的益处，因为可能只需要单个检测器和检测路径，从而大大降低了物理硬件复杂性和成本。
很明显，其他示例可采用不同的基于光纤的或自由空间的部件进行设计，以实现类似的结果。其他替代方案可以包括各种相干长度源、使用平衡光电探测器、询问波束调制、在返回信号路径中加入光学放大器等。
在体内成像实验期间，不需要试剂或超声耦合介质。然而，在非接触成像会话之前，可以用水或任何液体(如油)制备目标。同样，在一些情况下，可以在成像系统和样品之间放置中间窗口，例如盖玻片或玻璃窗口。
所有光源，包括但不限于PARS激励、PARS检测、PARS信号增强和OCT源，可实施为连续波束、调制连续波束或短脉冲激光，其中脉冲宽度范围从阿秒到毫秒。这些可以被设置为适合于利用样品的光学(或其他电磁)特性(例如散射和吸收)的任何波长。还可以选择波长以有目的地增强或抑制来自不同吸收体的检测或激励光子。波长范围可以从纳米到微米。连续波束功率可以被设置为任何合适的功率范围，例如从阿托瓦特到瓦特。脉冲源可使用适用于被测特定样品的脉冲能量，例如在从阿托焦耳到焦耳的范围内。可以实现各种相干长度以利用干涉效应。这些相干长度的范围可以从纳米到千米。同样，脉冲源可以使用被认为适合于被测样品的任何重复频率，例如从连续波到千兆赫兹范围。源可以是可调谐的、单色的或多色的。
SD-PARS可使用有目的地选择的检测波长，以抑制从特定区域产生的PARS信号。例如，如果期望的目标被定位在大血管附近，否则该大血管可能淹没来自期望的目标的信号，则可以选择检测波长，以便通过在检测之前通过提高吸收能级来抑制来自血管的信号。
TA-PARS、TE-PARS、TS-PARS、SR-PARS、SE-PARS、SD-PARS、PARS-OCT或EPARS-OCT子系统可以使用任何干涉测量设计，如公共路径干涉仪(使用专门设计的干涉仪物镜)、迈克尔逊干涉仪、斐索干涉仪、拉姆齐干涉仪、法布里-珀罗干涉仪、马赫-曾德干涉仪和光学正交检测。干涉仪可以是自由空间的或基于光纤的或某种组合。基本原理是，可以使用干涉测量法检测探测接收器波束中的相位和振幅振荡，并使用各种检测器在AC、RF或超声频率下检测。
TA-PARS、TE-PARS、TS-PARS、SR-PARS、SE-PARS或SD-PARS子系统可使用并实施非干涉检测设计，以检测信号内的振幅调制。非干涉检测系统可以是自由空间的或基于光纤的或其中的某种组合。
TA-PARS、TE-PARS、TS-PARS、SD-PARS、SR-PARS、SE-PARS、PARS-OCT或EPARS-OCT子系统可使用各种光纤，如光子晶体光纤、图像引导光纤、双包层光纤等。
PARS子系统可以实现为常规光声遥感(PARS)、非干涉光声遥感(non-interferometric photoacoustic remote sensing,NI-PARS)、基于相机的光声遥感(camera-based photoacoustic remote sensing,C-PARS)、相干门控光声遥感(coherence-gated photoacoustic remote sensing,CG-PARS)、单源光声遥感(single-source photoacoustic remote sensing,SS-PARS)或它们的扩展。
OCT子系统可实现为光谱域光学相干断层扫描(SD-OCT)、扫描源光学相干断层扫描(SS-OCT)、时域光学相干断层扫描(TD-OCT)，全场光学相干断层扫描(FF-OCT)、线场光学相干断层扫描(LF-OCT)、偏振敏感光学相干断层扫描(PS-OCT)和Gabor域光学相干断层扫描(GD-OCT)等。
在PARS-OCT和EPARS-OCT中，PARS和OCT子系统可作为单个成像系统单独运行，并作为独立成像设备独立采集图像。
在一个示例中，可以组合并扫描所有波束。通过这种方式，PARS激励可以在产生它们的相同区域以及它们最大的地方被感测到。OCT检测也可以在与PARS相同的位置进行，以帮助配准。也可以使用其他布置，包括在扫描其他波束时保持一个或更多个波束固定，反之亦然。
光学扫描可通过检流计镜、微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)镜、多边形扫描仪、步进/直流电机等进行。
样品的机械扫描可通过步进阶段、直流电机阶段、线性驱动阶段、压电驱动阶段和压电阶段等进行。
可以利用光学扫描和机械扫描方法对样品进行一维、二维或三维扫描。诸如可调声学梯度(tunable acoustic gradient,TAG)透镜和可变形镜的自适应光学器件可用于在样品内执行轴向扫描。
光学扫描和机械扫描可以结合以形成混合扫描仪。该混合扫描仪可以采用单轴或双轴光学扫描，以在短时间内捕获大面积或条带。可以使用定制控制硬件来潜在地控制反射镜，以具有定制的扫描图案，以在速度和质量方面提高扫描效率。例如，一个光轴可用于快速扫描，同时一个机械轴可用于移动样品。这可以呈现斜坡状扫描图案，然后可以进行插值。另一个示例是，使用定制的控制硬件，仅当快轴已完成移动，产生可能不需要任何插值的笛卡尔式网格时，才步进机械阶段。
PARS可通过波束的光学或机械扫描或样品或成像头的机械扫描或波束、光学器件和样品的机械和光学扫描的组合来提供三维(three dimensional,3D)成像。这可以允许快速的结构和功能面或3D成像。
