光声显微成像方法及系统

技术领域

本发明涉及生物医学光子学领域，尤其是涉及一种光声显微成像方法及系统。

背景技术

光声显微成像是一种利用光声技术的无损检测技术，广泛应用于生物医学和复合材料等领域。根据光学聚焦和声学聚焦可以分为光学分辨光声显微成像和声学分辨光声显微成像。其中，光学分辨光声显微成像由于具有较好的横向分辨率而备受关注且应用较广。

目前，光学分辨光声显微成像主要是在成像系统设计、成像图像质量和拓展成像功能上取得了较大的进展。就目前的光学分辨光声显微成像技术而言，横向和纵向分辨率可以达到几个微米数量级，并且可以实现生物组织中血管、肿瘤和异物等的无损高分辨率成像。同时，光学分辨光声显微成像在成像速度方面，国内外学者也进行了广泛而深入地研究，设计出了不同类型的光声成像系统和扫描成像方法。

相关技术中，对于单个聚焦透镜激发的光声信号，采用单元超声传感器捕获光声信号，并采用三维扫描平台进行逐行扫描，这种光学分辨光声显微成像模式虽然可以获得较好的分辨率，但是成像速度较慢。对于一个10mm×10mm的成像区域，通常需要花费数小时的扫描探测时间。后来，国内外学者设计采用了扫描振镜，提高了光声显微成像的速度，但是，目前这些成像系统结构较复杂，结构优化设计和稳定性对光声显微成像影响非常大，且成像范围有限，这些不足极大地制约了光声显微成像技术的发展及实际应用。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出了一种光声显微成像方法及系统。

根据本发明第一方面实施例的光声显微成像方法，其中包括如下步骤：

步骤S100：搭建光声显微成像系统场景，包括光路单元、样品单元、探测单元和信号处理及控制单元，其中光路单元按照光传播方向依次由脉冲激光器、准直透镜、反射镜和微阵列聚焦透镜构成；样品单元由被测样品和样品支架构成；探测单元由面阵超声传感器、传感器支架、光学升降台和水箱构成；信号处理及控制单元由信号放大器、信号滤波器、多通道数据采集卡、计算机、三维扫描平台和三维扫描平台控制器构成；

步骤S200：将脉冲激光器预热处理，将被测样品放置于样品支架上，将水箱中装入纯水直至水面接触被测样品下表面；

步骤S300：设置脉冲激光器的输出波长和能量参数，开启脉冲激光器发出脉冲激光光束；

步骤S400：所述脉冲激光光束依次经过准直透镜和反射镜，照射到微阵列聚焦透镜上，所述微阵列聚焦透镜的中心位于反射镜反射光路的主光轴上，其作用是将经过反射镜反射后的脉冲光束进行多点阵列式的聚焦，可以在被测组织上得到阵列式聚焦光斑；所述脉冲激光光束经过微阵列聚焦透镜形成聚焦光斑阵列；通过计算机控制三维扫描平台控制器和三维扫描平台，将经过反射镜和微阵列聚焦透镜的聚焦光斑阵列刚好落到被测样品上；

步骤S500：面阵超声传感器捕获被测样品的光声信号，并转化为对应强度的电压信号，经过信号放大器对面阵超声传感器转换的多路电压信号进行放大，再由信号滤波器进行滤波处理后，由计算机控制多通道数据采集卡进行采集，并通过总线方式将光声数据传输到计算机进行存储、分析和处理；

步骤S600：根据面阵超声传感器捕获被测样品的光声信号，通过计算机调节光学升降台来调节面阵超声传感器相对于被测样品下表面位置，使面阵超声传感器优化捕获被测样品的光声信号；

步骤S700：通过计算机输入对三维扫描平台的设置参数，由计算机控制三维扫描平台控制器驱动三维扫描平台依照设定的路径行进，通过在X方向和Y方向上依次改变移动步距，使被测样品在新的区域激发产生光声信号，然后，重复步骤S500，直至将被测样品所有待测区域扫描完毕；

步骤S800：根据步骤S100至步骤S700获取的被测样品光声信号，获取每个被测样品阵列区域每个阵元的光声信号幅值，根据最大幅值投影算法，来重建获得被测样品的光声显微图像，完成光声显微成像过程。

根据本发明实施例的光声显微成像方法，通过微阵列式聚焦透镜组件，可以将入射平行脉冲激光光束同时形成阵列式聚焦光斑，可以同时激发产生多个阵列式光声信号，大大提高了样品光声显微成像的被测范围；通过采用面阵超声传感器来捕获被测样品的阵列式光声信号，可以极大地提高被测样品光声显微成像的速度和扩大光声显微成像的视域范围。

