專利名稱：全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光聲顯微成像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
高分辨的生物組織成像對(duì)于了解生物體內(nèi)各種生理過程、監(jiān)測(cè)疾病的產(chǎn)生與發(fā)展、臨床早期診斷等領(lǐng)域具有重要的意義，目前常見的高分辨成像模式有光學(xué)顯微成像和超聲顯微成像兩種，光學(xué)顯微成像如光學(xué)相干層析成像、共聚焦顯微成像、雙光子顯微成像等技術(shù)，依賴生物組織的散射或外源熒光信號(hào)進(jìn)行成像，超聲顯微成像依賴生物組織的聲阻抗特性差異進(jìn)行成像，因此對(duì)比度較差。近年來，對(duì)于光聲生物組織成像的技術(shù)研究不斷有新的突破，利用短脈沖激光激發(fā)生物組織內(nèi)的吸收體如血液、黑色素等產(chǎn)生超聲信號(hào)，通過探測(cè)擴(kuò)散到生物組織表面的超聲信號(hào)從而重建出生物組織內(nèi)的吸收體分布，而這些吸收體往往包含了生物組織內(nèi)部豐富的生理病理信息，因此，通過光聲成像可以對(duì)生物病變生物組織和正常生物組織獲得比較好的區(qū)分。這種成像方式與傳統(tǒng)的X射線CT、核磁共振成像、超聲成像相比，不僅是非電離輻射，對(duì)人體完全無害，而且對(duì)病變生物組織具有非常好的對(duì)比度。三維高分辨的光聲成像可以對(duì)吸收體的分布等信息做出精確表征，因此對(duì)生理病理的早期診斷具有重要意義，高空間分辨率的光聲顯微成像系統(tǒng)也逐漸被研發(fā)出來。美國(guó)US 20060184042公開了一種暗場(chǎng)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)，系統(tǒng)空間分辨率決定于超聲探頭的頻率特性，通過使用高頻探頭可以獲得微米量級(jí)高分辨的成像結(jié)果。文獻(xiàn) Optical-resolution photoacoustic microscopy for in vivo imaging of single capillaries. Optics Letters. 33(9):擬9_931公開了一種光學(xué)分辨的光聲顯微成像系統(tǒng)， 通過光學(xué)聚焦配合超聲探測(cè)的方法實(shí)現(xiàn)了 5微米的空間分辨率。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)h vivo label-free photoacoustic microscopy of cell nuclei by excitation of DNA and RNA. Optics Letters. 35(24) :4139-4141公開了一種亞波長(zhǎng)(幾百個(gè)納米)分辨率的光聲顯微成像系統(tǒng)。但是這些系統(tǒng)都是僅對(duì)系統(tǒng)的側(cè)向分辨率進(jìn)行提高，軸向分辨率依然維持在微米量級(jí)，因此，這種成像模式無法實(shí)現(xiàn)三維的高分辨(納米量級(jí))成像。文獻(xiàn)Total internal reflection photoacoustic detection spectroscopy. Proceedings of SPIE， Vol. 7899 :78993E介紹了一種基于全內(nèi)反射的光聲譜技術(shù)，但這種技術(shù)僅限于對(duì)生物組織的的化學(xué)分子信息進(jìn)行分析，不涉及成像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種可以實(shí)現(xiàn)三維的高分辨成像的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)及方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)包括激光器、聚焦透鏡、棱鏡、超聲傳感器及成像裝置；所述激光器發(fā)射的激光依次通過所述聚焦透鏡、棱鏡照射在生物組織的界面，從而在所述棱鏡和所述生物組織的界面發(fā)生全內(nèi)反射，并在所述生物組織產(chǎn)生超聲波信號(hào)；所述超聲波信號(hào)通過所述超聲傳感器傳送至所述成像裝置。進(jìn)一步地，所述全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)還包括準(zhǔn)直透鏡、物鏡；所述聚焦透鏡和所述棱鏡之間依次設(shè)置有所述準(zhǔn)直透鏡和所述物鏡。