当光学地或机械地扫描波束或样品或成像头的机械扫描或波束、光学器件和样品的机械和光学扫描的组合时，可以使用一个或多个针孔来拒绝失焦光。它们可以提高所得图像的信噪比。
波束组合器可使用分色镜、棱镜、分束器、偏振分束器和波分复用(WavelengthDivision Multiplexing,WDM)等实现。
可以使用不同的光学路径将波束路径聚焦到样品上。单个或多个PARS激励、检测、信号增强等路径和OCT路径中的每一个都可以在样品上使用独立的聚焦元件，或者都共享单个路径或任何组合。波束路径可以使用不同于用于聚焦到样品上的那些光学路径的独特光学路径从样品返回。这些独特的光学路径可以以正入射的方式与样品相互作用，或者可以以某种角度相互作用，其中，中心波束轴与样品表面形成5度至90度的角度。
图19e和图19f中所示的波束配置可以提供对不期望的随机散射光子的增加的空间抑制，并仅检测已被激励或信号增强激光调制的光子。由于PARS成像区域由激励波束、检测波束和(在TE-PARS的情况下)热增强波束和反向检测/反射波束路径的重叠限定，如果这些路径都是共对准的，则样品上的询问区域可以由通常短于轴向分布的横向径向分布限定。如图19e和图19f所示，通过使波束彼此成角度，现在可以在两个或更多个径向分布的组合之间定义重叠。这允许其中一个波束的横向分辨率提高另一个波束提供的轴向性能。为了使这种效果最大化，最有利的是使波束在方位角上均匀分布，并且每个波束与样品表面成大约45度角。在一些实施例中，高度角可以在波束路径之间变化。
对于某些应用，如眼科成像，成像头可能不采用任何主要聚焦元件，如物镜，以将光紧紧地聚焦在样品上。相反，波束可以被准直或松散地聚焦(以产生比光学衍射极限大得多的光斑尺寸)，同时被导向样品处。例如，眼科成像设备将准直波束引导到眼睛中，允许眼睛的透镜将波束聚焦到视网膜上。
成像头可将波束聚焦到样品中至少50nm的深度。成像头可以将波束聚焦到样品中，深度最多为10mm。与先前的PARS相比，增加的深度来自于如上所述的深度穿透检测波长的新颖使用。
在与样品相互作用之前或在检测之前，光可以被光学放大器放大。
光可通过光电二极管、雪崩光电二极管、光电管、光电倍增管、CMOS相机、CCD相机(包括EM-CCD、增强型CCD、背减薄和冷却型CCD)、光谱仪等收集。
检测到的信号可通过射频(Radio Frequency,RF)放大器、锁定放大器、跨阻抗放大器或其他放大器配置进行放大。
模态可用于体内、体外或体模研究的A、B或C扫描图像。
TA-PARS、TE-PARS、TS-PARS、SD-PARS、SR-PARS、SE-PARS、PARS-OCT或EPARS-OCT可采用显微镜和生物成像技术的常见的任何实施例的形式。其中的一些可以包括但不限于实现为台式显微镜、倒置显微镜、手持式显微镜、外科显微镜、内窥镜或眼科器械等的设备。这些可以基于本领域已知的原理来构造。
可以优化TA-PARS、TE-PARS、TS-PARS、SD-PARS、SR-PARS、SE-PARS、PARS-OCT或EPARS-OCT，以便利用多焦点设计来提高二维(two dimensional,2D)和3D成像的焦深。准直和物镜对中的色差可用于将来自光纤的光重新聚焦到物体中，使得每个波长聚焦在稍微不同的深度位置。这些色差可用于将深度信息编码到恢复的PARS信号中，稍后可使用波长特定分析方法恢复PARS信号。同时使用这些波长也可以用于改善PARS图像的景深和信噪比(Signal-Noise Ratio,SNR)。在成像期间，可以执行通过波长调谐的深度扫描。
PARS方法可通过对检测区域进行空间编码(例如通过使用几个针孔)或通过宽带波束的光谱含量提供样品上的横向或轴向鉴别。
TA-PARS、TE-PARS、TS-PARS、SR-PARS、SE-PARS、SD-PARS、PARS-OCT或EPARS-OCT系统可与其他成像模式(如受激拉曼显微镜、荧光显微镜、双光子和共焦荧光显微镜、相干反拉曼斯托克斯显微镜、拉曼显微镜、其他光声和超声系统等)结合。这可以同时进行微循环成像、血氧参数成像和其他分子特异性靶点成像，这是潜在地重要任务，仅使用基于荧光的显微镜方法很难实现。还可以实现多波长可见激光源以产生用于功能或结构成像的光声信号。
偏振分析仪可用于将检测到的光分解为各自的偏振状态。在每个偏振状态中检测到的光可以提供关于样品的信息。
相位分析仪可用于将检测到的光分解为相位分量。这可以提供有关样品的信息。
TA-PARS、PARS、TE-PARS、TS-PARS、SR-PARS、SE-PARS或SD-PARS系统可检测从样品返回的检测波束中产生的信号。这些扰动可能包括但不限于强度、极化、频率、相位、吸收、非线性散射和非线性吸收的变化，并且可能由各种因素(如压力、热效应等)引起。
可以沿着电学信号路径执行基于模拟的信号提取。这种模拟设备的一些示例可以包括但不限于锁定放大器、峰值检测电路等。
PARS子系统可检测背反射检测波束中编码的时间信息。该信息可用于区分发色团、增强对比度、改善信号提取等。该时间信息可使用模拟和数字处理技术提取。这些可能包括但不限于使用锁定放大器、傅里叶变换、小波变换、智能算法提取等。在一个示例中，可以利用锁定检测来提取PARS信号，PARS信号类似于用于提取特定发色团(例如脱氧核糖核酸(DeoxyriboNucleic Acid,DNA)、细胞色素、红细胞等)的已知预期信号。
