CN116879180B - 基于径向偏振调制光束聚焦的光声显微成像系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于径向偏振调制光束聚焦的光声显微成像系统和方法，系统包括激光源、扩束滤波装置、反射镜组、径向偏振光束产生与检测装置、二元衍射元件、大数值孔径物镜、样品池等；该方案利用径向偏振转换器产生径向偏振光束，并通过二元衍射元件对光束进行相位调制，调制光束在大数值孔径物镜的作用下产生超越衍射极限的极小焦斑；将该调制光束作为激发光束，对生物组织照射与超声探测，可以实现系统的横向超分辨成像能力，获得高精度的微血管网络结构图像。与现有技术相比，本发明克服了衍射分辨率极限的限制，提升了系统空间分辨率的同时拓展景深，实现超分辨光声显微成像，可以解决常规光声显微成像系统无法解决的微血管成像问题。

Description

基于径向偏振调制光束聚焦的光声显微成像系统和方法

技术领域

本发明涉及光声显微成像领域，尤其是涉及基于径向偏振调制光束聚焦的光声显微成像系统和方法。

背景技术

在医学领域，诸如眼科、皮肤科、内窥等方面，需要对微血管网络进行成像，光声成像技术结合了光学成像的高对比度和超声成像的高穿透性特点，可实现生物组织更深层成像。光声显微成像（PAM）作为光声成像的重要实现形式，具有较高的分辨率，可以提供三维血管的形态、功能和分子信息，是生物医学研究的重要工具。光学分辨光声显微成像（OR-PAM）技术利用显微物镜将激光聚焦，超声换能器来产生和检测信号，在样品上产生较超声传感器声束焦斑更小的激光光斑，实现更高的横向分辨率，其三维图像可以通过二维扫描得到，这是因为脉冲激光在组织中激发的光声信号本身携带时间飞行信息，这个信息能够用于分辨物体深度信息，从而实现对活体生物组织的光吸收特性和分布进行体成像。

高分辨光声成像能精确反映组织结构，对于监测生理病理过程具有重要的意义，提高成像分辨力一直以来都是光声显微成像系统的重要研究方向。然而OR-PAM技术受到衍射分辨率极限的限制，实现超分辨光声成像依然是目前面临的一个重大挑战。OR-PAM的横向分辨率取决于聚焦光焦点的尺寸，通常，高斯光束经过物镜或透镜来获得紧密光学焦点，但难以突破衍射极限，系统的分辨能力不足以清晰区分生物组织内复杂的微血管网络。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在现有光声显微成像技术系统中横向分辨率受限，无法形成微血管脉络的高分辨率成像，难以获取生物组织的精准微血管结构信息的缺陷而提供一种基于径向偏振调制光束聚焦的光声显微成像系统和方法，利用光场调控手段，缩小焦斑尺寸，提升空间分辨能力，实现超分辨光声显微成像，为检测病变组织与以及癌变诊断等提供有力的手段。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于径向偏振调制光束聚焦的光声显微成像系统，包括激光源、扩束滤波装置、反射镜组、径向偏振光束产生与检测装置、二元衍射元件、大数值孔径物镜、样品池、光声信号探测装置和信号处理装置；

所述激光源产生的激光脉冲依次经过扩束滤波装置、径向偏振光束产生与检测装置、二元衍射元件和大数值孔径物镜聚焦在所述样品池中，所述光声信号探测装置的探测端正对所述样品池，所述信号处理装置连接光声信号探测装置；

所述反射镜组分布在所述激光脉冲的光路中，用于改变光的路径；所述扩束滤波装置用于对激光脉冲进行扩束，所述径向偏振光束产生与检测装置用于根据激光脉冲产生径向偏振光束，所述二元衍射元件用于对径向偏振光束进行波前相位调制，所述大数值孔径物镜用于产生紧聚焦光斑，所述光声信号探测装置用于探测紧聚焦光斑照射样品产生的光声信号，所述信号处理装置用于根据光声信号进行放大滤波处理以及图像重建。

进一步地，所述扩束滤波装置包括第一透镜、针孔滤波器和第二透镜，所述针孔滤波器位于第一透镜和第二透镜之间，所述第一透镜和第二透镜用于对激光脉冲进行扩束，使得扩束后的激光脉冲的尺寸与所述径向偏振光束产生与检测装置相配合，所述针孔滤波器用于对激光脉冲进行滤波。