進(jìn)一步地，所述全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)還包括與所述成像裝置連接的二維平移臺(tái)，所述準(zhǔn)直透鏡、物鏡、棱鏡及超聲傳感器設(shè)置在所述二維平移臺(tái)上。進(jìn)一步地，所述超聲傳感器放置在所述棱鏡的頂邊或生物組織的界面的底端。進(jìn)一步地，所述全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)還包括放大器及數(shù)據(jù)采集卡；所述超聲傳感器及成像裝置之間依次設(shè)置有所述放大器及所述數(shù)據(jù)采集卡。進(jìn)一步地，所述棱鏡是包括兩個(gè)平行的平面的棱鏡。本發(fā)明還提供一種全內(nèi)反射式光聲顯微成像方法包括以下步驟步驟10、通過一束短脈沖激光聚焦入射到生物組織的界面，從而在生物組織的界面發(fā)生全內(nèi)反射，在生物組織的界面產(chǎn)生倏逝波，誘導(dǎo)生物組織表面產(chǎn)生超聲信號(hào)；步驟20、利用超聲傳感器探測(cè)超聲信號(hào)，并采集到成像裝置；步驟30、重復(fù)步驟10、步驟20，從而重建出生物組織的三維圖像。進(jìn)一步地，所述脈沖激光波長(zhǎng)為300-1000nm。本發(fā)明提供的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)及方法，利用光在生物組織的界面發(fā)生全內(nèi)反射，從而在生物組織的界面產(chǎn)生的倏逝波激發(fā)超聲信號(hào)，再通過超聲傳感器探測(cè)時(shí)域超聲信號(hào)，獲得一個(gè)位置上的生物組織表面吸收體分布，進(jìn)而通過線性掃描的方法來獲取生物組織表面的三維吸收體分布信息。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)的示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)的原理示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的可選的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)的原理示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明提供的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)，其包括激光器1、聚焦透鏡2、光纖3、準(zhǔn)直透鏡4-1、物鏡4-2、棱鏡4-3、超聲傳感器4_4、放大器6、數(shù)據(jù)采集卡7、 二維平移臺(tái)8及成像裝置9 (可以是計(jì)算機(jī))。計(jì)算機(jī)內(nèi)裝有圖像重建和處理軟件，可以用于圖像重建和后期處理，例如基于Microsoft公司的Visual C++6. 0平臺(tái)開發(fā)的自動(dòng)化圖像重建處理軟件；計(jì)算機(jī)內(nèi)同時(shí)裝有平移臺(tái)的掃描控制軟件，用于驅(qū)動(dòng)平移臺(tái)的掃描，例如基于National Instruments公司開發(fā)的LabVIEW平臺(tái)開發(fā)的平移臺(tái)驅(qū)動(dòng)軟件。棱鏡是包括兩個(gè)平行的平面的棱鏡，可以呈倒梯形、棱柱等形狀。其中，激光器1發(fā)出的激光經(jīng)聚焦透鏡2入射至光纖3。光纖3輸出的光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡4-1準(zhǔn)直擴(kuò)束，物鏡4-2聚焦，聚焦光束入射至倒梯形棱鏡4-3，在倒梯形棱鏡4-3與生物組織5的界面發(fā)生全內(nèi)反射，同時(shí)在倒梯形棱鏡4-3與生物組織5的界面產(chǎn)生倏逝波，生物組織5的表面的吸收體吸收倏逝波產(chǎn)生超聲信號(hào)。超聲信號(hào)經(jīng)倒梯形棱鏡4-3傳輸至超聲傳感器4-4，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)放大器6放大后被數(shù)據(jù)采集卡7采集，送入成像裝置9存儲(chǔ)。準(zhǔn)直透鏡4-1、物鏡4-2、倒梯形棱鏡4-3與超聲傳感器4-4固定在一起組成掃描探頭4，放置在二維平移臺(tái)8上。