OCT子系统可检测产生的PARS、热信号和压力信号，作为背反射检测波束的扰动。这些扰动可能包括强度、偏振、相位、频率、吸收、非线性散射和非线性吸收的变化。OCT子系统可以通过跟踪连续OCT扫描的变化来检测这些扰动。OCT子系统还可以检测由PARS系统产生的振动或表面振动。
OCT和PARS子系统可用于通过光谱方法检测样品吸收特性。它可用于检测PARS诱导的吸收、OCT诱导的吸收或两者。
系统的成像头可包括闭环或开环自适应光学部件，包括但不限于波前传感器、可变形反射镜、TAG透镜等，用于波前和像差校正。像差可能包括失焦、散光、昏迷、畸变、三阶效应等。
信号增强波束也可用于通过有意地诱导饱和效应(如光漂白)来抑制来自不希望的发色团的信号。
可以利用各种类型的光学器件来发挥它们各自的优势。例如，与标准高斯波束光学器件相比，轴镜可用作产生具有更大焦深的贝塞尔波束的主要物镜。这样的光学器件也可以在认为合适的情况下用于波束路径内的其他位置。反射光学器件也可以代替它们各自的折射元件。例如使用反射物镜而不是标准复合物镜。
光学路径可包括用于各种相关目的(如波长生成和波长偏移)的非线性光学元件。
波束焦点可能在样品处重叠，但也可能在适当的情况下彼此横向和轴向偏移少量。
TA-PARS、PARS、TE-PARS、TS-PARS、SR-PARS、SE-PARS或SD-PARS系统可用作样品分析的光谱仪。
该结构固有的其他优点对本领域技术人员来说将是显而易见的。本文所述的实施例是说明性的，并不旨在限制权利要求的范围，这些权利要求将根据整个说明书进行解释。
应用
可以理解，本文描述的系统可以以各种方式使用，例如现有技术中描述的那些目的，也可以以其他方式使用，以利用上述方面。下面讨论了应用的非详尽列表。
该系统可用于对不同临床前肿瘤模型的血管生成进行成像。
通过利用不同的波长、不同的脉冲宽度、不同的相干长度、重复率、曝光时间等，该系统可用于基于目标的吸收、散射或频率含量对目标进行离析。
该系统可用于分辨率达到或超过衍射极限的成像。
该系统可用于对吸收光的任何物体(包括外源和内源性靶点和生物标志物)进行成像。
该系统可能具有一些外科应用，例如脑手术期间的功能和结构成像，用于评估内部出血和烧灼验证、对器官和器官移植的灌注充分性进行成像、对胰岛移植周围的血管生成进行成像、对皮肤移植物进行成像、对组织支架和生物材料进行成像以评估血管化和免疫排斥反应、成像以辅助显微外科手术、指导以避免切割关键血管和神经。
该系统还可能具有一些胃肠学应用，如对Barrett食管和结直肠癌中的血管床和浸润深度进行成像。至少在一些实施例中，浸润深度是预后和代谢潜力的关键。这可用于虚拟活检、克罗恩病、肠易激综合征(Irritable Bowel Syndrome,IBS)监测、颈动脉检查。胃肠道应用可与临床内窥镜组合或背驮，并且小型化PARS系统可设计为独立内窥镜或安装在临床内窥镜的附件通道内。
该系统还可用于微循环和大循环以及色素细胞的临床成像，其可用于以下应用，例如(1)眼睛，可能增强或替代荧光素血管造影术；(2)对皮肤病病变(包括黑色素瘤、基底细胞癌、血管瘤、银屑病、湿疹、皮炎)进行成像、对莫氏手术进行成像、成像以验证肿瘤边缘切除术；(3)外周血管疾病；(4)糖尿病和压疮；(5)烧伤成像；(6)整形外科和显微外科；(7)循环肿瘤细胞，特别是黑色素瘤细胞的成像；(8)对淋巴结血管生成进行成像；(9)响应于包括具有血管消融机制的光动力疗法的成像；(10)响应于包括抗血管生成药物的化疗药物的成像；(11)响应于放射治疗的成像。
该系统还可用于一些组织病理学成像应用，如冷冻病理学、从组织样品创建HE染色(hematoxylin-eosin staining,H&E)样图像、虚拟活检等。它可用于各种问题，如福尔马林固定的石蜡包埋的组织块、福尔马林固定的蜡包埋的组织切片、冷冻病理切片、新鲜切除标本等。在这些样品中，可以进行诸如DNA、核糖核酸(Ribonucleic Acid,RNA)、细胞色素、脂质、蛋白质等大分子的可视化。
该系统可用于在以下应用中使用多波长PARS激励来估计氧饱和度：(1)在无法使用脉搏血氧饱和度的情况下估计静脉氧饱和度，包括估计脑静脉氧饱和度和中心静脉氧饱和度。这可能取代导管插入术，因为导管插插入术可能有风险，尤其是在儿童和婴儿中。
还可以通过使用PARS成像来估计氧饱和度，并估计流入和流出组织区域的血管中的血流，来估计氧通量和氧消耗。
通过利用组织学发色团各自的吸收光谱，该系统可用于分离显著的组织学发色团，如细胞核和周围细胞质。
通过利用不同的波长、不同的脉冲宽度、不同的相干长度、重复率、注量、曝光时间等，该系统可用于利用目标的吸收含量、散射、相位、偏振或频率含量对目标进行离析。
应用的其他示例可包括临床或临床前应用中造影剂的成像；前哨淋巴结的识别；淋巴结中肿瘤的无创或微创识别；用于临床前或临床分子成像应用的基因编码报告物如酪氨酸酶、色蛋白、荧光蛋白的成像；对用于分子成像的主动或被动靶向光学吸收纳米颗粒进行成像；以及血栓的成像，并可能对血栓的年龄进行分期。
应用的其他示例可包括临床和临床前眼科应用；诸如年龄相关的黄斑变性、糖尿病视网膜病变和青光眼、角膜缘血管系统和干细胞成像、角膜神经和新生血管成像、评估青光眼患者中的施累姆管变化、脉络膜新生血管成像等疾病中的氧饱和度测量和视网膜代谢率，前段和后段血流成像和血流状态。
该系统可用于利用PARS和OCT的能力测量和估计生物样品内的代谢。在本示例中，OCT可用于估计感兴趣区域内的体积血流，PARS系统可用于测量感兴趣血管内的氧饱和度。然后，这些测量的组合提供了该区域内代谢的估计。