进一步地，所述光声显微成像系统还包括可调式衰减片，该可调式衰减片位于针孔滤波器和第二透镜之间，该可调式衰减片用于通过调整可调式衰减片的旋转角度，改变反射光与透射光的比例来改变光衰减的大小，实现对激光脉冲的功率调节。

进一步地，所述光声显微成像系统还包括位于扩束滤波装置和径向偏振光束产生与检测装置之间的光阑，该光阑用于滤除激光脉冲边缘的非均匀部分。

进一步地，所述反射镜组包括多个反射镜，各个反射镜分布在所述光声显微成像系统内的光路中，用于改变光的路径。

进一步地，所述径向偏振光束的产生与检测装置包括依次分布的第一偏振分束器、半波片和径向偏振转换器，所述第一偏振分束器用于根据入射的激光脉冲产生线偏振光，所述半波片用于旋转半波片的角度调整线偏振光束的偏振方向，使得偏振方向与径向偏振转换器对光束偏振作用方向一致，并产生径向偏振光束。

进一步地，所述径向偏振光束的产生与检测装置还包括可拆卸的第二偏振分束器和光束质量分析仪，所述第二偏振分束器和光束质量分析仪用于辅助调整所述半波片的角度，所述第二偏振分束器和光束质量分析仪位于所述径向偏振转换器输出端的光路上，通过第二偏振分束器和光束质量分析仪观测通过第二偏振分束器的光斑分布形状，若通过第二偏振分束器的光斑为左右对称分布时，则完成半波片的角度的调节，并移出第二偏振分束器和光束质量分析仪。

进一步地，所述样品池通过支架连接有电控位移台，所述电控位移台用于带动样品池进行三维移动，寻找最佳聚焦探测位置；

所述光声信号探测装置包括聚焦式环形超声换能器和五维位移台，所述聚焦式环形超声换能器为水浸式超声换能器，所述聚焦式环形超声换能器由五维位移台调控进行五维移动，寻找最佳的聚焦式环形超声换能器位置及角度，使得样品池中的紧聚焦光斑的光焦区域与聚焦式环形超声换能器的声焦区域处于同一聚焦平面。

进一步地，所述聚焦式环形超声换能器为水浸式超声换能器，所述样品池内存储有去离子水，该去离子水浸没样品池内的待探测样品和水浸式超声换能器的探头。

进一步地，所述聚焦式环形超声换能器为环状结构，中心部分中空，外侧为环状实心部，所述紧聚焦光斑的光束穿过聚焦式环形超声换能器的中空部分，所述聚焦式环形超声换能器的环状实心部为有效接收区域。

进一步地，所述信号处理装置包括依次连接的信号放大器、低通滤波器、数据采集卡和处理控制器，所述信号放大器连接所述光声信号探测装置，用于对接收到的光声信号进行胆大，所述低通滤波器用于对噪声低通滤波，所述数据采集卡用于采集数据，所述处理控制器用于采用重建算法进行图像重建，所述处理控制器还连接激光源、支撑样品池的电控位移台和数据采集卡，用于同步控制激光源的触发、电控位移台的移动及数据采集卡的采集。

本发明还提供一种如上所述的一种基于径向偏振调制光束聚焦的光声显微成像系统的光声显微成像方法，包括以下步骤：

将光声显微成像系统接通电源；

调节扩束滤波装置，使得激光脉冲扩束后的尺寸与所述径向偏振光束产生与检测装置相配合；

调节径向偏振光束的产生与检测装置，使得径向偏振光束的产生与检测装置输出径向偏振光束

调整光声信号探测装置的位置，使得样品池中的紧聚焦光斑的光焦区域与光声信号探测装置的声焦区域处于同一聚焦平面；

在样品池中放置待探测样品，并调整样品池的位置，使得待探测样品处于紧聚焦光斑的聚焦平面位置；

通过信号处理装置进行光声信号的采集和处理，并实时调整样品池和光声信号探测装置的位置；

调整样品池的位置对待探测样品进行二维扫描探测，对采集的光声信号进行处理与图像重建。

进一步地，所述径向偏振光束产生与检测装置产生的径向偏振光束经过二元衍射元件后，增加了对光束的相位调制函数，按照二元衍射元件的结构半径参数对径向偏振光束进行了调制，减小了焦斑尺寸，增大了半高宽。