根据本发明的一些实施例，所述微阵列聚焦透镜采用光刻胶曝光显影技术加工而成，所述微阵列聚焦透镜的微阵列透镜曲率半径和通光孔径满足球面或非球面透镜结构，可以极大地提高聚焦光斑的质量和缩小聚焦光斑的尺寸。

根据本发明的一些实施例，所述脉冲激光器为光学参数振荡固体脉冲激光器，其脉冲持续时间为纳秒数量级，输出波长在400nm-2500nm范围内可调，脉冲频率范围为10Hz-1kHz可调，输出能量范围微焦至毫焦可调，具备优异的光谱特性与超宽调谐范围。

根据本发明的一些实施例，所述脉冲激光器采用固定波长的激光二极管泵浦或灯泵作为激发光源，光束质量优异，有利于光声显微成像清晰。

根据本发明的一些实施例，所述微阵列聚焦透镜采用二氧化硅或树脂材料制作；所述被测样品为生物离体或在体样品、食品、药品、有机或无机材料等，将被测样品充分展平置于样品支架上进行固定。

根据本发明的一些实施例，所述面阵超声传感器为面型阵列式结构的超声传感器，且面阵超声传感器由2n个面阵超声传感器单元块组成。其中所述面阵超声传感器单元块的超声传感器阵元个数为4*4或8*8等结构组成。

根据本发明的一些实施例，所述面阵超声传感器与多路信号放大器电气连接，多路信号放大器为16通道、64通道或256通道信号放大器，由多路复用器对多个多路信号放大器进行分时复用控制光声信号的放大。

根据本发明第二方面实施例的一种光声显微成像系统，应用于上述光声显微成像方法中，包括：

光路模块，用于将脉冲激光调整为平行脉冲激光光束作为系统入射光束；

样品模块，用于将入射平行脉冲激光光束同时形成阵列式聚焦光斑，并激发产生多个阵列式光声信号；

探测模块，用于捕获样品模块激发的阵列式光声信号；

信号处理及控制模块，用于信号处理及控制扫描样品模块的待测区域。

基于本发明实施例的光声显微成像系统，可以将入射平行脉冲激光光束同时形成阵列式聚焦光斑，同时激发产生多个阵列式光声信号，大大提高了样品光声显微成像的被测范围；通过探测模块内的面阵超声传感器来捕获被测样品的阵列式光声信号，可以极大地提高被测样品光声显微成像的速度和扩大光声显微成像的视域范围。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的光声显微成像方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的光声显微成像系统的原理框图；

图3是根据本发明实施例的光声显微成像装置结构示意图；

图4是本发明微阵列聚焦透镜原理结构示意图。

附图标记：

1.光路单元；2.样品单元；3.探测单元；4.信号处理和控制单元。1-1.脉冲激光器；1-2. 准直透镜：1-3.反射镜；1-4. 微阵列聚焦透镜；2-1. 被测样品；2-2. 样品支架；3-1.面阵超声传感器；3-2. 传感器支架；3-3. 光学升降台；3-4. 水槽；4-1. 多路信号放大器；4-2. 多路信号滤波器； 4-3. 多通道数据采集卡；4-4. 计算机； 4-5. 三维扫描平台； 4-6. 三维扫描平台驱动器；

100.光路模块；200.样品模块；300.探测模块；400.信号处理及控制模块。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

参阅图1所示，本实施例提供一种光声显微成像方法，其中包括如下步骤：

步骤S100：搭建光声显微成像系统场景，包括光路单元1、样品单元2、探测单元3和信号处理及控制单元4，其中光路单元1按照光传播方向依次由脉冲激光器1-1、准直透镜1-2、反射镜1-3和微阵列聚焦透镜1-4构成；样品单元2由被测样品2-1和样品支架2-2构成；探测单元3由面阵超声传感器3-1、传感器支架3-2、光学升降台3-3和水箱3-4构成；信号处理及控制单元4由信号放大器4-1、信号滤波器4-2、多通道数据采集卡4-3、计算机4-4、三维扫描平台4-5和三维扫描平台控制器4-6构成；

步骤S200：试验准备及设备预热，将脉冲激光器1-1及其他实验仪器预热 30 分钟，同时，将被测样品2-1放置于样品支架2-2上，将水箱3-4中装入纯水直至水面接触被测样品2-1下表面。