该系统可用于头颈癌类型和皮肤癌类型、功能性脑活动、检查中风患者的血管系统以帮助定位血栓、监测肠道细菌组成变化导致的神经元和大脑功能/发育的变化、动脉粥样硬化斑块、监测皮瓣重建后的氧气充足情况、，在整形或美容手术后的丰度充分性以及对美容注射物进行成像。
该系统可用于表面变形的拓扑跟踪。例如，OCT可用于跟踪样品表面的位置。然后，可以使用诸如自适应光学器件的机制将校正应用于紧密地聚焦的PARS设备，以在扫描进行时保持与该表面的对准。
该系统可以以适合这些应用的各种不同形成因素实现，例如台式显微镜、倒置显微镜、手持式显微镜、手术显微镜、眼科显微镜、内窥镜等。
实施例
一种用于样品中亚表面结构的功能、结构和多重可视化的光声遥感和光学相干断层扫描系统，包括：
一个或更多个光源，被配置为在激励位置处在样品中产生压力和热信号；
一个或更多个光源，被配置为在激励位置处产生入射到样品上的询问波束或询问波束集合，询问波束的一部分或从样品返回的询问波束集合指示产生的压力和热信号；
一个或更多个光源，被配置为在激励位置处产生入射到样品上的询问波束或询问波束集合，询问波束的一部分或从样品返回的询问波束集合指示光学散射；
检测器或检测器集合，被配置为检测询问波束或询问波束集合的返回部分；
光学系统，被配置成将波束聚焦到样品中；
处理器，被配置为基于来自样品的询问波束的返回部分的检测部分来计算样品的图像。
该系统包括被配置为生成或修改波束特性的非线性光学元件。
该系统，其中，PARS激励/询问和OCT询问中的一个或更多个使用相同光源。
该系统具有不同实施例，如台式、手持式、手术显微镜、眼科显微镜、内窥镜。
该系统，其中，光源可以是波长范围从大约50nm至100μm的连续的、脉冲的或调制的任何电磁辐射源。
该系统包括被配置为生成或修改波束特性的非线性光学元件。
该系统，其中，PARS激励/询问/信号增强波束中的一个或更多个使用相同的光源。
该系统具有不同实施例，如台式、手持式、手术显微镜、眼科显微镜、内窥镜。
对于某些应用，成像头可能不包括任何聚焦元件。
所述系统，其中，所述第一、第二和第三焦点位于样品表面以下50nm至10mm的深度处。
该系统，其中，将所有波束聚焦到样品中并使用相同的聚焦光学器件从样品中收集这些波束。
该系统，其中，波束聚焦到样品中，并且使用不同的聚焦光学器件从样品收集这些波束。
该系统，其中，聚焦光学器件垂直于表面。
该系统，其中，聚焦光学器件的中心轴与表面法线形成0度至85度之间的角度。
该系统，其中，使用自由空间光学器件实现波束组合器。
该系统，其中，使用基于光纤的设备实现波束投诉器。
该系统，其中，成像头通过检流计反射镜、MEMS反射镜、多边形扫描器、步进器/DC电机等提供光学扫描。
该系统，其中，使用如步进级、直流电机级、线性驱动级、压电驱动级、压力级等的机械扫描器，以扫描成像头周围的样品，与样品有关的成像头，或同时扫描两者。
该系统，其中，检测器为干涉仪。
该系统，其中，检测器为非干涉检测器。
该系统，其中，从样品返回的部分波束将产生的压力和热信号编码为[强度、偏振、频率、相位、荧光、非线性散射、非线性吸收]变化。
该系统，其中，从样品返回的部分波束由光学放大器放大。
该系统，其中，自适应光学元件用于调整波束特性(如像差、聚焦)和补偿表面粗糙度。
该系统，其中，该系统被配置为通过[玻璃窗、空气、水、真空、其他材料]产生样品的结构。
该系统，其中，OCT检测被配置为检测样品内的PARS调制。在这种情况下，OCT检测可以充当短相干PARS干涉检测。这可能有助于一起省略PARS检测，或者允许从样品内进行深度敏感的光学吸收恢复。该系统将在原点处检测PARS初始压力信号，以提供关于样品的光学吸收的独特信息。
该系统，其中，OCT检测被配置为检测PARS信号产生的振动和振荡。该系统将检测在样品表面和亚表面处由PARS压力传播引起的振动，以提供关于样品的光学吸收的独特信息。
该系统，其中，OCT检测被配置为检测样品的拓扑。
该系统，其中，OCT检测被配置为检测样品的表面粗糙度。
一种与光学相干断层扫描(PARS-OCT)系统相结合的双模态光声遥感，用于对样品中的细节进行可视化，该系统包括：一个或更多个光源、一个或更多个第一光学检测器以及一个或更多个干涉仪。一个或更多个光源被配置为生成(1)一个或更多激励波束，被配置为在样品表面下方的一个或多于一个第一位置处在样品中生成信号；(2)在一个或更多个第二位置处生成入射到样品上的一个或更多个询问波束；(3)样品波束；和(4)参考波束；其中，从所述样品返回的所述一个或更多个询问波束的一部分指示所生成的信号；一个或更多个第一光学检测器被配置为检测所述一个或更多个询问波束的返回部分；每个干涉仪具有样品臂和参考臂，其中，所述样品臂被配置成将来自所述一个或更多个光源的样品波束引导到第三位置，并且所述参考臂被配置为将来自所一个或更多个光源的参考波束引导到路径中；其中，从样品臂返回的样品波束的一部分指示由样品臂收集的散射；其中，从参考臂返回的参考波束的一部分指示由参考臂收集的散射；并且其中，所述干涉仪被配置为检测来自所述一个或更多个样品臂和一个或更多个参考臂的返回部分。
该PARS-OCT系统，其中，由一个或更多个激励波束生成的信号包括超声信号、热信号、光声信号和/或压力信号，并且一个或更多个询问波束的返回部分指示所生成的超声信号、热信号、光声信号和/或压力信号。