进一步地，所述光声显微成像系统用于对生物组织进行光声显微成像。

进一步地，所述待探测样品为生物组织，所述生物组织的探测部位涂覆有耦合剂，并贴在样品池底部中央的薄膜下方。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）本发明搭建了一套完整的用于生物组织超分辨光声显微成像的系统。结合了矢量光场调控和光声显微成像两种技术，克服了传统光声显微成像技术受到衍射分辨率极限的限制，系统的分辨能力不足以清晰区分生物组织内复杂的微血管网络的问题。通过对生物组织微血管网络探测，可以极大改善成像分辨能力。

（2）本发明采用径向偏振转换器产生径向偏振光束，结合设计的二元相位衍射元件，改变入射波前，并在大数值孔径的紧聚焦作用下产生极小焦斑，焦斑尺寸的半高宽可达0.4λ，将调制光束作为系统的激发光束，可以实现对生物组织的横向超分辨成像，并且调制后的光束沿着轴向光强分布范围更大，可以改善景深；

该发明克服了传统光声显微成像技术中系统分辨率受到衍射极限限制的问题，实现对生物组织微血管网络精准探测，极大改善成像分辨能力。另一方面，调制后的聚焦光束沿着轴向强度分布范围更大，轴向光强范围由调制前的近调制为近，这可以极大改善景深，一次扫描即可获取更多的深度信息。

（3）本发明将为检测病变组织与发展过程等提供有力的手段，在医学影像领域有很大的潜力。通过成像微血管网络，可以解决常规OR-PAM系统无法解决的微血管成像问题。比如，通过监测肿瘤细胞周围的新生血管来进行早期癌症筛查。为光声成像技术在生物医学应用领域的进一步发展提供参考，具有重要的研究价值和实际意义。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种基于径向偏振调制光束聚焦的光声显微成像系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的一种径向偏振调制光束产生及聚焦过程示意图；

图3为本发明实施例中提供的一种径向偏振光场未经二元衍射元件调制后沿着R-Z中心截面的归一化总光强图；

图4为本发明实施例中提供的一种图3焦平面位置沿着径向的归一化光强的分布图；

图5为本发明实施例中提供的一种图3径向中心处沿着z向的归一化光强分布图；

图6为本发明实施例中提供的一种径向偏振光场经二元衍射元件调制后沿着R-Z中心截面的归一化总光强图；

图7为本发明实施例中提供的一种图6中焦平面位置沿着径向的归一化光强的分布图；

图8为本发明实施例中提供的一种图6径向中心处沿着z向的归一化光强分布图；

图9为本发明实施例中提供的一种基于径向偏振调制光束聚焦的光声显微成像系统的超分辨光声显微成像的原理示意图；

图中，1、激光源，2、第一透镜，3、针孔滤波器，4、可调衰减片，5、第二透镜，6、光阑，7、第一反射镜，8、第二反射镜，9、第一偏振分束器，10、半波片，11、径向偏振转换器，12、第二偏振分束器，13、光束质量分析仪，14、第三反射镜，15、二元衍射元件，16、大数值孔径物镜，17、样品池，18、环形聚焦式超声换能器，19、电控位移台，20、信号放大器，21、低通滤波器，22、数据采集卡，23、处理控制器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种基于径向偏振调制光束聚焦的光声显微成像系统，包括激光源1、扩束滤波装置、反射镜组、径向偏振光束产生与检测装置、二元衍射元件15、大数值孔径物镜16、样品池17、光声信号探测装置和信号处理装置；

激光源1产生的激光脉冲依次经过扩束滤波装置、径向偏振光束产生与检测装置、二元衍射元件15和大数值孔径物镜16聚焦在样品池17中，光声信号探测装置的探测端正对样品池17，信号处理装置连接光声信号探测装置；

反射镜组分布在激光脉冲的光路中，用于改变光的路径；扩束滤波装置用于对激光脉冲进行扩束，径向偏振光束产生与检测装置用于根据激光脉冲产生径向偏振光束，二元衍射元件15用于对径向偏振光束进行波前相位调制，大数值孔径物镜16用于产生紧聚焦光斑，光声信号探测装置用于探测紧聚焦光斑照射样品产生的光声信号，信号处理装置用于根据光声信号进行放大滤波处理以及图像重建。

激光源1用于产生激光脉冲，对样品进行照射，产生光声信号，并同步地向信号处理装置发送激光触发信号。可选的，本实施例中，激光源1产生的激光脉冲的波长为532nm，脉冲宽度为5ns，重复频率可调谐为1-10kHz。