步骤S300：设置脉冲激光器1-1的输出波长和能量参数，开启脉冲激光器1-1发出一定能量和波长的脉冲激光光束；

步骤S400：所述脉冲激光光束依次经过准直透镜1-2和反射镜1-3，均匀照射到微阵列聚焦透镜1-4上，所述脉冲激光光束经过微阵列聚焦透镜1-4将形成聚焦光斑阵列。通过计算机4-4控制软件，控制三维扫描平台控制器4-6和三维扫描平台4-5，将经过反射镜1-3和微阵列聚焦透镜1-4的聚焦光斑阵列刚好落到被测样品2-1上；

步骤S500：面阵超声传感器3-1捕获被测样品2-1的光声信号，并转化为对应强度的电压信号，经过多路信号放大器4-1对面阵超声传感器3-1转换的多路电压信号进行放大，再由多路信号滤波器4-2进行滤波处理后，由计算机4-4编程控制多通道数据采集卡4-3进行采集，并通过GPIB总线、PCI总线或PXI总线方式将光声数据传输到计算机4-4进行存储、分析和处理；

步骤S600：根据面阵超声传感器3-1捕获被测样品2-1的光声信号的幅值和形状，通过调节光学升降台3-3，来调节面阵超声传感器3-1位于被测样品2-1下的位置，使面阵超声传感器3-1优化捕获被测样品2-1的光声信号；

步骤S700：在计算机4-4端输入对三维扫描平台4-5设置的参数，由计算机4-4控制三维扫描平台控制器4-6驱动对三维扫描平台4-5依照设定的路径行进，通过在X和Y方向上依次改变一定的移动步距，在被测样品2-1新的区域，激发产生光声信号，然后，重复步骤S500，直至将被测样品2-1所有待测区域扫描完毕；

步骤S800：根据步骤S100至步骤S700获取的被测样品2-1的光声信号，获取每个被测样品2-1阵列区域每个阵元的光声信号幅值，根据最大幅值投影算法，来重建获得被测样品2-1的光声显微图像，完成光声显微成像过程。

根据本发明实施例的光声显微成像方法，通过微阵列式聚焦透镜组件，可以将入射平行脉冲激光光束同时形成阵列式聚焦光斑，可以同时激发产生多个阵列式光声信号，大大提高了样品光声显微成像的被测范围；通过采用面阵超声传感器来捕获被测样品的阵列式光声信号，可以极大地提高被测样品光声显微成像的速度和扩大光声显微成像的视域范围。

具体地，所述微阵列聚焦透镜1-4采用微加工技术，如：光刻胶曝光显影技术加工而成，所述微阵列聚焦透镜1-4的微阵列透镜曲率半径和通光孔径满足球面或非球面透镜结构，可以极大地提高聚焦光斑的质量和缩小聚焦光斑的尺寸。

具体地，所述脉冲激光器1-1为光学参数振荡固体脉冲激光器，其脉冲持续时间为纳秒数量级，输出波长在400nm-2500nm范围内可调，脉冲频率范围为10Hz-1kHz可调，输出能量范围微焦至毫焦可调。

具体地，所述脉冲激光器1-1采用固定波长的激光二极管泵浦或灯泵作为激发光源。

具体地，所述微阵列聚焦透镜1-4的中心位于反射镜1-3反射光路的主光轴上，其作用是将经过反射镜1-3反射后的脉冲光束进行多点阵列式的聚焦，可以在被测组织2-1上得到阵列式聚焦光斑。

具体地，所述微阵列聚焦透镜1-4采用二氧化硅或树脂材料制作；所述被测样品2-1为生物离体或在体样品、食品、药品、有机或无机材料等，将被测样品2-1充分展平置于样品支架2-2上进行固定。

具体地，所述面阵超声传感器3-1为面型阵列式结构的超声传感器，且面阵超声传感器3-1由2n个面阵超声传感器单元块组成。

具体地，所述面阵超声传感器3-1单元块的超声传感器阵元个数为4*4或8*8等结构组成。

具体地，所述面阵超声传感器3-1与控制单元中的多路信号放大器4-1电气连接，多路信号放大器4-1为16通道、64通道或256通道信号放大器，由多路复用器对多个多路信号放大器4-1进行分时复用控制光声信号的放大。

所述多路信号滤波器4-2与多路信号放大器4-1电气连接，将经过多路信号放大器4-2放大的光声信号进行滤波处理。多路信号滤波器4-2为低通或带通滤波器。

实施例2

本实施例提供一种光声显微成像系统，应用于上述光声显微成像方法中，包括：

光路模块100，用于将脉冲激光调整为平行脉冲激光光束作为系统入射光束；

样品模块200，用于将入射平行脉冲激光光束同时形成阵列式聚焦光斑，并激发产生多个阵列式光声信号；

探测模块300，用于捕获样品模块200激发的阵列式光声信号；

信号处理及控制模块400，用于信号处理及控制扫描样品模块200的待测区域。

基于本发明实施例的光声显微成像系统，可以将入射平行脉冲激光光束同时形成阵列式聚焦光斑，同时激发产生多个阵列式光声信号，大大提高了样品光声显微成像的被测范围；通过探测模块内的面阵超声传感器来捕获被测样品的阵列式光声信号，可以极大地提高被测样品光声显微成像的速度和扩大光声显微成像的视域范围。