该PARS-OCT系统，还包括一个或更多个波束组合器，被配置为在传送至样品之前组合至少一个激励波束、至少一个询问波束和/或样品波束。
该PARS-OCT系统，其中，一个或更多个波束组合器被配置为将至少一个询问波束的返回部分引导至一个或更多个第一光学检测器，并且还被配置为将样品波束的返回部分引导至干涉仪。
该PARS-OCT系统，进一步包括亮场显微镜光源，其中，一个或更多个波束组合器被配置为在传送到样品之前将来自亮场显微镜光源的光与至少一个激励波束、至少一个询问波束和样品波束组合。
该PARS-OCT系统，其中，该系统被配置为提供样品的吸收和散射对比度。
该PARS-OCT系统，进一步包括镜，其中，镜包括准直器和成像光学器件，其中，一个或更多个激励波束、一个或更多个询问波束和/或样品波束在输送至样品之前通过镜。
该PARS-OCT系统，其中，所述一个或更多个光源包括第一光源，所述第一光源被配置为生成一个或更多个激励波束、样品波束和参考波束。
该PARS-OCT系统，其中，所述一个或更多个光源包括第二光源，所述第二光源被配置为生成一个或更多个询问波束。
该PARS-OCT系统，其中，所述一个或更多个光源包括第一光源，所述第一光源被配置为生成一个或更多个询问波束、样品波束和参考波束。
该PARS-OCT系统，进一步包括一个或更多个光学系统，该光学系统被配置为聚焦或引导(1)一个或更多个激励波束到一个或多于一个第一焦点，以及(2)一个或更多个第二焦点处的一个或更多个询问波束，所述一个或更多个第一焦点和第二焦点位于样品表面下方。
该PARS-OCT系统，其中：一个或更多个光源被配置为生成一个或更多个信号增强波束，在一个或更多个第一位置处入射到样品上；所述一个或更多个第一光学检测器被配置为检测所述一个或更多个信号增强波束的返回部分；并且从样品返回的一个或更多个信号增强波束的返回部分指示所生成的PARS信号。
该PARS-OCT系统，其中，一个或更多个激励波束正好包括一个波长，并且一个或更多个信号增强波束包括多个波长。
该PARS-OCT系统，进一步包括控制器，该控制器被配置为基于来自一个或更多个光学检测器的反馈的强度来确定样品的温度。
该PARS-OCT系统，进一步包括处理单元，该处理单元被配置为通过利用样品内的非线性光学吸收对比度效应来提供分辨率大于光学衍射极限的图像，其中，所述效应包括光学强度诱导的光学吸收衰减或光漂白，以及包括热膨胀系数的材料特性的非线性热相关性，其中，所述处理单元被配置为使用样品的多个扫描作为输入，使得在采集期间发生非线性PARS信号生成，从而允许应用基于范德蒙德矩阵的过程来分离N阶幂关系。
该PARS-OCT系统，进一步包括一个或更多个光学系统，其被配置为基于一个或更多个询问波束的波长或空间定位来分散一个或更多个询问波束；其中，所述一个或更多个光学系统被配置为基于所述一个或更多个询问波束的波长或空间定位来重新组合所述一个或更多个询问波束。
该PARS-OCT系统，进一步包括一个或更多个针孔或孔径，被配置为在光学地或机械地扫描波束时，或在机械地扫描样品或成像头时，将所需光映射到一个或更多个第一光学检测器。
该PARS-OCT系统，其中，干涉仪被配置为检测样品内的PARS调制，或由一个或更多个激励波束产生的振动和振荡，从而OCT可以反过来提供光学吸收对比度。
一种与光学相干断层扫描(PARS-OCT)系统相结合的双模态光声遥感，用于对样品中的细节进行可视化，该系统提供组织的吸收和散射对比度，该系统包括：PARS子系统以及OCT子系统，PARS子系统包括：一个或更多个光源、一个或更多个光学系统以及一个或更多个光学检测器。一个或更多个光源被配置为生成(1)一个或更多个激励波束，被配置为在一个或更多个激励位置处在样品中产生热信号、光声信号和/或压力信号；(2)在一个或更多个询问位置处生成入射到样品上的一个或更多个询问波束；一个或更多个光学系统被配置为将一个或更多个激励波束聚焦或引导在一个或更多个第一焦点处，并且将一个或更多个询问波束聚焦或引导在一个或者更多个第二焦点处，所述一个或更多个第一焦点和第二焦点位于样品的表面之下；从样品返回的一个或更多个询问波束的一部分指示所生成的超声信号、热信号、光声信号和/或压力信号；一个或更多个光学检测器被配置为检测一个或更多个询问波束的返回部分；OCT子系统包括：一个或更多个光源；以及一个或更多个干涉仪，每个干涉仪具有样品臂和参考臂，其中，样品臂将一个或更多个光源的样品部分引导到第三焦点，参考臂将一个或更多个光源的参考部分引导到已知长度的路径中；从样品臂返回的光的一部分指示由样品臂收集的散射；从参考臂返回的光的一部分指示由参考臂收集的散射；其中，所述一个或更多个干涉仪被配置为检测来自所述样品臂和所述参考臂的返回部分，其中，(1)所述PARS子系统和所述OCT子系统共享至少一个光源，或者(2)所述PAR子系统和OCT子系统仅具有单独的光源。
