專利名稱：一種變焦掃描的光聲顯微成像裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于顯微成像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種變焦掃描的光聲顯微成像裝置及其方法。
背景技術(shù)：
光聲成像是指短脈沖激光照射到生物組織，組織中的光吸收體吸收脈沖激光后，會(huì)產(chǎn)生組織溫升，由于照射時(shí)間極短，因而產(chǎn)生瞬時(shí)熱膨脹導(dǎo)致應(yīng)激出超聲信號(hào)(稱為光聲信號(hào))，利用超聲探測(cè)器接收組織周圍產(chǎn)生的光聲信號(hào)，并通過(guò)一定的算法進(jìn)行圖像重建，可以反演出組織內(nèi)部光吸收的分布結(jié)構(gòu)，它是一種基于光學(xué)吸收差異特性反映組織生理病變的功能成像技術(shù)。光聲顯微成像技術(shù)，與光學(xué)顯微成像類似，利用聚焦激發(fā)光實(shí)現(xiàn)點(diǎn)激發(fā)與聲探測(cè)的顯微成像。一方面，由于超聲在組織中的穿透深度要比光在組織中的穿透深度大2-5個(gè)數(shù)量級(jí)；所以，相對(duì)于光學(xué)顯微成像，光聲顯微成像能夠?qū)Ω顚拥慕M織進(jìn)行成像，一般大于200微米而小于幾個(gè)毫米。但是由于隨著深度的增加，激發(fā)光斑仍然受到強(qiáng)烈的光散射作用影響，所以，盡管光聲顯微成像能夠獲得比傳統(tǒng)光學(xué)顯微成像更深的組織成像，但其成像在深度方向上由于光斑的散射會(huì)呈現(xiàn)不均勻分辨率分布，即焦點(diǎn)所處的深度其分辨率最高，在焦點(diǎn)上方或者下方其分辨率會(huì)逐漸降低；同時(shí)由于不同深度其光能量密度分布亦不均勻，所以光聲顯微成像不同深度的信噪比也不一致，從而影響了光聲成像在生物醫(yī)學(xué)、電子工程學(xué)上的應(yīng)用，特別是影響了需要定量計(jì)算光吸收系數(shù)時(shí)的應(yīng)用研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的首要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種變焦掃描的光聲顯微成像裝置。本發(fā)明的另一目的在于提供運(yùn)用上述變焦掃描的光聲顯微成像裝置的成像方法。本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種變焦掃描的光聲顯微成像裝置，包括掃描陣鏡、變焦系統(tǒng)、顯微樣品臺(tái)、固定支架和控制采集及圖形重建軟硬件；掃描陣鏡設(shè)置于固定支架的頂部，變焦系統(tǒng)設(shè)置于固定支架的中部，顯微樣品臺(tái)設(shè)置于固定支架的底部；固定支架和控制采集及圖形重建軟硬件連接；優(yōu)選的，所述的顯微樣品臺(tái)采用螺絲設(shè)置于固定支架的底部；所述的掃描陣鏡內(nèi)設(shè)置有依次連接的掃描電機(jī)和反射鏡；掃描電機(jī)及反射鏡用于實(shí)現(xiàn)光束的二維掃描；優(yōu)選的，所述的掃描陣鏡內(nèi)設(shè)置2個(gè)掃描電機(jī)及反射鏡；所述的掃描陣鏡優(yōu)選為二維快速掃描陣鏡；二維快速掃描陣鏡的掃描速度可以達(dá)到2000步/秒;所述的變焦系統(tǒng)包括顯微物鏡、聚焦超聲探測(cè)器、一維移動(dòng)平臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)、固定架A和固定架B ;顯微物鏡設(shè)置于固定架A上，顯微物鏡通過(guò)步進(jìn)電機(jī)調(diào)整水平位置；固定架A設(shè)置于一維移動(dòng)平臺(tái)的中上部；聚焦超聲探測(cè)器設(shè)置于固定架B上，固定架B設(shè)置于一維移動(dòng)平臺(tái)的底部；步進(jìn)電機(jī)設(shè)置于一維移動(dòng)平臺(tái)的頂端，一維移動(dòng)平臺(tái)設(shè)置于固定支架的中部；所述的顯微物鏡與聚焦超聲探測(cè)器同軸；顯微物鏡能夠通過(guò)一維移動(dòng)平臺(tái)上下移動(dòng)，調(diào)整其與聚焦超聲探測(cè)器的間距，顯微物鏡的最小移動(dòng)步距為2微米；聚焦超聲探測(cè)器用于接收光聲信號(hào)；優(yōu)選的，所述的聚焦超聲探測(cè)器為碗狀中空型聚焦超聲探測(cè)器；所述的碗狀中空型聚焦超聲探測(cè)器優(yōu)選在碗狀基底上鍍有一層環(huán)形壓電陶瓷晶體；所述的碗狀中空型聚焦超聲探測(cè)器的主頻優(yōu)選為15MHz ;焦長(zhǎng)為20 30mm，優(yōu)選為 23mm ；所述的固定支架設(shè)置有信號(hào)線連接口、控制線連接口 ；控制采集及圖形重建軟硬件通過(guò)控制線連接口與固定支架連接，聚焦超聲探測(cè)器通過(guò)信號(hào)線連接口與控制采集及圖形重建軟硬件連接；所述的控制采集及圖形重建軟硬件設(shè)置有放大器和采集卡；所述的放大器的放大倍數(shù)為70dB，帶寬為50KHz 500MHz ；所述的放大器優(yōu)選為多級(jí)級(jí)聯(lián)放大器；所述的采集卡的實(shí)時(shí)采樣率為100MHz，最小電壓分辨率為12.2uV，板載內(nèi)存32MB ；運(yùn)用上述變焦掃描的光聲顯微成像裝置的成像方法，包括如下步驟:(I)將樣品置于顯微樣品臺(tái)上，啟動(dòng)變焦掃描的光聲顯微成像裝置，短脈沖激光入射掃描陣鏡內(nèi)，經(jīng)掃描電機(jī)及反射鏡實(shí)現(xiàn)光束點(diǎn)掃描；(2)從掃描陣鏡出射的激光束入射到顯微物鏡后被聚焦，然后穿過(guò)聚焦超聲探測(cè)器到達(dá)樣品的表面；(3)掃描陣鏡控制聚焦光斑在樣品的表面進(jìn)行一維或二維點(diǎn)掃描，采集光聲信號(hào);(4)通過(guò)一維移動(dòng)平臺(tái)控制顯微物鏡與聚焦超聲探測(cè)器之間的距離，調(diào)整激發(fā)光焦點(diǎn)的掃描位置的深度，重復(fù)步驟(3)；(5)重建多個(gè)不同深度的焦點(diǎn)掃描的光聲信號(hào)圖像；步驟(I)中:所述的短脈沖激光為脈沖激光器發(fā)出的激光；所述的脈沖激光器優(yōu)選采用高能量激光微片；所述的高能量激光微片的單脈沖能量?jī)?yōu)選為1.76uJ，平均功率優(yōu)選為33mW，脈沖寬度優(yōu)選為8ns，重復(fù)頻率最大優(yōu)選為25KHz ；步驟(4)中:所述的調(diào)整激發(fā)光焦點(diǎn)的掃描位置的深度采用以下方法進(jìn)行:通過(guò)一維移動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)顯微物鏡移動(dòng)，從而上下微調(diào)光焦點(diǎn)位置，光焦點(diǎn)每次微調(diào)范圍可為2 500微米；每次變焦掃描成像的焦點(diǎn)位置可由采集程序控制，一般掃描5 10層；步驟(5)中所述的重建優(yōu)選通過(guò)matlab編程的算法進(jìn)行重建；重建通過(guò)每次焦點(diǎn)移動(dòng)前后的所有數(shù)據(jù)疊加作權(quán)重計(jì)算得出；
本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果:(I)本發(fā)明采用光聲共焦的激發(fā)探測(cè)結(jié)構(gòu)，將光激發(fā)、光焦點(diǎn)掃描及聲探測(cè)統(tǒng)一整合在一個(gè)顯微平臺(tái)上，使光焦點(diǎn)只在探測(cè)器聲場(chǎng)焦腰上進(jìn)行掃描，通過(guò)空間微移動(dòng)光聲激發(fā)光學(xué)焦點(diǎn)(即變焦掃描)，實(shí)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)高的、均勻的圖像分辨率及對(duì)比度，提高了探測(cè)靈敏度。(2)本發(fā)明采用可變焦點(diǎn)掃描方式，修正了單層焦點(diǎn)掃描時(shí)光聲成像圖像分辨率嚴(yán)重不均勻的現(xiàn)象，保證了同分辨率下的深層組織的光聲顯微成像。(3)本發(fā)明提供的變焦掃描的光聲顯微成像裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操控方便，有利于推廣及應(yīng)用。