扩束滤波装置对激光进行扩束，其扩束尺寸足以覆盖径向偏振光束产生与检测装置中径向偏振转换器11的有效孔径，作为一种可选的实施方式，扩束滤波装置包括第一透镜2、针孔滤波器3和第二透镜5，针孔滤波器3位于第一透镜2和第二透镜5之间，第一透镜2和第二透镜5用于对激光脉冲进行扩束，使得扩束后的激光脉冲的尺寸与径向偏振光束产生与检测装置相配合，针孔滤波器3用于对激光脉冲进行滤波。

作为一种优选的实施方式，为对激光脉冲的功率调节，光声显微成像系统还包括可调式衰减片4，该可调式衰减片4位于针孔滤波器3和第二透镜5之间，该可调式衰减片4用于通过调整可调式衰减片4的旋转角度，改变反射光与透射光的比例来改变光衰减的大小，实现对激光脉冲的功率调节。

作为一种优选的实施方式，为对激光脉冲边缘的非均匀部分进行滤除，光声显微成像系统还包括位于扩束滤波装置和径向偏振光束产生与检测装置之间的光阑6，该光阑6用于滤除激光脉冲边缘的非均匀部分。

反射镜组包括多个反射镜，各个反射镜分布在光声显微成像系统内的光路中，用于改变光的路径；可选的，本实施例中，反射镜组包括第一反射镜7、第二反射镜8和第三反射镜14，用于改变光的路径，可根据实际需要进行适应性设置。

径向偏振光束产生与检测装置用于根据激光脉冲产生径向偏振光束，作为一种可选的实施方式，径向偏振光束的产生与检测装置包括依次分布的第一偏振分束器9、半波片10和径向偏振转换器11，第一偏振分束器9用于根据入射的激光脉冲产生线偏振光，半波片10用于旋转半波片10的角度调整线偏振光束的偏振方向，使得偏振方向与径向偏振转换器11对光束偏振作用方向一致，并产生径向偏振光束。

作为一种优选的实施方式，径向偏振光束的产生与检测装置还包括可拆卸的第二偏振分束器12和光束质量分析仪13，第二偏振分束器12和光束质量分析仪13用于辅助调整半波片10的角度，第二偏振分束器12和光束质量分析仪13位于径向偏振转换器11输出端的光路上，通过第二偏振分束器12和光束质量分析仪13观测通过第二偏振分束器12的光斑分布形状，若通过第二偏振分束器12的光斑为左右对称分布时，则完成半波片10的角度的调节，并移出第二偏振分束器12和光束质量分析仪13。

激光光束经过第一偏振分束器产生线偏振光，结合第二偏振分束器12与光束质量分析仪13的检测，通过旋转半波片的角度调节线偏振光束的偏振方向，使其与径向偏振转换器对光束偏振作用方向一致，并产生径向偏振光束。调节完，移走第二偏振分束器12与光束质量分析仪13。

二元衍射元件15，用于对径向偏振光束进行波前相位调制。

大数值孔径物镜16，经过调制的径向偏振光束在大数值孔径物镜的作用下产生紧聚焦光斑，焦斑尺寸的半高宽可超衍射极限，大数值孔径物镜16的尺寸可根据调制的径向偏振光束的尺寸进行适应性配置。

结合图2，所示为本发明的径向偏振调制光束产生及聚焦装置示意图。

样品池17在放置探测样品时，将样品放置底部；在探测生物组织时，需要在探测部位涂耦合剂，紧贴于样品池底部中央薄膜下方。其中，样品池17通过支架与三维的电控位移台19相连，其中z轴可通过手动调控，x与y轴可通过电控移动，根据实时重建图样调控z轴位置，找寻最佳聚焦探测位置。

电控位移台19作为激光扫描装置，用于激光对探测样品的二维扫描。本实施例中，电控位移台最小位移可达0.1微米，最大行程可达52毫米，扫描范围和扫描步长通过控制程序设定。

光声信号探测装置用于探测脉冲激光照射样品产生的信号，作为一种可选的实施方式，光声信号探测装置，包括聚焦式环形超声换能器18，用于探测脉冲激光照射样品产生的超声信号，聚焦式环形超声换能器18为环状结构，中心部分中空，外侧为环状实心部，紧聚焦光斑的光束穿过聚焦式环形超声换能器18的中空部分，聚焦式环形超声换能器18的环状实心部为有效接收区域。

