專利名稱：一體化整合的便攜式共焦光聲顯微成像方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于顯微成像技術領域，特別涉及一種一體化整合的便攜式共焦光聲顯微成像方法及裝置。
背景技術：
當用光輻照某種吸收體時，吸收體吸收光能量而產生溫升，溫度升降引起吸收體的體積脹縮，產生超聲波，這種現象稱為光聲效應。光聲效應自19世紀被發現以來一直受到人們的關注，其在各個方面都有不同程度的應用。作為一種新型的成像技術，光聲成像在越來越多的領域得到了應用。該成像技術以短脈沖激光作為激勵源，以及由此激發的超聲信號作為信息載體，通過對采集到的信號進行圖像重建，進而得到組織的光吸收分布信息， 該技術融合了純光學成像技術的高對比度和純聲學成像的高分辨率的優點。光聲成像技術不僅能夠有效的刻畫生物組織結構，還能夠精確實現無損功能成像，為研究生物組織的形態結構，生理、病理特征，代謝功能等提供了全新手段，在生物醫學領域具有廣闊的應用前景。光聲顯微成像技術則是近幾年發展比較迅速的一種成像技術，它不僅具有高分辨，高對比度等優點，而且已經深入到細胞層面，可以利用細胞內部結構的吸收差異來成像細胞內部精細結構及其功能。目前光學顯微鏡難以逾越在成像深度上的限制，因此其無法做到在體深層次的成像，而光聲則是依靠吸收差異成像，并結合了超聲的成像深度深及光學成像對比度高的優點。因而光聲顯微成像技術具有比純光學顯微成像技術無法比擬的優越性。

發明內容
為了克服以上現有技術的不足，本發明的首要目的在于提供一種一體化整合的便攜式共焦光聲顯微成像裝置，該裝置為便攜式可移動的共焦光聲顯微成像裝置。本發明的另一目的在于提供利用上述裝置進行成像的方法，利用該方法可以實現高速、高分辨、高對比度成像。本發明的目的通過以下技術方案實現一種一體化整合的便攜式共焦光聲顯微成像裝置，其結構示意圖見圖1，該成像裝置包括掃描頭組件、聲光共焦組件、光能反饋組件、信號采集/傳輸/重建組件及儀器固定 /支撐器械組件；其中，所述掃描頭組件包括光聲激發源和微型X-Y 二維振鏡；所述聲光共焦組件，即為聲光共焦光聲探測器，包括膠合透鏡組和中空聚焦超聲換能器，膠合透鏡組內嵌在中空聚焦超聲換能器中，生產為一整體，兩者嚴格共軸并共焦點，即膠合透鏡的焦點與中空超聲聚焦換能器的焦點重合，實現光聲共焦成像，聲光共焦光聲探測器的焦點即為中空超聲聚焦換能器的焦點，也為膠合透鏡的焦點；所述光能反饋組件包括分光鏡、透鏡及光電二極管；以上所述光聲激發源、微型X-Y 二維振鏡與分光鏡、透鏡以及光電二極管以嚴格共軸結構固定在可移動的暗箱中，該暗箱與聲光共焦光聲探測器通過精密機械接口結合為一整體，保證該顯微成像裝置的可移動性能； 所述信號采集/傳輸/重建組件是由雙通道并行采集卡、同軸電纜、安裝有采集控制及信號處理系統的計算機依次相連組成；儀器固定/支撐器械組件支撐掃描頭組件及光能反饋組件，并使其與聲光共焦組件相連接。所述光能反饋組件將從分光鏡分束出來的脈沖激光通過透鏡聚焦以后用光電二極管接收，實時監測激光能量輸出大小，對從各掃描點接收的光聲信號實現實時的動態幅值補償。為了更好地實現本發明，所述掃描頭組件中的光聲激發源包括透鏡、針孔和微片激光器；所述微片激光器采用高重復頻率短脈沖微片激光器，型號可以為HLX-I-F005，其他型號可用；微片激光器大小為80 X 90 X 104mm3，重復頻率為IHz 5kHz。