CN116990239A - 一种光声探测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光声探测技术领域，公开了一种光声探测装置及方法。装置包括计算机、探测光源、指示光源、激发光源、环形器、耦合器、参考臂模块、样品臂模块、相机和光谱仪；计算机输出端分别连接探测光源和激发光源，计算机输入端连接相机；探测光源传输至环形器，指示光源传输至耦合器；环形器分别连接光谱仪和耦合器；光谱仪连接相机；耦合器分为两路，一路传输至参考臂模块，另一路传输至样品臂模块；激发光源传输至反射镜，经反射后传输至透镜进入样品臂模块，样品臂模块与样品间布置聚焦透镜。本发明中样品无需与超声探测器接触，且无需在样品上覆盖水膜，减少了样品感染风险。
Description
技术领域
本发明涉及光声探测技术领域，尤其涉及一种光声探测装置及方法。
背景技术
光声成像(Photoacoustic imaging，PAI)技术是近些年发展起来的一种非侵入性无创三维成像方式，它结合了光学成像高对比度和超声成像高分辨率的优势，在生物医学领域有广阔前景。PAI通过光声(PA)效应将吸收的光能转化为声能来检测样品的吸收分布图像：当生物组织受到光子的照射时，根据光的波长，光子可以穿透到一定的深度。在组织内部，这些光子被散射和吸收。吸收的光能引起局部瞬态温升，通过热弹效应产生压力。近年来，光声成像已成功应用于细胞、微血管和组织的研究。
当前光声成像主要的研究方向有光声断层成像、光声显微成像、光声内窥镜成像等。传统的PAI系统通过压电换能器检测声信号，需要与样品接触以避免信号损失。在临床检测中，这种方式往往增加了继发感染的风险，限制了如在眼科或脑外科等环境下的应用。因此，非接触式PAI成像方案是更为可取的。
非接触式PAI的一种解决方案是利用光学方法替代超声换能器来检测PA信号。与传统的压电器件相比，光学检测方法具有更高的灵敏度和更宽的频率带宽，也为开发小型化和光学透明超声探测器提供了机会。其中，干涉测量方法已成为远程检测光声信号的一种流行方法。利用干涉仪从样品返回的光中提取信息熵，从而克服了其他光学检测方法，如散斑检测，对环境噪声非常敏感所带来的一些问题。
专利号为CN202210008125.3的发明专利公开了一种PAI-OCT双模成像系统，去掉了光声探测光，耦合光路减少为两路；同时去掉了现有PAI-OCT双模成像系统中的光电二极管，直接从干涉光谱中提取光声信号，简化了PAI-OCT双模成像系统的结构。但是，该方法利用样品表面反射光与参考光的干涉检测光声振动，需要在生物样品表面覆盖薄层水膜(大约1～2mm)，为探测光提供一个较好的光学反射面。由于使用水膜，这种方法是只能称作准非接触方法。考虑到OCT本身具有深度分辨能力，光声信号不仅会在样品表面产生振动，在样品内部同样是通过振动传播的，表现为光声激发前后样品内部OCT信号混乱度的改变。因此，本发明将进一步挖掘OCT信号受光声激发前后变化情况，摆脱对水膜反射增强的依赖，实现真正的非接触OCT-PAM双模成像。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种光声探测装置及方法，通过干涉光谱受光声激发前后信号混乱程度变化来检测光声信号，无需调制解调，有效的简化了计算及系统光路，节约了硬件成本。且无需耦合剂，水膜等介质，扩展了光声成像的应用范围。
本发明采用如下的技术方案：一种光声探测装置，包括计算机12、探测光源1、指示光源2、激发光源3、环形器4、耦合器5、参考臂模块、样品臂模块、相机10和光谱仪11；计算机12输出端分别连接探测光源1和激发光源3，计算机12输入端连接相机10；探测光源1传输至环形器4，指示光源2传输至耦合器5；环形器4分别连接光谱仪11和耦合器5；光谱仪11连接相机10；耦合器5分为两路，一路传输至参考臂模块，另一路传输至样品臂模块；激发光源3传输至反射镜6，经反射后传输至透镜7进入样品臂模块，样品臂模块与样品间布置聚焦透镜。
所述样品臂模块包括二向色镜8和X-Y扫描振镜9，二者依次布置。