超声换能器是水浸式，本实施例中，其中心频率为30MHz，焦距为7.5 mm，中空直径为2.5 mm，中心部分透过光束，环状实心部分是有效接收区域。超声换能器由五维位移台调控，两维平移，一维升降，两维角度倾斜。根据实时探测信号调节超声换能器最佳位置及角度，调节声焦区域与光焦区域处于同共聚焦平面，以保证能最大范围且灵敏地接收光声信号。

需要说明的是，光声信号探测时，需在样品池17内部倒入足量去离子水，以使探测样品及超声换能器18的探头浸没在去离子水中。去离子水可以减小声信号的衰减，同时还可以减少气泡的产生。

信号处理装置用于根据光声信号进行放大滤波处理以及图像重建，作为一种可选的实施方式，信号处理装置包括依次连接的信号放大器20、低通滤波器21、数据采集卡22和处理控制器23，信号放大器20连接光声信号探测装置，用于对接收到的光声信号进行胆大，低通滤波器21用于对噪声低通滤波，数据采集卡22用于采集数据，处理控制器23用于采用重建算法进行图像重建，处理控制器23还连接激光源1、支撑样品池17的电控位移台19和数据采集卡22，用于同步控制激光源1的触发、电控位移台19的移动及数据采集卡22的采集。

采用上述的基于径向偏振调制光束聚焦的光声显微成像系统的光声显微成像方法，包括以下步骤：

将光声显微成像系统接通电源；

调节扩束滤波装置，使得激光脉冲扩束后的尺寸与径向偏振光束产生与检测装置相配合；

调节径向偏振光束的产生与检测装置，使得径向偏振光束的产生与检测装置输出径向偏振光束

调整光声信号探测装置的位置，使得样品池17中的紧聚焦光斑的光焦区域与光声信号探测装置的声焦区域处于同一聚焦平面；

在样品池17中放置待探测样品，并调整样品池17的位置，使得待探测样品处于紧聚焦光斑的聚焦平面位置；

通过信号处理装置进行光声信号的采集和处理，并实时调整样品池17和光声信号探测装置的位置；

调整样品池17的位置对待探测样品进行二维扫描探测，对采集的光声信号进行处理与图像重建。

下面对上述方法进行具体描述。

1、径向偏振调制光束与超分辨聚焦光斑的模拟与产生

具体地，扩束滤波后的光束到达第一偏振分束器9，激光光束经过第一偏振分束器9产生线偏振光，之后经过半波片10到达径向偏振转换器11，第二偏振分束器12与光束质量分析仪13在检测与调节产生的径向偏振光束时放置于径向偏振转换器11后面，通过旋转半波片10的角度，观察光束质量分析仪13上的光强分布，调节线偏振光束的偏振方向，使其与径向偏振转换器对光束偏振作用方向一致，并产生径向偏振光束。调节完，移走第二偏振分束器与光束质量分析仪。径向偏振光束经过第三反射镜14折转光路，沿着垂直方向向下的方向经过二元衍射元件15，进一步对光束进行波前相位调制。调制后的光束经过大数值孔径物镜16，产生紧聚焦光斑，焦斑尺寸的半高宽可超衍射极限。

根据Richards-wolf 矢量衍射理论对衍射光场进行理论推导，所述的径向偏振光束在焦点附近的笛卡尔电场分量为：

（1）

式中，为电场矢量；/> 分别是/>方向的电场分量；/>是波矢；是焦距； />为光线与光轴的夹角；/>表示径向方向的电矢量在/>平面的投影和/>轴的夹角；/>为描述入射光束横截面分布的光瞳函数；/>是光线最大会聚角/>，为透镜的数值孔径，/>为空间介质折射率, />是径向﹑轴向与角向的位置坐标。经过化简与推导，焦点附近的光场分布可以写成径向与轴向分量/>，对应的计算表达式为：