所述中空聚焦超聲換能器主頻為I 75MHz。所述雙通道并行米集卡的型號可以為NI 5224, National Instrument, USA生產。所述采集控制及信號處理系統是用Labview和Matlab自行編寫的。所述精密機械接口為大小為M20X0. 7的精密螺紋機械接口。一種利用上述裝置進行成像的方法，包括以下操作步驟(I)將聲光共焦光聲探測器安裝在包括光聲激發源和微型X-Y 二維振鏡的掃描頭組件上，使聲光共焦光聲探測器中的中空聚焦超聲換能器下端進入耦合液的深度為5 10mm，盛放耦合液的耦合槽置于樣品的正上方；同時使聲光共焦光聲探測器的焦點落在樣品表面上，以上位置關系可形成一種反射接收方式，即產生的光聲信號通過耦合液被樣品正上方的聲光共焦光聲探測器接收，該接收方式可以在時間上分辨出軸向的信號，便于重建組織的三維圖像；(2)光聲激發源發出脈沖激光，該脈沖激光通過透鏡和針孔后到達光能反饋組件中的分光鏡，脈沖激光經分光鏡分束，一束通過微型X-Y 二維振鏡后經過聲光共焦光聲探測器中的膠合透鏡組聚焦，照在樣品上，即膠合透鏡組的聚焦光斑落在樣品上，激發出光聲信號，光聲信號經過耦合槽中的耦合液后被聲光共焦光聲探測器接收；另一束經過光能反饋組件中的透鏡聚焦后的光能量信號用光電二極管接收，產生電信號；其中，由分光鏡分束出來的脈沖激光用光電二極管接收，目的是探測激光能量的穩定性，從而實時對光聲信號做出補償，即通過光電二極管對激光能量進行實時監測，保證成像的的高對比度與均勻性；(3)聲光共焦光聲探測器接收的光聲信號和光電二極管產生的電信號同時被雙通道并行采集卡同時采集并將數據輸入計算機，進行光聲信號的實時能量校正，對每個光聲信號及光電二極管產生的電信號做歸一化處理，并進行圖像重建；改變微型X-Y 二維振鏡 X> Y軸的各自偏角使脈沖激光束發生偏轉，對應的在樣品上形成掃描區域，振鏡每偏轉一次，雙通道采集卡就進行一次數據采集；使用不同膠合透鏡組時可以有不同的最大掃描范圍，例如用4X，數值孔徑為O. I的膠合透鏡時最大掃描范圍為3X3mm3 ；(4)采集完全部信號后，通過最大值投影的方法重建出樣品的光聲顯微二維圖像及三維圖像。由于每個光聲信號在時間尺度上反映的是軸向空間位置的樣品的吸收信息，對所有的光聲信號取相同長度并在每條掃描線上作縱切面投影，將投影后得到的光聲圖像在三維重建軟件volvieW3. 2上重建三維圖像，在三維重建軟件中可以旋轉整個三維圖像得到任意視角的三維圖像。所述光聲激發光源激發的脈沖激光波長為400 2500nm，脈寬為I 50ns，重復頻率為IHz 5kHz ο所述耦合液為水，并用溫度計監測水溫，使水溫與被測樣品的溫度一致，即通過定時測量水溫，并及時使水溫與被測樣品的溫度保持一致。本發明的作用原理是本發明的裝置包括光聲激發光源、聲光共焦光聲探測器、光電二極管、微型X-Y 二維振鏡、平場顯微物鏡、分光鏡、透鏡、樣品臺、雙通道并行采集卡、帶有采集和控制軟件的計算機。光聲激發光源產生脈沖激光，經過膠合透鏡組聚焦之后照射到樣品表面，樣品所產生的光聲信號被聲光共焦光聲探測器接收；通過分光鏡分出的激光束由光電二極管接收光能信號，二者接收的信號被雙通道信號采集卡同時采集，傳輸到帶有采集控制軟件和計算軟件的計算機做后處理；本發明采用聲光共焦原理，由于激發源在膠合透鏡組的焦點處的激發點最小，而中空聚焦超聲換能器在其焦點處的靈敏度及分辨率是最高的，它們共焦點就能保證系統處于一個最優的分辨率狀態下對生物組織成像；并且光聲信號和激光能量信號同時采集，適用于待測樣品的光聲高分辨，高對比度成像。