以下应用：对组织学样品进行成像；对细胞核进行成像；对蛋白进行成像；对DNA进行成像；对RNA进行成像；对脂质进行成像；血氧饱和度的成像；肿瘤缺氧的成像；伤口愈合、烧伤诊断或手术的成像；微循环的成像；血氧参数成像；估计流入和流出组织区域的血管中的血流；分子特异性靶标的成像；对临床前肿瘤模型的血管生成进行成像；微循环和大循环以及色素细胞的临床成像；眼睛的成像；增强或替代荧光素血管造影术；对皮肤病病灶进行成像；对黑色素瘤进行成像；对基底细胞癌进行成像；对血管瘤进行成像；对银屑病进行成像；对湿疹进行成像；对皮炎进行成像；对莫氏手术进行成像；成像以验证肿瘤边缘切除；对周围血管疾病进行成像；对糖尿病和/或压疮进行成像；烧伤成像；整形外科；显微外科；循环肿瘤细胞的成像；对黑色素瘤细胞进行成像；对淋巴结血管生成进行成像；响应于光动力疗法进行成像；响应于具有血管消融机制的光动力疗法进行成像；响应于化疗药物进行成像；对冷冻病理样品进行成像；对石蜡包埋的组织进行成像；对H&E样图像进行成像；对氧代谢变化进行成像；响应于抗血管生成药物进行成像；响应于放射治疗进行成像；使用多波长PARS激励估计氧饱和度；在不能使用脉搏血氧饱和度的情况下估计静脉血氧饱和度；估计脑静脉氧饱和度和/或中心静脉氧饱和度；估计氧通量和/或氧消耗；对巴雷特(Barrett)食管和/或结直肠癌的血管床和浸润深度进行成像；脑手术期间的功能和结构成像；评估内部出血和/或烧灼验证；对器官和/或器官移植的灌注充分性进行成像；对胰岛移植周围血管生成进行成像；对皮肤移植进行成像；对组织支架和/或生物材料进行成像，以评估血管化和/或免疫排斥；辅助显微外科手术的成像；避免切割血管和/或神经的指导；对临床或临床前应用中造影剂进行成像；前哨淋巴结的识别；淋巴结肿瘤的无创或微创识别；对基因编码的报告物进行成像，其中，所述基因编码的报告物包括酪氨酸酶、色蛋白和/或荧光蛋白，用于临床前或临床分子成像应用；对用于分子成像的主动或被动靶向光学吸收纳米颗粒进行成像；血栓的成像；发生血栓的时期；通过检测内源性葡萄糖吸收峰对葡萄糖浓度进行远程或非侵入性肿瘤内评估；类器官生长的评估；监测发育中的胚胎；生物膜成分的评估；蛀牙的评估；非生命结构的评估；评估画作的组成，以无创地确认真实性；考古文物的评估；制造质量控制；制造质量保证；更换导管插入术手术；胃肠病学应用；整个视野上的单激励脉冲成像；组织的成像；细胞的成像；来自物体表面的散射光的成像；散射光的吸收引起的变化的成像；或光学吸收的非接触成像。

Claims (27)

1.一种用于使样品中的细节可视化的方法，所述方法包括：
将激励波束引导到所述样品表面下方的激励位置，以在所述样品中产生信号；
将询问波束引导到所述样品的所述激励位置；
将信号增强波束引导到所述样品，以与不存在所述信号增强波束的情况下所述样品的部分的温度相比，提高所述样品的部分的温度，其中，所述样品的部分在所述询问波束的焦点内；以及
检测从所述样品返回的询问波束的指示所生成的信号的部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激励波束具有纳秒或皮秒范围内的脉冲宽度，并且所述信号增强波束具有更长的脉冲宽度或是连续波束。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括，基于从所述样品返回的所述询问波束的部分来计算所述样品的图像。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括检测从所述样品的部分返回的自体荧光。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述信号增强波束引导到所述样品，与不存在所述信号增强波束的情况下所述样品中所生成的信号的值相比，增加所述样品中所生成的信号的值。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述信号增强波束引导到所述样品，与不存在所述信号增强波束的情况下所述样品的部分的值相比，修改所述样品的部分的光学性质。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所修改的光学性质包括所述样品的部分的局部折射率或格律乃森参数。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，检测从所述样品返回的所述询问波束的指示所生成的信号的部分还包括从所述询问波束的返回部分提取吸收信号，并且所述方法还包括：
确定来自所述询问波束的返回部分的散射强度；
从所提取的吸收信号和所确定的散射强度生成组合图像。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，由所述激励波束生成的信号包括超声信号、热信号、光声信号、和/或压力信号，并且所述询问波束的返回部分指示所生成的超声信号、热信号、光声信号和/或压力信号。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括针对振幅/强度、频率含量、与偏振变化相关的含量、荧光、二次谐波产生和/或相位变化，对从所述样品返回的询问波束的部分进行分析。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括利用吸收引起的调制效应，所述调制效应包括材料反射率的调制、散射、偏振、相位累积、非线性吸收和/或非线性散射的一个或更多个。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法用于以下应用中的一个或更多个：
对组织学样品进行成像；
对细胞核进行成像；
对蛋白质进行成像；
对DNA进行成像；
对RNA进行成像；
对脂质进行成像；
血氧饱和度的成像；
肿瘤缺氧的成像；
伤口愈合、烧伤诊断或手术的成像；
微循环的成像；
血氧参数成像；
估计流入和流出组织区域的血管中的血流；