圖1是實(shí)施例1的變焦掃描的光聲顯微成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；其中:1掃描陣鏡、1-1掃描電機(jī)A、1-2反射鏡A、1-3掃描電機(jī)B、1-4反射鏡8、2_變焦系統(tǒng)、2_1顯微物鏡、2-2聚焦超聲探測(cè)器、2-3 —維移動(dòng)平臺(tái)、2-4步進(jìn)電機(jī)、2-5固定架A、2_6固定架B、3顯微樣品臺(tái)、4固定支架、4-1信號(hào)線連接口、4-2控制線連接口、4-3線連接口、5控制采集及圖形重建軟硬件。圖2是變焦掃描的光聲顯微成像裝置的變焦掃描的光學(xué)原理圖示意圖；其中:4-1聚焦激光、4-2聚焦光焦點(diǎn)、4-3超聲探測(cè)器探測(cè)聲場(chǎng)分布。圖3是實(shí)施例2的渾濁介質(zhì)里的不同深度的頭發(fā)絲的光聲顯微成像圖；其中:(a)是深度為Omm的頭發(fā)絲的光聲顯微成像圖；(b)是深度為0.4mm的頭發(fā)絲的光聲顯微成像圖；(c)是深度為0.8mm的頭發(fā)絲的光聲顯微成像圖；(d)是深度為1.2mm的頭發(fā)絲的光聲顯微成像圖；(e)是深度為1.6mm的頭發(fā)絲的光聲顯微成像圖；(f)是深度為O 1.6mm的頭發(fā)絲的光聲顯微成像圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例1如圖1所示，一種變焦掃描的光聲顯微成像裝置，包括掃描陣鏡1、變焦系統(tǒng)2、顯微樣品臺(tái)3、固定支架4和控制采集及圖形重建軟硬件5 ;掃描陣鏡I設(shè)置于固定支架4的頂部，變焦系統(tǒng)2設(shè)置于固定支架4的中部，顯微樣品臺(tái)3設(shè)置于固定支架4的底部；固定支架4和控制采集及圖形重建軟硬件5連接；顯微樣品臺(tái)3采用螺絲設(shè)置于固定支架4的底部；掃描陣鏡I內(nèi)設(shè)置有掃描電機(jī)A1-1、反射鏡A1-2、掃描電機(jī)B1-3和反射鏡B1-4 ;掃描電機(jī)Al-1與反射鏡A1-2連接，掃描電機(jī)B1-3和反射鏡B1-4連接；掃描陣鏡I為二維快速掃描陣鏡；二維快速掃描陣鏡的掃描速度可以達(dá)到2000步
/秒；變焦系統(tǒng)2包括顯微物鏡2-1、聚焦超聲探測(cè)器2-2、一維移動(dòng)平臺(tái)2_3、步進(jìn)電機(jī)2-4、固定架A2-5和固定架B2-6 ;顯微物鏡2_1設(shè)置于固定架A2-5上，顯微物鏡2_1通過(guò)步進(jìn)電機(jī)2-4調(diào)整水平位置；固定架A2-5設(shè)置于一維移動(dòng)平臺(tái)2-3的中上部；聚焦超聲探測(cè)器2-2設(shè)置于固定架B2-6上，固定架B2-6設(shè)置于一維移動(dòng)平臺(tái)2_3的底部；步進(jìn)電機(jī)2_4設(shè)置于一維移動(dòng)平臺(tái)2-3的頂端，一維移動(dòng)平臺(tái)2-3設(shè)置于固定支架4的中部；顯微物鏡2-1與聚焦超聲探測(cè)器2-2同軸；顯微物鏡2-1能夠通過(guò)一維移動(dòng)平臺(tái)2-3上下移動(dòng)，調(diào)整其與聚焦超聲探測(cè)器2-2的間距，顯微物鏡2-1的最小移動(dòng)步距為2微米;聚焦超聲探測(cè)器2-2為碗狀中空型聚焦超聲探測(cè)器；碗狀中空型聚焦超聲探測(cè)器在碗狀基底上鍍有一層環(huán)形壓電陶瓷晶體，主頻為15MHz，焦長(zhǎng)為 23_ ；固定支架4設(shè)置有信號(hào)線連接口 4-1、控制線連接口 4-2和線連接口 4_3 ;控制采集及圖形重建軟硬件5分別通過(guò)控制線連接口 4-2、線連接口 4-3與固定支架4連接，聚焦超聲探測(cè)器2-2通過(guò)信號(hào)線連接口 4-1與控制采集及圖形重建軟硬件5連接；控制采集及圖形重建軟硬件5設(shè)置有放大器和采集卡；放大器的放大倍數(shù)為70dB，帶寬為50KHz 500MHz，放大器為多級(jí)級(jí)聯(lián)放大器；采集卡的實(shí)時(shí)采樣率為IOOMHz，最小電壓分辨率為12.2uV，板載內(nèi)存32MB。