（2）

基于公式（2），可以对径向偏振光束的聚焦光场分布进行仿真分析。

添加二元衍射元件后的聚焦光场为：

（3）

表示二元衍射元件对光束的相位调制函数，R是径向半径，表示为

（4）

式中，是二元衍射元件的结构半径参数。基于公式（2）与（3），对径向偏振光束经过二元衍射元件调制前与调制后的聚焦光束仿真分析。图3是部分仿真结果，相关参数设置为/>= 532nm，/>，NA=0.95, n=1.33，/>=1，/>，R表示径向半径，Z表示轴向传输距离（Z=0是焦平面位置）。其中图3与图6分别是径向偏振光场未经二元衍射元件调制与经过二元衍射元件调制后沿着R-Z中心截面的归一化总光强（/>）分布。图4与图7是分别对应图3和图6焦平面位置（Z=0）沿着径向的归一化光强（/>）分布，可以看到，经过调制后的径向偏振聚焦光束，焦斑尺寸更小，半高宽（FWHM）可达到0.4λ，相比于未经二元衍射元件调制的聚焦光斑（约1.44λ），或者低数值孔径物镜聚焦的高斯光斑（通常尺寸达到2/>以上），焦斑质量有了较大的提升，这意味着将径向偏振调制的聚焦光束用光声显微成像，理论上系统的横向分辨率可达到0.4λ，可用于实现超分辨成像。此外，调制后的聚焦光束沿着轴向强度分布范围更大，图5和图8是分别对应图3和图6径向中心处（R=0）沿着z向的归一化光强分布，轴向光强范围由调制前的近/>调制为优于/>，这可以极大改善景深。

2、通过电控位移台19的移动，实现对样品的二维扫描，以获取实时的光声成像图样。

电控位移台19由驱动电路板输入的电压驱动控制样品池17的移动，进一步实现激光对样品的二维扫描探测。

3、光声信号的产生与探测

光声信号的产生，待测样品放置于样品池17，样品池17底部中央区域中空并放置有对超声具有高透过率料的透明薄膜，将样品的探测部位固定于样品池的底部中央区域或将生物组织探测部位耦合于样品池底部下方，在样品池17中加入足量去离子水以将样品及环形聚焦式超声换能器18的探头浸没在去离子水中。样品池通过支架与三维电控位移台相连，其中z轴可通过手动调控，x与y轴可通过电控移动，根据实时重建图样调控位置，将探测区域调至焦平面。聚焦光束照射样品或组织，以产生光声信号，

光声信号的探测，经样品激发的光声信号被超声换能器18的有效接收区域探测。超声换能器18与五维位移调节台相连，根据实时的光声成像图样精确调控超声换能器与样片池的位置，保证声焦区域与光焦区域处于同共聚焦平面。

信号处理装置对接收到的光声信号进行放大滤波处理以及图像重建。

具体地，信号处理装置包括信号放大器20、低通滤波器21、数据采集卡22和处理控制器23，超声换能器18将探测到的光声信号给信号放大器20，信号放大器20对光声信号进行放大后传输给低通滤波器21，低通滤波器21对其中的噪声进行低通滤波，然后将滤波后的光声信号传输至数据采集卡22，数据采集卡22采集光声信号的数据，并将采集的数据传输至处理控制器23，处理控制器23对接收的光声信号进行处理与图像重建；同时，处理控制器23用于同步控制激光源1的触发，电控位移台19的移动及数据采集卡22的采集。

本发明一方面将矢量光场调控技术应用于光声显微成像系统，利用径向偏振调制光束在大数值孔径物镜的紧聚焦作用下产生超衍射极限的极小焦斑，焦斑尺寸的半高宽可达0.4λ。将其作用于生物组织，激发光声信号，实现超分辨成像。该发明克服了传统光声显微成像技术中系统分辨率受到衍射极限限制的问题，实现对生物组织微血管网络精准探测，极大改善成像分辨能力。另一方面，调制后的聚焦光束沿着轴向强度分布范围更大，轴向光强范围由调制前的近调制为近/>，这可以极大改善景深，一次扫描即可获取更多的深度信息。

图9本发明提供的一种用于生物组织超分辨光声显微成像的原理示意图。调制后的聚焦光束，焦斑尺寸很小，轴向分布范围较大，用于照射组织，激发光声信号，超声换能器用于探测超声信号，实现微血管网络的清晰成像。

以上是本发明提供的一种用于生物组织超分辨光声显微成像的系统与方法的详细说明，实验中具体操作步骤包括：

步骤1：打开控制电源，包括激光源、径向偏振转换器、电控位移台、放大器、数据采集卡、处理控制器等；

步骤2：调节激光的准直与扩束滤波装置，扩束后的光束依次经过光阑﹑反射镜﹑第一偏振分束器﹑半波片入射到径向偏振转换器上；

步骤3：调节半波片与径向偏振转换器，借助于第二偏振分束器与光束质量分析仪观测光斑分布形状。当通过第二偏振分束器的光斑为左右对称分布时，从径向偏振转换器出射的光束即为径向偏振光束。之后，移走第二偏振分束器与光束质量分析仪；