而將高重復頻率微片激光器，微型X-Y 二維振鏡，光電二極管以共軸光學原理結構固定在一個可移動的暗箱之中，實現該顯微成像儀的快速成像和便攜性。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果(I)本發明將微片激光器，微型X-Y 二維振鏡，激光能量監測元件光電二極管集成在暗箱中，形成一整合的便攜式光聲顯微成像儀。(2)本發明使用光電二極管來監測激光能量，能實時補償光聲信號，使得圖像的均勻性及對比度進一步提高。(3)本發明中的中空超聲聚焦換能器的焦點與膠合透鏡聚焦光斑重合，即共焦，能夠實現光聲共焦成像，進而得到高分辨率的光聲圖像。(4)本發明的裝置成像的最小分辨率可達5 μ m。(5)本發明整合了高重復頻率光聲激發源，光束掃描系統及激光能量檢測系統形成一組件，可移動性能好，使用條件寬松，便于在臨床上得到應用。(6)本發明裝置系統體積小，重量輕，工作穩定，連續運行時間長，使用方便，造價低，能源消耗量?。粚τ趯崿F光聲技術的臨床化有巨大的推動作用。


圖I是實施例I的一體化整合的便攜式共焦光聲顯微成像裝置的結構示意圖。其中，1-1為由光聲激發源和微型X-Y 二維振鏡組成的掃描頭，1-2為帶有雙通道并行采集卡和控制及信號處理系統的計算機，1-3為聲光共焦光聲探測器，1-4為耦合槽，1-5為樣品臺，1-6為儀器固定/支撐器械。圖2是暗箱的內部結構示意圖。其中，2-1為微型X-Y 二維振鏡，2-2為微片激光器，2-3為光電二極管,2-4為分光鏡,2-5為透鏡,2-6為微型針孔,2-7為透鏡,2-8為透鏡。
圖3是聲光共焦光聲探測器的剖面結構示意圖。其中3-1為膠合透鏡，3-2為中空聚焦超聲換能器。圖4為實施例2中小白鼠耳朵微血管光聲顯微圖像。圖5為實施例3中小白鼠背部微血管光聲顯微二維及三維圖像。其中，a為小白鼠背部微血管光聲顯微二維圖像；b、c為不同角度的小白鼠背部微血管光聲顯微三維圖像。
具體實施例方式下面結合具體的實施例與附圖對本發明作進一步詳細的敘述，但本發明的實施方法靈活，不僅僅限于此例所述的具體操作方式。實施例I—體化整合的便攜式共焦光聲顯微成像裝置，結構示意圖如圖I所示。該光聲顯微成像裝置包括掃描頭1-1，帶有雙通道并行采集卡(型號為NI5224， National Instrument, USA生產)和采集控制及信號處理系統(用Labview軟件自行編寫) 的計算機1-2，聲光共焦光聲探測器1-3，耦合槽1-4，樣品臺1-5，儀器固定/支撐器械1-6。 耦合槽1-4，樣品臺1-5為一整體，可以根據需要上下調節高度。其中，掃描頭1-1由光聲激發源和微型X-Y 二維振鏡(型號為6231H, Cambridge Technology生產)2-1組成；而微片激光器2-2 (型號為HLX-I-F005，為Horus Laser公司的HLX-G系列)，透鏡2-5，微型針孔2-6，透鏡2_7組成光聲激發源。分光鏡2_4，透鏡2_8 及光電二極管(型號為0SD5-0, OSIOptoelectronics生產)2-3組成光能反饋組件。