實(shí)施例2運(yùn)用上述變焦掃描的光聲顯微成像裝置的成像方法，包括如下步驟:(I)將樣品(樣品為在介質(zhì)中埋入兩個(gè)60 100微米長(zhǎng)的頭發(fā)絲；介質(zhì)為5wt%牛奶+4wt%瓊脂+91被％水)置于顯微樣品臺(tái)上，啟動(dòng)變焦掃描的光聲顯微成像裝置，短脈沖激光(單脈沖能量為1.76uJ，平均功率為33mW，脈沖寬度為8ns，重復(fù)頻率最大為25KHz)入射掃描陣鏡內(nèi)，經(jīng)電機(jī)及反射鏡實(shí)現(xiàn)光束二維的掃描；(2)從掃描陣鏡出射的激光束入射到顯微物鏡后被聚焦，然后穿過(guò)聚焦超聲探測(cè)器到達(dá)頭發(fā)絲的表面；(3)掃描陣鏡控制聚焦光斑在頭發(fā)絲的表面進(jìn)行一維或二維掃描，采集光聲信號(hào);(4)通過(guò)一維移動(dòng)平臺(tái)控制顯微物鏡與聚焦超聲探測(cè)器之間的距離，調(diào)整激發(fā)光焦點(diǎn)的掃描位置的深度(通過(guò)一維移動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)顯微物鏡移動(dòng)，從而上下微調(diào)光焦點(diǎn)位置，光焦點(diǎn)每次微調(diào)范圍為2 500微米；每次變焦掃描成像的焦點(diǎn)位置由采集程序控制，掃描5 10層)，重復(fù)步驟(3)；(5)采用matlab編程的算法、通過(guò)每次焦點(diǎn)移動(dòng)前后的所有數(shù)據(jù)相加作平均值投影重建出多個(gè)焦點(diǎn)掃描的光聲圖像；在介質(zhì)里不同深度的頭發(fā)絲的光聲顯微成像圖見(jiàn)圖3 ;從圖3可以看出，單一焦點(diǎn)的光聲成像只能清晰重建出焦點(diǎn)所在深度的圖像，偏離焦點(diǎn)深度的圖像不能被分辨清楚；而采用變焦掃描及組合疊加重建的圖像(f)就能把上下兩個(gè)深度的頭發(fā)絲清晰成像。上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種變焦掃描的光聲顯微成像裝置,其特征在于包括掃描陣鏡、變焦系統(tǒng)、顯微樣品臺(tái)、固定支架和控制采集及圖形重建軟硬件；掃描陣鏡設(shè)置于固定支架的頂部，變焦系統(tǒng)設(shè)置于固定支架的中部，顯微樣品臺(tái)設(shè)置于固定支架的底部；固定支架和控制采集及圖形重建軟硬件連接； 所述的掃描陣鏡內(nèi)設(shè)置有依次連接的掃描電機(jī)和反射鏡； 所述的變焦系統(tǒng)包括顯微物鏡、聚焦超聲探測(cè)器、一維移動(dòng)平臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)、固定架A和固定架B;顯微物鏡設(shè)置于固定架A上，顯微物鏡通過(guò)步進(jìn)電機(jī)調(diào)整水平位置；固定架A設(shè)置于一維移動(dòng)平臺(tái)的中上部；聚焦超聲探測(cè)器設(shè)置于固定架B上，固定架B設(shè)置于一維移動(dòng)平臺(tái)的底部；步進(jìn)電機(jī)設(shè)置于一維移動(dòng)平臺(tái)的頂端，一維移動(dòng)平臺(tái)設(shè)置于固定支架的中部; 所述的固定支架設(shè)置有信號(hào)線連接口、控制線連接口 ；控制采集及圖形重建軟硬件通過(guò)控制線連接口與固定支架連接，聚焦超聲探測(cè)器通過(guò)信號(hào)線連接口與控制采集及圖形重建軟硬件連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦掃描的光聲顯微成像裝置，其特征在于:所述的顯微物鏡與聚焦超聲探測(cè)器同軸；顯微物鏡能夠通過(guò)一維移動(dòng)平臺(tái)上下移動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦掃描的光聲顯微成像裝置，其特征在于:所述的聚焦超聲探測(cè)器為碗狀中空型聚焦超聲探測(cè)器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的變焦掃描的光聲顯微成像裝置，其特征在于:所述的碗狀中空型聚焦超聲探測(cè)器在碗狀基底上鍍有一層環(huán)形壓電陶瓷晶體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的變焦掃描的光聲顯微成像裝置，其特征在于:所述的碗狀中空型聚焦超聲探測(cè)器的主頻為15MHz ;焦長(zhǎng)為20 30mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦掃描的光聲顯微成像裝置，其特征在于:所述的掃描陣鏡內(nèi)設(shè)置2個(gè)掃描電機(jī)及反射鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦掃描的光聲顯微成像裝置，其特征在于:所述的顯微樣品臺(tái)采用螺絲設(shè)置于固定支架的底部；所述的掃描陣鏡為二維快速掃描陣鏡；所述的控制采集及圖形重建軟硬件設(shè)置有放大器和采集卡。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦掃描的光聲顯微成像裝置，其特征在于:所述的放大器為多級(jí)級(jí)聯(lián)放大器；所述的放大器的放大倍數(shù)為70dB，帶寬為50KHz 500MHz ;所述的采集卡的實(shí)時(shí)采樣率為IOOMHz。
9.運(yùn)用權(quán)利要求1 8任一項(xiàng)所述的變焦掃描的光聲顯微成像裝置的成像方法，其特征在于包括如下步驟: (1)將樣品置于顯微樣品臺(tái)上，啟動(dòng)變焦掃描的光聲顯微成像裝置，短脈沖激光入射掃描陣鏡內(nèi)，經(jīng)掃描電機(jī)及反射鏡實(shí)現(xiàn)光束點(diǎn)掃描； (2)從掃描陣鏡出射的激光束入射到顯微物鏡后被聚焦，然后穿過(guò)聚焦超聲探測(cè)器到達(dá)樣品的表面； (3)掃描陣鏡控制聚焦光斑在樣品的表面進(jìn)行一維或二維點(diǎn)掃描，采集光聲信號(hào)； (4)通過(guò)一維移動(dòng)平臺(tái)控制顯微物鏡與聚焦超聲探測(cè)器之間的距離，調(diào)整激發(fā)光焦點(diǎn)的掃描位置的深度，重復(fù) 步驟(3)； (5)重建多個(gè)不同深度的焦點(diǎn)掃描的光聲信號(hào)圖像。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的變焦掃描的光聲顯微成像裝置的成像方法，其特征在于:步驟(4)中所述的調(diào)整激發(fā)光焦點(diǎn)的掃描位置的深度采用以下方法進(jìn)行:通過(guò)一維移動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)顯微物鏡移動(dòng)，從而 上下微調(diào)光焦點(diǎn)位置，光焦點(diǎn)每次微調(diào)范圍為2 500微米。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種變焦掃描的光聲顯微成像裝置及其方法。該裝置包括掃描陣鏡、變焦系統(tǒng)、顯微樣品臺(tái)、固定支架和控制采集及圖形重建軟硬件；掃描陣鏡設(shè)置于固定支架的頂部，變焦系統(tǒng)設(shè)置于固定支架的中部，顯微樣品臺(tái)設(shè)置于固定支架的底部；固定支架和控制采集及圖形重建軟硬件連接。本發(fā)明采用光聲共焦的激發(fā)探測(cè)結(jié)構(gòu)，將光激發(fā)、光焦點(diǎn)掃描及聲探測(cè)統(tǒng)一整合在一個(gè)顯微平臺(tái)上，使光焦點(diǎn)只在探測(cè)器聲場(chǎng)焦腰上進(jìn)行掃描，通過(guò)空間微移動(dòng)光聲激發(fā)光學(xué)焦點(diǎn)，提高了探測(cè)靈敏度。本發(fā)明采用可變焦點(diǎn)掃描方式，修正了單層焦點(diǎn)掃描時(shí)光聲成像圖像分辨率嚴(yán)重不均勻的現(xiàn)象，保證了同分辨率下的深層組織的光聲顯微成像。
文檔編號(hào)G01N21/17GK103149152SQ20131003502
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月29日
發(fā)明者楊思華, 許棟, 邢達(dá) 申請(qǐng)人:廣州佰奧廷電子科技有限公司