步骤4：调节反射镜﹑二元衍射元件及物镜；

步骤5：粗调聚焦式环形超声换能器，包括位置及角度，使得激光可以从中空区域垂直通过并入射到样品上，超声换能器的声焦位置与激光焦平面位置一致；

步骤6：若探测样品，将样品探测部位固定于样品池底部中央区域；若探测生物组织，如小鼠耳部，则将小鼠固定于支架，维持麻醉，并在探测部位涂耦合剂，耦合于样品池底部透明薄膜下方；

步骤7：在样品池中加入足量去离子水，并粗调样品池的位置，使得样品探测部位处于激光焦平面位置，去离子水浸没超声换能器的探头；

步骤8：打开控制与图像重建系统，设置图样采集相关参数，选择外触发模式，先校对光声共聚焦位置，通过实时探测成像微调超声换能器与样品池的位置，使得能观测到最佳成像信号，且成像区域为感兴趣区域。

步骤9：运行整体系统，对样品进行扫描与探测，光声信号进行采集、处理，显示重建结果；

步骤10：将样品更换为生物组织，重复步骤5-步骤9。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (13)

1.一种基于径向偏振调制光束聚焦的光声显微成像系统，其特征在于，包括激光源（1）、扩束滤波装置、反射镜组、径向偏振光束产生与检测装置、二元衍射元件（15）、大数值孔径物镜（16）、样品池（17）、光声信号探测装置和信号处理装置；

所述激光源（1）产生的激光脉冲依次经过扩束滤波装置、径向偏振光束产生与检测装置、二元衍射元件（15）和大数值孔径物镜（16）聚焦在所述样品池（17）中，所述光声信号探测装置的探测端正对所述样品池（17），所述信号处理装置连接光声信号探测装置；

所述反射镜组分布在所述激光脉冲的光路中，用于改变光的路径；所述扩束滤波装置用于对激光脉冲进行扩束，所述径向偏振光束产生与检测装置用于根据激光脉冲产生径向偏振光束，所述二元衍射元件（15）用于对径向偏振光束进行波前相位调制，所述大数值孔径物镜（16）用于产生紧聚焦光斑，所述光声信号探测装置用于探测紧聚焦光斑照射样品产生的光声信号，所述信号处理装置用于根据光声信号进行放大滤波处理以及图像重建；

所述径向偏振光束的产生与检测装置包括依次分布的第一偏振分束器（9）、半波片（10）和径向偏振转换器（11），所述第一偏振分束器（9）用于根据入射的激光脉冲产生线偏振光，所述半波片（10）用于旋转半波片（10）的角度调整线偏振光束的偏振方向，使得偏振方向与径向偏振转换器（11）对光束偏振作用方向一致，并产生径向偏振光束；

所述径向偏振光束的产生与检测装置还包括可拆卸的第二偏振分束器（12）和光束质量分析仪（13），所述第二偏振分束器（12）和光束质量分析仪（13）用于辅助调整所述半波片（10）的角度，所述第二偏振分束器（12）和光束质量分析仪（13）位于所述径向偏振转换器（11）输出端的光路上，通过第二偏振分束器（12）和光束质量分析仪（13）观测通过第二偏振分束器（12）的光斑分布形状，若通过第二偏振分束器（12）的光斑为左右对称分布时，则完成半波片（10）的角度的调节，并移出第二偏振分束器（12）和光束质量分析仪（13）。

2.根据权利要求1所述的一种基于径向偏振调制光束聚焦的光声显微成像系统，其特征在于，所述扩束滤波装置包括第一透镜（2）、针孔滤波器（3）和第二透镜（5），所述针孔滤波器（3）位于第一透镜（2）和第二透镜（5）之间，所述第一透镜（2）和第二透镜（5）用于对激光脉冲进行扩束，使得扩束后的激光脉冲的尺寸与所述径向偏振光束产生与检测装置相配合，所述针孔滤波器（3）用于对激光脉冲进行滤波。