激发光源3发出的激发光，经反射镜6、透镜7、二向色镜8后垂直入射于扫描振镜9上，经聚焦透镜聚焦后照射于样品上，样品吸收激光脉冲后由于光声效应产生超声振动；探测光源1发出探测光，探测光经环形器4通道进入耦合器5；指示光源2直接传输至耦合器5；耦合器5内的光束分成两路输出，一路为参考光到达参考臂模块，另一路为样品光到达样品臂模块，样品光经二向色镜8到达扫描振镜9，最后通过聚焦透镜打在样品上；于样品上的探测光反射后沿原路返回耦合器5，并与参考光产生干涉，干涉光经环形器4进入光谱仪11，最后由相机10进行采集；采集的图像输入至计算机12，计算得到光声信号，计算机12发送控制指令至探测光源1和激发光源3。
一种基于干涉光谱信息熵的非接触光声探测方法，包括以下步骤：
S1、光声激发：计算机12控制指令发出脉冲信号触发激发光源3，照射样品，样品吸收激发光能量，产生压力波，压力波传到样品周围组织，产生微小振动；
S2、光学相干检测：探测光源1发出的光经环形器4、耦合器5分为两路，一路作为参考光，另一路作为探测光；所述指示光源发射至耦合器5，使得参考光和探测光为可见光；所述探测光进入样品臂模块，与激发光在二向色镜8作用下合成一束同轴光，同轴光经过X-Y扫描振镜9后由聚焦透镜聚焦于样品表面，样品的生物组织吸收激发光后因光声效应产生光声信号，并使得样品表面及内部产生位移，进而改变样品表面反射光光程；从样品表面获得的反射光信号由原路返回耦合器5并与经参考臂模块反射后的参考光进行干涉，产生干涉信号；
S3、触发采集：计算机12同步输出触发信号至激发光源3、探测光源1及相机10，激发光源3照射样品，同时相机10开始信号采集；
S4、信号提取：在激发光到达样品前，相机10采集到的是未经激发的稳定干涉光谱，信息熵记为H0；当激发光到达样品时，样品表面及内部产生位移，相机10采集到的干涉光谱发生变化，其信息熵记为H1；最后，通过激发前后的信息熵差|H1-H0|提取光声信号。
本发明的有益效果：
1、本发明的成像系统为非接触式光声成像系统，样品无需与超声探测器接触，且无需在样品上覆盖水膜，减少了样品感染风险。
2、去掉了光声探测光，简化了系统结构和减少了光路调节难度。
3、直接根据干涉光谱信息熵中提取光声信号，简化了光声信号的计算。
附图说明
图1为光声探测装置的结构示意图；
图2为未受激发干涉光谱；
图3为受激发后干涉光谱。
图中：1、探测光源；2、指示光源；3、激发光源；4、环形器；5、耦合器；6、反射镜；7、透镜；8、二向色镜；9、X-Y扫描振镜；10、相机；11、光谱仪；12、计算机。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
一种光声探测方法，包括以下步骤：
S1、光声激发：计算机12控制指令发出脉冲信号触发激发光源3，照射样品，样品吸收激发光能量，产生压力波，压力波传到样品周围组织，产生微小振动；
S2、光学相干检测：将探测光源1发出的光分为两路，一路作为参考光，另一路作为探测光；所述探测光进入样品臂模块，与激发光在二向色镜8作用下合成一束同轴光，同轴光经过X-Y扫描振镜9后由聚焦透镜聚焦于样品表面，样品的生物组织吸收激发光后因光声效应产生光声信号，并使得样品表面产生微小位移，进而改变样品表面反射光光程；从样品表面获得的反射光信号由原路返回耦合器5并与经参考臂模块反射后的参考光进行干涉，产生干涉信号；
S3、触发采集：计算机12同步输出触发信号给探测光源、激发光源3及相机10，激发光源3照射样品，同时相机10开始信号采集；
S4、信号提取：在激发光到达样品前，相机10采集到的是未经激发的稳定干涉光谱，其信号混乱度小，信息熵可记为H0；当激发光到达样品时，样品表面及内部产生微小位移，相机采集到的干涉光谱发生变化，信号混乱程度增加，其信息熵可记为H1；最后，利用激发前后的信息熵差|H1-H0|可提取光声信号。
本发明提供一种光声成像装置，在光声成像中，激发光聚焦到样品，样品吸收脉冲激光能量光声效应产生超声，超声以振动的形式传导；光声信号(超声振动)的检测使用光谱OCT。样品反射的OCT探测光与参考光产生干涉，其干涉光谱表现为不同频率余弦函数的叠加。光声效应产生的超声振动在组织内的传播会导致干涉光谱相位的抖动，导致干涉光谱不稳定，信号混乱度增加，信息熵增大，通过计算OCT信号受光声激发前后信息熵差可得到光声信号。光声信号的检测完全由光谱OCT来完成，减少了传统光声系统的探测光源与检测单元，极大地简化了系统结构，提高了PAI成像系统的实用性。