聲光共焦光聲探測器包括以下部件膠合透鏡3-1 (為4X，數值孔徑為0. I的膠合透鏡)，中空聚焦超聲換能器 3-2 (型號為 10C14-8-R, Doppler Electronic Technologies 生產)，中空聚焦超聲換能器的焦點與膠合透鏡聚焦光斑重合，即共焦點，聲光共焦光聲探測器的焦點即為中空超聲聚焦換能器的焦點，也為膠合透鏡的焦點，其剖面結構示意圖如圖3所示。微型X-Y 二維振鏡2-1,微片激光器2-2,光電二極管2_3，分光鏡2_4，透鏡2_5， 微型針孔2-6，透鏡2-7，透鏡2-8整合在一起置入暗箱中，暗箱的內部結構如圖2所示；同時，聲光共焦光聲探測器1-3與暗箱通過大小為M20X0. 7的標準顯微物鏡精密螺紋機械接口連接。帶有雙通道并行采集卡和采集控制及信號處理系統的計算機1-2，微片激光器 2-2，微型X-Y 二維振鏡2-1，光電二極管2-3，聲光共焦光聲探測器1-3依次電氣連接。微片激光器2-2發出的脈沖激光由分光鏡2-4分光，一束經由微型X-Y 二維振鏡 2-1，然后經過聲光共焦光聲探測器1-3中的膠合透鏡聚焦后照射在樣品上，即聚焦后的聚焦光斑落在樣品上，產生的光聲信號由聲光共焦光聲探測器1-3接收，另一束通過透鏡2-8 聚焦后光信號被光電二極管2-3接收，產生電信號，聲光共焦光聲探測器接收的光聲信號和光電二極管產生的電信號被帶有雙通道并行采集卡和采集控制及信號處理系統的計算機1-2米集。實施例2應用實施例I的顯微成像裝置實現在體光聲顯微成像的方法(I)將一只兩周大的昆明小白鼠注射0. 5mL的2%戊巴比妥鈉溶液，待小鼠麻醉后用人用脫毛膏將小鼠右耳表面的毛發除去，然后將小鼠置于樣品臺上并將其固定好。在耦合槽內加入37°C的溫水作為耦合液，并用溫度計監測水溫，使水溫與被測樣品的溫度一致， 即通過定時測量水溫，并及時使水溫與被測樣品的溫度保持一致。將聲光共焦光聲探測器中的中空聚焦超聲換能器下端進入稱合液的深度為IOmm,把樣品臺調節至適當高度，使聲光共焦光聲探測器的焦點落在樣品表面上。(2)啟動微片激光器，輸出脈沖激光波長為532nm，脈寬為1ns，重復頻率是5kHz ； 該脈沖激光通過透鏡和針孔后到達光能反饋組件中的分光鏡，脈沖激光經分光鏡分束，一束經由微型X-Y振鏡后經過聲光共焦光聲探測器中的膠合透鏡聚焦后照射在小白鼠除去了毛發的耳朵上，即聚焦后的聚焦光斑落在小白鼠除去了毛發的耳朵上，激發出光聲信號， 光聲信號經過耦合槽中的耦合液后被聲光共焦光聲探測器(其中的中空超聲聚焦換能器主頻為15MHz)接收；另一束經過光能反饋組件中的透鏡聚焦后的光能量信號用光電二極管接收，產生電信號；(3)聲光共焦光聲探測器接收到光聲信號后，經雙通道并行采集卡通過同軸數據傳輸線進行數據采集，再將數據傳輸并儲存到帶有采集控制及信號處理系統的計算機中； 光電二極管接收到光信號后，產生的電信號經雙通道并行采集卡通過同軸數據傳輸線進行數據采集，再將數據傳輸并儲存到帶有采集控制及信號處理系統的計算機中；改變微型 X-Y振鏡x、Y軸的各自偏角使脈沖激光束發生偏轉，對應的在樣品上形成掃描區域，振鏡每偏轉一次，雙通道采集卡就進行一次數據采集；(4)采集完全部信號后，對采集的兩個通道的數據先歸一化，然后用最大值投影法重建光聲圖像，得到如圖4所示的小白鼠耳朵的光聲顯微圖像。