3.根据权利要求2所述的一种基于径向偏振调制光束聚焦的光声显微成像系统，其特征在于，所述光声显微成像系统还包括可调式衰减片（4），该可调式衰减片（4）位于针孔滤波器（3）和第二透镜（5）之间，所述可调式衰减片（4）用于通过调整可调式衰减片（4）的旋转角度，改变反射光与透射光的比例来改变光衰减的大小，实现对激光脉冲的功率调节。

4.根据权利要求1所述的一种基于径向偏振调制光束聚焦的光声显微成像系统，其特征在于，所述光声显微成像系统还包括位于扩束滤波装置和径向偏振光束产生与检测装置之间的光阑（6），该光阑（6）用于滤除激光脉冲边缘的非均匀部分。

5.根据权利要求1所述的一种基于径向偏振调制光束聚焦的光声显微成像系统，其特征在于，所述反射镜组包括多个反射镜，各个反射镜分布在所述光声显微成像系统内的光路中，用于改变光的路径。

6.根据权利要求1所述的一种基于径向偏振调制光束聚焦的光声显微成像系统，其特征在于，所述样品池（17）通过支架连接有电控位移台（19），所述电控位移台（19）用于带动样品池（17）进行三维移动，寻找最佳聚焦探测位置；

所述光声信号探测装置包括聚焦式环形超声换能器（18）和五维位移台，所述聚焦式环形超声换能器（18）为水浸式超声换能器，所述聚焦式环形超声换能器（18）由五维位移台调控进行五维移动，寻找最佳的聚焦式环形超声换能器（18）位置及角度，使得样品池（17）中的紧聚焦光斑的光焦区域与聚焦式环形超声换能器（18）的声焦区域处于同一聚焦平面。

7.根据权利要求6所述的一种基于径向偏振调制光束聚焦的光声显微成像系统，其特征在于，所述聚焦式环形超声换能器（18）为水浸式超声换能器，所述样品池（17）内存储有去离子水，该去离子水浸没样品池（17）内的待探测样品和水浸式超声换能器的探头。

8.根据权利要求6所述的一种基于径向偏振调制光束聚焦的光声显微成像系统，其特征在于，所述聚焦式环形超声换能器（18）为环状结构，中心部分中空，外侧为环状实心部，所述紧聚焦光斑的光束穿过聚焦式环形超声换能器（18）的中空部分，所述聚焦式环形超声换能器（18）的环状实心部为有效接收区域。

9.根据权利要求1所述的一种基于径向偏振调制光束聚焦的光声显微成像系统，其特征在于，所述信号处理装置包括依次连接的信号放大器（20）、低通滤波器（21）、数据采集卡（22）和处理控制器（23），所述信号放大器（20）连接所述光声信号探测装置，用于对接收到的光声信号进行胆大，所述低通滤波器（21）用于对噪声低通滤波，所述数据采集卡（22）用于采集数据，所述处理控制器（23）用于采用重建算法进行图像重建，所述处理控制器（23）还连接激光源（1）、支撑样品池（17）的电控位移台（19）和数据采集卡（22），用于同步控制激光源（1）的触发、电控位移台（19）的移动及数据采集卡（22）的采集。

10.一种如权利要求1-9任一所述的一种基于径向偏振调制光束聚焦的光声显微成像系统的光声显微成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

将光声显微成像系统接通电源；

调节扩束滤波装置，使得激光脉冲扩束后的尺寸与所述径向偏振光束产生与检测装置相配合；

调节径向偏振光束的产生与检测装置，使得径向偏振光束的产生与检测装置输出径向偏振光束

调整光声信号探测装置的位置，使得样品池（17）中的紧聚焦光斑的光焦区域与光声信号探测装置的声焦区域处于同一聚焦平面；

在样品池（17）中放置待探测样品，并调整样品池（17）的位置，使得待探测样品处于紧聚焦光斑的聚焦平面位置；

通过信号处理装置进行光声信号的采集和处理，并实时调整样品池（17）和光声信号探测装置的位置；

调整样品池（17）的位置对待探测样品进行二维扫描探测，对采集的光声信号进行处理与图像重建。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述径向偏振光束产生与检测装置产生的径向偏振光束经过二元衍射元件（15）后，增加了对光束的相位调制函数，按照二元衍射元件（15）的结构半径参数对径向偏振光束进行了调制，减小了焦斑尺寸，增大了半高宽。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述光声显微成像系统用于对生物组织进行光声显微成像。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述待探测样品为生物组织，所述生物组织的探测部位涂覆有耦合剂，并贴在样品池（17）底部中央的薄膜下方。