图1是本发明实施例非接触光声成像装置的结构示意图，如图1所示，所述非接触光声成像装置包括：计算机12、相机10、参考臂模块、样品臂模块。
工作过程：探测光经环形器4通道进入耦合器5，光束经由耦合器5分成两路，一路到达参考臂模块，一路到达样品臂模块，样品光经二向色镜8到达扫描振镜9，最后通过聚焦透镜打在样品上；激发光源发出的激发光经反射镜6、透镜7后打在二向色镜8上，通过二向色镜8后垂直打在扫描振镜9上，聚焦后照射样品上，样品吸收激光脉冲后由于光声效应产生超声振动。光声信号检测采用OCT系统。此时打在样品上的探测光反射后沿原路返回耦合器，并与参考光产生干涉，干涉光经环形器4进入光谱仪11，最后由相机10进行采集。通过计算OCT信号受光声激发前后信息熵差可得到光声信号。
Claims (4)
1.一种光声探测装置，其特征在于，所述光声探测装置包括计算机(12)、探测光源(1)、指示光源(2)、激发光源(3)、环形器(4)、耦合器(5)、参考臂模块、样品臂模块、相机(10)和光谱仪(11)；计算机(12)输出端分别连接探测光源(1)和激发光源(3)，计算机(12)输入端连接相机(10)；探测光源(1)传输至环形器(4)，指示光源(2)传输至耦合器(5)；环形器(4)分别连接光谱仪(11)和耦合器(5)；光谱仪(11)连接相机(10)；耦合器(5)分为两路，一路传输至参考臂模块，另一路传输至样品臂模块；激发光源(3)传输至反射镜(6)，经反射后传输至透镜(7)进入样品臂模块，样品臂模块与样品间布置聚焦透镜。
2.根据权利要求1所述的光声探测装置，其特征在于，所述样品臂模块包括二向色镜(8)和X-Y扫描振镜(9)，二者依次布置。
3.根据权利要求1或2所述的光声探测装置，其特征在于，激发光源(3)发出的激发光，经反射镜(6)、透镜(7)、二向色镜(8)后垂直入射于X-Y扫描振镜(9)上，经聚焦透镜聚焦后照射于样品上，样品吸收激光脉冲后由于光声效应产生超声振动；探测光源(1)发出探测光，探测光经环形器(4)通道进入耦合器(5)；指示光源(2)直接传输至耦合器(5)；耦合器(5)内的光束分成两路输出，一路为参考光到达参考臂模块，另一路为样品光到达样品臂模块，样品光经二向色镜(8)到达X-Y扫描振镜(9)，最后通过聚焦透镜打在样品上；于样品上的探测光反射后沿原路返回耦合器(5)，并与参考光产生干涉，干涉光经环形器(4)进入光谱仪(11)，最后由相机(10)进行采集；采集的图像输入至计算机(12)，计算得到光声信号，计算机(12)发送控制指令至探测光源(1)和激发光源(3)。
4.一种光声探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、光声激发：计算机(12)控制指令发出脉冲信号触发激发光源(3)，照射样品，样品吸收激发光能量，产生压力波，压力波传到样品周围组织，产生微小振动；
S2、光学相干检测：探测光源(1)发出的光经环形器(4)、耦合器(5)分为两路，一路作为参考光，另一路作为探测光；所述指示光源发射至耦合器(5)，使得参考光和探测光为可见光；所述探测光进入样品臂模块，与激发光在二向色镜(8)作用下合成一束同轴光，同轴光经过X-Y扫描振镜(9)后由聚焦透镜聚焦于样品表面，样品的生物组织吸收激发光后因光声效应产生光声信号，并使得样品内部及表面产生位移，进而改变样品表面反射光光程；从样品表面获得的反射光信号由原路返回耦合器(5)并与经参考臂模块反射后的参考光进行干涉，产生干涉信号；
S3、触发采集：计算机(12)同步输出触发信号至激发光源(3)、探测光源(1)及相机(10)，激发光源(3)照射样品，同时相机(10)开始信号采集；
S4、信号提取：在激发光到达样品前，相机(10)采集到的是未经激发的稳定干涉光谱，信息熵记为H0；当激发光到达样品时，样品表面及内部产生位移，相机(10)采集到的干涉光谱发生变化，其信息熵记为H1；最后，通过激发前后的信息熵差|H1-H0|提取光声信号。
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