實施例3利用實施例I的顯微成像裝置進行在體光聲顯微二維及三維成像的方法(I)將一只兩周大的昆明小白鼠注射O. 5mL的2%戊巴比妥鈉溶液，待小鼠麻醉后用人用脫毛膏將小鼠背部表面的毛發除去，然后將小鼠置于樣品臺上并將其固定好。在耦合槽內加入37°C的溫水作為耦合液，并用溫度計監測水溫，使水溫與被測樣品的溫度一致， 即通過定時測量水溫，并及時使水溫與被測樣品的溫度保持一致。把樣品臺調節至適當高度，使聲光共焦光聲探測器中的中空聚焦超聲換能器下端進入耦合液的深度為10_。(2)啟動微片激光器，輸出脈沖激光波長為532nm，脈寬為1ns，重復頻率是5kHz ； 該脈沖激光通過透鏡和針孔后到達光能反饋組件中的分光鏡，脈沖激光經分光鏡分束，一束經由微型X-Y振鏡后經過聲光共焦光聲探測器中的膠合透鏡聚焦后照射在小白鼠除去了毛發的耳朵上，激發出光聲信號，光聲信號經過耦合槽中的耦合液后被聲光共焦光聲探測器(中空聚焦超聲換能器主頻為15MHz)接收；另一束經過光能反饋組件中的透鏡聚焦后的光能量信號用光電二極管接收，產生電信號；(3)聲光共焦光聲探測器接收到光聲信號后，經雙通道并行采集卡通過同軸數據傳輸線進行數據采集，再將數據傳輸并儲存到帶有采集控制及信號處理系統的計算機中； 光電二極管接收到光信號后，產生的電信號經雙通道并行采集卡通過同軸數據傳輸線進行數據采集，再將數據傳輸并儲存到帶有采集控制及信號處理系統的計算機中；改變微型 X-Y振鏡x、Y軸的各自偏角使脈沖激光束發生偏轉，對應的在樣品上形成掃描區域，振鏡每偏轉一次，雙通道并行采集卡就進行一次數據采集；
(4)對采集的兩個通道的數據先歸一化，然后用最大值投影法重建光聲二維圖像， 圖5中a為小白鼠背部微血管光聲顯微二維圖像；對所有的光聲信號取相同長度并作縱切面投影，再將投影后得到的光聲圖像在VolView3. 2軟件上重建三維圖像，圖5中b、c為不同角度(見圖中所示坐標)的小白鼠背部微血管光聲顯微三維圖像。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一體化整合的便攜式共焦光聲顯微成像裝置，其特征在于該成像裝置包括掃描頭組件、聲光共焦組件、光能反饋組件、信號采集/傳輸/重建組件及儀器固定/支撐器械組件；其中，所述掃描頭組件包括光聲激發源和微型X-Y 二維振鏡；所述聲光共焦組件，即為聲光共焦光聲探測器，包括膠合透鏡與中空聚焦超聲換能器， 膠合透鏡內嵌在中空聚焦超聲換能器中，生產為一整體，兩者嚴格共軸并共焦點，即膠合透鏡的焦點與中空聚焦超聲換能器的焦點重合；所述光能反饋組件包括分光鏡、透鏡及光電二極管；以上所述光聲激發源、二維掃描振鏡與分光鏡、透鏡以及光電二極管以嚴格共軸的結構固定在可移動的暗箱中，該暗箱與聲光共焦光聲探測器通過精密機械接口結合為一整體；所述信號采集/傳輸/重建組件是由雙通道并行采集卡、同軸電纜、安裝有采集控制及信號處理系統的計算機依次相連組成；儀器固定/支撐器械組件支撐掃描頭組件及光能反饋組件，并使其與聲光共焦組件相連接。
2.根據權利要求I所述的裝置，其特征在于所述掃描頭組件中的光聲激發源包括透鏡、針孔和微片激光器；所述微片激光器采用高重復頻率短脈沖微片激光器，型號為 HLX-I-F005，微片激光器大小為80 X 90 X 104mm3，重復頻率為IHz 5kHz。