二維平移臺(tái)8與成像裝置9電氣連接，可在成像裝置9的控制下實(shí)現(xiàn)線性掃描。下面結(jié)合圖2、3對(duì)本發(fā)明提供的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)的工作原理分別進(jìn)行說明。如圖2所示，本發(fā)明提供的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)的工作原理為激光器1 發(fā)出的脈沖激光依次經(jīng)聚焦透鏡2、準(zhǔn)直透鏡4-1及物鏡4-2入射至放置在生物組織5表面的倒梯形棱鏡4-3內(nèi)部，并在倒梯形棱鏡4-3的底邊發(fā)生全內(nèi)反射；全內(nèi)反射的同時(shí)在生物組織5的界面產(chǎn)生倏逝波，生物組織5的表面的吸收體5-1吸收倏逝波產(chǎn)生超聲信號(hào)，超聲信號(hào)沿倒梯形棱鏡4-3傳輸至超聲傳感器4-4，超聲傳感器4-4接收到的信號(hào)經(jīng)放大器6放大后被數(shù)據(jù)采集卡7送入成像裝置9，再在二維平移臺(tái)8的帶動(dòng)下掃描整個(gè)生物組織表面， 從而獲得生物組織的三維吸收體分布圖像。如圖2所示，本發(fā)明提供的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)的工作原理為激光器1 發(fā)出的脈沖激光依次經(jīng)聚焦透鏡2、準(zhǔn)直透鏡4-1及物鏡4-2入射至放置在生物組織5表面的倒梯形棱鏡4-3內(nèi)部，并在倒梯形棱鏡4-3的底邊發(fā)生全內(nèi)反射；全內(nèi)反射的同時(shí)在生物組織的界面產(chǎn)生倏逝波，生物組織5的表面的吸收體5-1吸收倏逝波產(chǎn)生超聲信號(hào)，超聲信號(hào)沿生物組織5傳輸至放置在生物組織5的底端的超聲傳感器4-4，超聲傳感器4-4接收到的信號(hào)經(jīng)放大器6放大后被數(shù)據(jù)采集卡7送入成像裝置9，再在二維平移臺(tái)8的帶動(dòng)下掃描整個(gè)生物組織表面，從而獲得生物組織5的三維吸收體分布圖像。選用各構(gòu)件連接組成本裝置，其中激光器1選用美國(guó)光譜物理公司生產(chǎn)的 Nd:YAG激光器，輸出532nm的短脈沖激光，也可以配合染料激光器輸出波長(zhǎng)為600-1000nm 的短脈沖激光；超聲傳感器4-4選用美國(guó)奧林巴斯公司生產(chǎn)的V2022接觸式超聲探頭，具有 75MHz的中心頻率，可以獲得較高的空間分辨率；放大器6選用美國(guó)斯坦福儀器研究所生產(chǎn)的SR445A，帶寬為直流到350MHz，可實(shí)現(xiàn)最大625的放大倍數(shù)；數(shù)據(jù)采集卡7選用加拿大 Alazartech公司生產(chǎn)的ATS9!350，雙通道最大采樣速率500MSPS ；成像裝置9采用Pentium 3微機(jī)；二維平移臺(tái)8選用美國(guó)aerotech公司生產(chǎn)的ANT95-50-ULTRA，精度和重復(fù)定位精度均為納米量級(jí)，適合高分辨掃描。本發(fā)明實(shí)施例還提供一種全內(nèi)反射式光聲顯微成像方法包括以下步驟步驟10、通過一束短脈沖激光聚焦入射到生物組織的界面，從而在生物組織的界面發(fā)生全內(nèi)反射，在生物組織的界面產(chǎn)生倏逝波，誘導(dǎo)生物組織表面產(chǎn)生超聲信號(hào)。脈沖激光波長(zhǎng)為300-1000nm。步驟20、利用超聲傳感器探測(cè)超聲信號(hào)，并采集到成像裝置。步驟30、重復(fù)步驟10、步驟20，從而重建出生物組織的三維圖像。以上方法步驟可通過圖1所示的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明提供的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)及方法具有以下有益效果(1)本發(fā)明利用光聲信號(hào)進(jìn)行生物組織的三維成像，不僅是非電離輻射，而且包含的信息較之單純的超聲信號(hào)更多，可以實(shí)現(xiàn)生物功能成像。(2)本發(fā)明利用倏逝波檢測(cè)生物組織表面的信號(hào)，可以獲得高軸向分辨率，從而在三維尺度上實(shí)現(xiàn)高分辨成像。(3)本發(fā)明利用超聲信號(hào)重建生物組織內(nèi)部信息，通過簡(jiǎn)單的更換超聲傳感器可以獲得不同分辨率的系統(tǒng)，無需對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改，操作簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)。(4)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造假低廉，易于實(shí)現(xiàn)，具有較大的市場(chǎng)推廣前景。最后所應(yīng)說明的是，以上具體實(shí)施方式
僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制， 盡管參照實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)，其特征在于，包括 激光器、聚焦透鏡、棱鏡、超聲傳感器及成像裝置；所述激光器發(fā)射的激光依次通過所述聚焦透鏡、棱鏡照射在生物組織的界面，從而在所述棱鏡和所述生物組織的界面發(fā)生全內(nèi)反射，并在所述生物組織產(chǎn)生超聲波信號(hào)； 所述超聲波信號(hào)通過所述超聲傳感器傳送至所述成像裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)，其特征在于，還包括 準(zhǔn)直透鏡、物鏡；所述聚焦透鏡和所述棱鏡之間依次設(shè)置有所述準(zhǔn)直透鏡和所述物鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)，其特征在于，還包括與所述成像裝置連接的二維平移臺(tái)，所述準(zhǔn)直透鏡、物鏡、棱鏡及超聲傳感器設(shè)置在所述二維平移臺(tái)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)，其特征在于 所述超聲傳感器放置在所述棱鏡的頂邊或生物組織的界面的底端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)，其特征在于，還包括放大器及數(shù)據(jù)采集卡；所述超聲傳感器及成像裝置之間依次設(shè)置有所述放大器及所述數(shù)據(jù)采集卡。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)，其特征在于 所述棱鏡是包括兩個(gè)平行的平面的棱鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)，其特征在于 所述棱鏡的形狀呈倒梯形或棱柱。
8.一種全內(nèi)反射式光聲顯微成像方法，其特征在于，包括以下步驟步驟10、通過一束短脈沖激光聚焦入射到生物組織的界面，從而在生物組織的界面發(fā)生全內(nèi)反射，在生物組織的界面產(chǎn)生倏逝波，誘導(dǎo)生物組織表面產(chǎn)生超聲信號(hào)； 步驟20、利用超聲傳感器探測(cè)超聲信號(hào)，并采集到成像裝置； 步驟30、重復(fù)步驟10、步驟20，從而重建出生物組織的三維圖像。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于 所述脈沖激光波長(zhǎng)為300-1000nm。
全文摘要
本發(fā)明提供全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)包括激光器、聚焦透鏡、棱鏡、超聲傳感器及成像裝置；所述激光器發(fā)射的激光依次通過所述聚焦透鏡、棱鏡照射在生物組織的界面，從而在所述棱鏡和所述生物組織的界面發(fā)生全內(nèi)反射，并在所述生物組織產(chǎn)生超聲波信號(hào)；所述超聲波信號(hào)通過所述超聲傳感器傳送至所述成像裝置。本發(fā)明還提供全內(nèi)反射式光聲顯微成像方法。本發(fā)明提供的全內(nèi)反射式光聲顯微成像方法，利用光在生物組織的界面發(fā)生全內(nèi)反射，從而在生物組織的界面產(chǎn)生的倏逝波激發(fā)超聲信號(hào)，再通過超聲傳感器探測(cè)時(shí)域超聲信號(hào)，獲得一個(gè)位置上的生物組織表面吸收體分布，進(jìn)而通過線性掃描的方法來獲取生物組織表面的三維吸收體分布信息。
文檔編號(hào)A61B8/08GK102488494SQ20111036273
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月16日
發(fā)明者劉炎炎, 楊孝全, 駱清銘, 龔輝 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)