分子特异性靶标的成像；
对临床前肿瘤模型的血管生成进行成像；
微循环和大循环以及色素细胞的临床成像；
眼睛的成像；
增强或替代荧光素血管造影术；
对皮肤病病灶进行成像；
对黑色素瘤进行成像；
对基底细胞癌进行成像；
对血管瘤进行成像；
对银屑病进行成像；
对湿疹进行成像；
对皮炎进行成像；
对莫氏手术进行成像；
成像以验证肿瘤边缘切除；
对周围血管疾病进行成像；
对糖尿病和/或压疮进行成像；
烧伤成像；
整形外科；
显微外科；
循环肿瘤细胞的成像；
对黑色素瘤细胞进行成像；
对淋巴结血管生成进行成像；
响应于光动力疗法进行成像；
响应于具有血管消融机制的光动力疗法进行成像；
响应于化疗药物进行成像；
对冷冻病理样品进行成像；
对石蜡包埋的组织进行成像；
对类H&E图像进行成像；
对氧代谢变化进行成像；
响应于抗血管生成药物进行成像；
响应于放射治疗进行成像；
使用多波长PARS激励估计氧饱和度；
在不能使用脉搏血氧饱和度的情况下估计静脉血氧饱和度；
估计脑静脉氧饱和度和/或中心静脉氧饱和度；
估计氧通量和/或氧消耗；
对巴雷特食管和/或结直肠癌的血管床和浸润深度进行成像；
脑外科手术期间的功能和结构成像；
评估内部出血和/或烧灼验证；
对器官和/或器官移植的灌注充分性进行成像；
对胰岛移植周围血管生成进行成像；
皮肤移植的成像；
组织支架和/或生物材料的成像，以评估血管化和/或免疫排斥；
辅助显微外科手术的成像；
避免切割血管和/或神经的指导；
临床或临床前应用中造影剂的成像；
前哨淋巴结的识别；
淋巴结肿瘤的无创或微创识别；
基因编码的报告进行成像，其中，所述基因编码的报告包括用于临床前或临床分子成像应用的酪氨酸酶、色蛋白和/或荧光蛋白；
对用于分子成像的主动或被动靶向光学吸收纳米颗粒进行成像；
血栓的成像；
预测血栓形成的年龄；
通过检测内源性葡萄糖吸收峰对葡萄糖浓度进行远程或非侵入性肿瘤内评估；
类器官生长的评估；
监测发育中的胚胎；
生物膜成分的评估；
蛀牙的评估；
无生命结构的评估；
评估绘画的构图，以非侵入性地确认真实性；
考古文物的评估；
制造质量控制；
制造质量保证；
更换导管插入术程序；
胃肠病学应用；
整个视场上的单激励脉冲成像；
组织的成像；
细胞的成像；
来自物体表面的散射光的成像；
散射光的吸收引起的变化的成像；或
光学吸收的非接触成像。
13.一种用于使样品中的细节可视化的方法，所述方法包括：
将激励波束引导到所述样品表面下方的激励位置，以在所述样品中生成信号；
将询问波束引导朝向所述样品的激励位置；
从所述询问波束的返回部分提取吸收信号；
确定来自所述询问波束的返回部分的散射强度；以及
从所提取的吸收信号和所确定的散射强度生成组合图像。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，提取吸收信号包括从所述询问波束的滤波返回部分提取吸收信号。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，确定散射强度来自一个或更多个询问波束的未滤波返回部分。
16.根据权利要求13所述的方法，还包括通过使用所述激励波束和/或检测波束的波长、脉冲宽度、功率、能量、相干长度、重复率、曝光时间中的一个或更多个来从所述样品中离析组成发色团。
17.根据权利要求13所述的方法，还包括使用收集的时域行为的特征来改善信号保真度、增强图像对比度、恢复关于样品形状、大小和尺寸的信息，或者用于执行多路复用/功能成像。
18.根据权利要求13所述的方法，还包括使用锁定放大、机器学习方法、广义特征提取、多维分解和/或基于频率含量的特征提取和信号处理方法。
19.根据权利要求13所述的方法，还包括基于目标的吸收、温度、偏振、频率、相位、非线性吸收、荧光、非线性散射和散射含量来离析目标的组成。
20.根据权利要求13所述的方法，还包括基于目标的吸收、温度、偏振、频率、相位、非线性吸收、非线性散射和散射含量来离析目标的大小、形状、特征和尺寸。
21.根据权利要求13所述的方法，还包括通过利用不同波长、不同脉冲宽度、不同相干长度、重复率、激光曝光时间和/或激光注量，使用目标的吸收含量、散射含量、荧光、偏振含量、频率含量、相位含量来离析目标。
22.一种用于使样品中的细节可视化的光声遥感系统，所述系统包括：
一个或更多个第一激光源，被配置为生成1)一个或更多个激励波束，被配置为在一个或更多个第一位置处在样品中生成信号，以及2)一个或更多个询问波束，在一个或更多个第二位置处入射到所述样品上；
激光源，与所述一个或更多个第一激光源分离，所述第二光源被配置为在一个或更多个第三位置处生成入射到所述样品上的一个或更多个信号增强波束；
其中，所述一个或更多个第一位置、所述一个或更多个第二位置以及所述一个或更多个第三位置位于所述样品的表面下方；
其中，从所述样品返回的所述一个或更多个询问波束的部分指示所生成的信号；
一个或更多个第一光学检测器，被配置为检测从所述样品返回的一个或更多个询问波束的部分；
处理器，被配置为基于从所述样品返回的一个或更多个询问波束的部分来计算所述样品的图像，其中，与在没有所述一个或更多个信号增强波束的情况下生成的信号相比，从所述样品返回的一个或更多个询问波束的部分被所述一个或更多个增强波束修改和/或增强。
23.一种用于使样品中的细节可视化的系统，所述系统提供组织的吸收和散射对比度，所述系统包括：