3.根據權利要求I所述的裝置，其特征在于所述中空聚焦超聲換能器主頻為I 75MHz。
4.根據權利要求I所述的裝置，其特征在于所述精密機械接口為大小為M20X0.7的精密螺紋機械接口 ；所述雙通道并行采集卡的型號為NI 5224 ;所述采集控制及信號處理系統是用Labview和Matlab自行編寫的。
5.一種利用權利要求I所述的裝置進行成像的方法，其特征在于包括以下操作步驟(1)將聲光共焦光聲探測器安裝在光聲激發源和微型X-Y二維振鏡的掃描頭組件上， 使聲光共焦光聲探測器中的中空聚焦超聲換能器下端進入耦合液的深度為5 10_，盛放耦合液的耦合槽置于樣品的正上方，并使聲光共焦光聲探測器的焦點不偏離樣品表面；(2)光聲激發源發出脈沖激光，該脈沖激光通過透鏡和針孔后到達光能反饋組件中的分光鏡，脈沖激光經分光鏡分束，一束通過微型X-Y 二維振鏡后經過聲光共焦光聲探測器中的膠合透鏡組聚焦，照在樣品上，激發出光聲信號，光聲信號經過耦合槽中的耦合液后被聲光共焦光聲探測器接收；另一束經過光能反饋組件中的透鏡聚焦后的光能量信號用光電二極管接收，產生電信號；(3)聲光共焦光聲探測器接收的光聲信號和光電二極管產生的電信號被雙通道并行采集卡同時采集并將數據輸入計算機，進行光聲信號的實時能量校正，對每個光聲信號及電信號做歸一化處理，并進行圖像重建；改變微型X-Y 二維振鏡X、Y軸的各自偏角使脈沖激光束發生偏轉，對應的在樣品上形成掃描區域，振鏡每偏轉一次，雙通道采集卡就進行一次數據米集；(4)采集完全部信號后，通過最大值投影的方法重建出組織樣品的光聲顯微二維圖像及三維圖像。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于所述三維圖像的建立方法是對所有的光聲信號取相同長度并作縱切面投影，再將投影后得到的光聲圖像在三維重建軟件 volview3. 2上重建三維圖像，在三維重建軟件中旋轉整個三維圖像得到任意視角的三維圖像。
7.根據權利要求5所述的方法，其特征在于所述光聲激發光源激發的脈沖激光波長為400 2500nm，脈寬為I 50ns，重復頻率為IHz 5kHz。
8.根據權利要求5所述的方法，其特征在于所述耦合液為水，并監測水溫，使水溫與被測樣品的溫度保持一致。
全文摘要
本發明屬于顯微成像技術領域，公開一種一體化整合的便攜式共焦光聲顯微成像方法及裝置。該成像裝置包括光聲激發光源、聲光共焦光聲探測器、光電二極管、微型X-Y二維振鏡、分光鏡、透鏡、樣品臺、雙通道并行采集卡、帶有采集控制軟件和二維振鏡控制軟件的計算機。該方法包括由光聲激發源發出的激光經由微型X-Y二維振鏡變換方向后，通過膠合透鏡聚焦，照射在樣品上激發出光聲信號，光聲信號被聲光共焦光聲探測器接收，二維振鏡不斷改變光束的入射角度從而掃描樣品，最后通過最大值投影算法重建出光聲圖像。本發明采用微片激光器與微型X-Y二維振鏡整合成便攜式的共焦光聲顯微成像裝置，可移動性能良好，并且成像速度快、分辨率高、對比度高。
文檔編號A61B5/00GK102579080SQ201210059108
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月7日 優先權日2012年3月7日
發明者楊思華, 袁毅, 邢達, 陳重江 申請人:華南師范大學