实施例3

本实施例提供一种用于实施光声显微成像方法的光声显微成像装置，其中包括：

光路单元1，所述光路单元1包括脉冲激光器1-1、准直透镜1-2、反射镜1-3和微阵列聚焦透镜1-4，其中所述准直透镜1-2位于脉冲激光器1-1出光口，所述反射镜1-3中心位于脉冲激光器1-1和准直透镜1-2的主光轴上，其作用是将准直后的脉冲激光光束进行90度的反射，从而改变光束方向，所述微阵列聚焦透镜1-4中心位于反射镜1-3的反射主光轴上，其作用是将经过反射镜1-3反射后的脉冲光束进行多点阵列式的聚焦，可以在被测组织2-1上得到阵列式聚焦光斑；

样品单元2，所述样品单元2由被测样品2-1和样品支架2-2组成，所述被测样品2-1置于所述样品支架2-2上固定；

探测单元3，所述探测单元3包括面阵超声传感器3-1、传感器支架3-2、光学升降台3-3和水箱3-4，所述面阵超声传感器3-1固定在传感器支架3-2上，所述传感器支架3-2固定安装在所述光学升降台3-3上，通过放置在底下的光学升降台3-3来调节传感器支架3-2的上下位置，进而改变面阵超声传感器3-1与被测样品2-1的探测距离，从而获取被测样品的光声信号，所述被测样品2-1、所述面阵超声传感器3-1、所述传感器支架3-2和所述光学升降台3-3置于所述水槽3-4中，且水槽3-4中盛装有纯水，所述纯水水面高度与被测样品2-1下表面齐平；

信号处理及控制单元4，所述信号处理及控制单元4包括信号放大器4-1、信号滤波器4-2、多通道数据采集卡4-3、计算机4-4、三维扫描平台4-5和三维扫描平台控制器4-6，所述三维扫描平台4-5设置于所述水槽3-4一侧，所述三维扫描平台4-5与所述反射镜1-3和所述微阵列聚焦透镜1-4均通过连杆连接，所述三维扫描平台4-5的驱动电机控制端口与三维扫描平台控制器4-6输出端电连接，通过三维扫描平台控制器4-6来同步调节反射镜1-3和微阵列聚焦透镜1-4的位置，使得聚焦光斑阵列刚好入射至被测样品2-1上；所述面阵超声传感器3-1与信号放大器4-1电连接，所述信号滤波器4-2与所述信号放大器4-1电连接，将经过多路信号放大器4-2放大的光声信号进行滤波处理。多路信号滤波器4-2为低通或带通滤波器。所述多通道数据采集卡4-3与信号滤波器4-2电连接，将经过多路信号滤波器4-2滤波处理后的光声信号进行多路并行采集，采集通道数与多路信号放大器和多路信号滤波器一致，为16通道、64通道或256通道。所述多通道数据采集卡4-3与计算机4-4气连接，通过GPIB总线、PCI总线或PXI总线方式将采集到的光声数据传输至计算机4-4进行存储和分析处理。所述计算机4-4分别与脉冲激光器1-1和三维扫描平台控制器4-6电连接连接，用于控制控制脉冲激光器1-1的参数设置和激光激发功能、控制三维扫描平台4-5在X、Y和Z方向上按照设定的步距等参数进行移动。

具体地，所述准直透镜1-2中心位于脉冲激光器1-1主光轴上，用于将脉冲激光器1-1发出的脉冲激光进行准直。

具体地，所述面阵超声传感器3-1的每个超声传感器阵元为聚焦型或非聚焦型超声探测器。

具体地，多通道数据采集卡4-3为GPIB总线、PCI总线或PXI总线传输方式数据采集卡。

具体地，所述三维扫描平台控制器与三维扫描平台电气连接，在计算机程序控制下分别控制三维扫描平台的X、Y和Z三个方向的移动。

具体地，所述脉冲激光器的外触发端与多通道数据采集卡连接，将脉冲激光器的脉冲信号输入多通道数据采集卡的外触发输入端作为数据采集的触发信号。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，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，因此不能理解为对发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或者特性可以包含在本实施例申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或是备选的实施例。本领域技术人员可以显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。