一个或更多个光源，被配置为生成(1)一个或更多个激励波束，被配置为在一个或更多个激励位置处在所述样品中生成超声信号、热信号、光声信号和/或压力信号；(2)一个或更多个询问波束，在一个或更多个询问位置处入射到所述样品上，所述一个或更多个询问波束具有与所述一个或更多个激励波束不同的波长；
一个或更多个光学系统，被配置为将所述一个或更多个激励波束聚焦或引导到一个或更多个第一焦点处，并且将所述一个或更多个询问波束聚焦或引导到一个或更多个第二焦点处，所述一个或更多个第一焦点和所述一个或更多个第二焦点位于所述样品的表面下方；
从所述样品返回的一个或更多个询问波束的部分，指示所生成的超声信号、热信号、光声信号和/或压力信号；
一个或更多个光学检测器，被配置为检测所述一个或更多个询问波束的返回部分；以及
一个或更多个处理器，被配置为：
从所述一个或更多个询问波束的返回部分提取吸收信号；
确定来自所述一个或更多个询问波束的返回部分的散射强度；以及
从所提取的吸收信号和所确定的散射强度生成组合图像。
24.一种用于使样品中的细节可视化的光声遥感系统，所述系统包括：
一个或更多个激光器，被配置为生成：(1)激励波束，被配置为在激励位置处在所述样品中生成信号；以及(2)询问波束，在所述激励位置处入射到所述样品上，从所述样品返回的询问波束的部分指示所生成的信号；
光学系统，被配置为将所述激励波束和/或所述询问波束聚焦在所述样品的表面下方；
滤波器，被配置为将所述询问波束的返回部分与从所述样品返回的自体荧光分离；
第一检测器，检测所述询问波束的返回部分；以及
第二检测器，检测从所述样品返回的自体荧光。
25.一种用于使样品中的细节可视化的方法，所述方法包括：
将激励波束引导到所述样品表面下方的激励位置，以在所述样品中生成信号；
将询问波束引导朝向所述样品的激励位置；
检测从所述样品返回的询问波束的指示所生成的信号的部分；以及
检测从所述样品返回的自体荧光。
26.一种用于使样品中的细节可视化的系统，所述系统包括：
一个或更多个光源，被配置为生成(1)一个或更多个激励波束，被配置为在一个或更多个第一位置处在所述样品中生成信号；以及(2)一个或更多个询问波束，在一个或更多个第二位置处入射到所述样品上；
第二光源，与所述一个或更多个光源分离，所述第二光源被配置为在所述一个或更多个第一位置处生成入射到所述样品上的一个或更多个信号增强波束，其中，所述一个或更多个信号增强波束被配置为升高所述一个或更多个询问波束的焦点内所述样品的温度，并且其中，所述一个或更多个信号增强波束中的任一个具有比所述一个或更多个激励波束中的每一个更低的强度；
其中，从所述样品返回的一个或更多个询问波束的部分指示所生成的信号；
一个或更多个第一光学检测器，被配置为检测从所述样品返回的一个或更多个询问波束的部分；
其中，所述系统还包括处理器，所述处理器被配置为基于从所述样品返回的一个或更多个询问波束的部分来计算所述样品的图像，其中，与在没有所述一个或更多个信号增强波束的情况下生成的从所述样品返回的一个或更多个询问光束的部分的强度调制相比，由于在所述一个或更多个询问波束的焦点内所述样品的温度升高，从所述样品返回的一个或更多个询问波束中的部分的强度调制由所述一个或更多个信号增强波束增加，改变了所述样品的局部折射率；
其中，由所述一个或更多个激励波束生成的信号包括超声信号、热信号、光声信号、荧光信号和/或压力信号，并且所述一个或更多个询问波束的返回部分指示所生成的超声信号、热信号、光声信号和/或压力信号。
27.一种用于使样品中的细节可视化的系统，所述系统提供组织的吸收和散射对比度，所述系统包括：
一个或更多个光源，被配置为生成(1)一个或更多个激励波束，被配置为在所述样品内的至少第一目标中在一个或更多个激励位置处生成超声信号、荧光信号、热信号、光声信号和/或压力信号；(2)一个或更多个询问波束，在一个或更多个询问位置处入射到所述样品上，所述一个或更多个询问波束具有与所述一个或更多个激励波束不同的波长，其中，所述一个或更多个询问波束的波长被配置为通过填充第二目标的吸收能级来抑制由于所述一个或更多个激励波束被施加到所述样品而由所述样品内的所述第二目标生成的任何超声信号、热信号、荧光信号、光声信号和/或压力信号，其中，所述第一目标和所述第二目标具有不同的发色团；以及
一个或更多个光学系统，被配置为将所述一个或更多个激励波束聚焦或引导到一个或更多个第一焦点处，并且将所述一个或更多个询问波束聚焦或引导到一个或更多个第二焦点处，所述一个或更多个第一焦点和所述一个或更多个第二焦点位于所述样品的表面下方；其中，从所述样品返回的一个或更多个询问波束的部分指示所生成的超声信号、热信号、光声信号、荧光信号和/或压力信号；以及
其中，从所述样品返回的一个或更多个激励波束的部分指示所生成的超声信号、热信号、光声信号、荧光信号和/或压力信号；以及
一个或更多个光学检测器，被配置为检测所述一个或更多个询问波束或激励波束的返回部分；以及
处理器，被配置为：
将所述样品内的所述第一目标和所述第二目标彼此离析，并基于所述第一目标的光学特性和所述第二目标的光学特性为所述第一目标和所述第二目标分配不同的颜色，以及
使所述不同的颜色同时显示在单个图像上，其中，所述第一目标和所述第二目标各自包括内源性和/或外源性发色团，其中，所述处理器被配置为在用所述一个或更多个光源扫描所述样品之后离析所述第一目标和所述第二目标。
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