反射式分光瞳差動(dòng)共焦-光聲顯微成像裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種反射式分光瞳差動(dòng)共焦-光聲顯微成像裝置與方法，屬于共焦顯 微成像技術(shù)和光聲顯微成像技術(shù)領(lǐng)域。 技術(shù)背景
[0002] 共焦顯微成像技術(shù)由于具有光學(xué)領(lǐng)域獨(dú)特的層析成像能力和高空間分辨能力，而 被作為重要的技術(shù)手段在生物醫(yī)學(xué)研宄、物理化學(xué)研宄、材料測(cè)試、微納測(cè)試等領(lǐng)域得到廣 泛的應(yīng)用。但是，現(xiàn)有共焦顯微成像技術(shù)主要采用物體的散射光或熒光來(lái)進(jìn)行成像，它獲得 的僅是被觀察物體的結(jié)構(gòu)圖像，無(wú)法獲得細(xì)胞或生物大分子的功能圖像，同時(shí)共焦顯微成 像的層析深度僅達(dá)亞毫米量級(jí)。
[0003] 光聲成像是基于光聲信號(hào)以被測(cè)對(duì)象的光學(xué)吸收特性為對(duì)比機(jī)制來(lái)進(jìn)行成像，由 于光聲信號(hào)與生物組織的光學(xué)、熱學(xué)和聲學(xué)特性有關(guān)，因而光聲信號(hào)所攜帶的信息量遠(yuǎn)多 于共焦顯微成像中散射光和熒光所攜帶的信息量，因此，光聲成像可實(shí)現(xiàn)生物功能的成像， 即可獲得生物組織的化學(xué)組分及生物學(xué)行為（如生長(zhǎng)、凋亡、代謝、病變、突變等）特征信 息，同時(shí)光聲成像的層析深度可達(dá)厘米量級(jí)。但是，光聲成像的分辨力僅達(dá)10微米，它無(wú)法 實(shí)現(xiàn)細(xì)胞水平的結(jié)構(gòu)圖像。
[0004] 若將上述兩種成像技術(shù)結(jié)合在一起，便能利用共焦顯微成像和光聲成像各自的技 術(shù)優(yōu)點(diǎn)對(duì)生物組織進(jìn)行光聲和共焦互補(bǔ)成像，可獲取組織或細(xì)胞的更多的信息，同時(shí)可通 過(guò)共焦聚焦提高橫向分辨力，通過(guò)超聲時(shí)間探測(cè)進(jìn)一步拓展層析成像深度。
[0005] 基于上述情況，本發(fā)明提出一種同時(shí)利用后向散射光子來(lái)實(shí)現(xiàn)共焦顯微成像與光 聲成像的反射式分光瞳差動(dòng)共焦-光聲顯微成像裝置與方法，以期對(duì)生物活體進(jìn)行原位、 無(wú)創(chuàng)的實(shí)時(shí)成像。
[0006] 本發(fā)明將反射式分光瞳差動(dòng)共焦顯微成像系統(tǒng)與光聲成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能有 機(jī)融合，利用共焦顯微成像系統(tǒng)探測(cè)被測(cè)對(duì)象的成分空間信息，利用光聲顯微成像系統(tǒng)探 測(cè)被測(cè)對(duì)象的成分功能信息，繼而實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象成分空間信息和功能信息的同時(shí)探測(cè)。
[0007] 反射式分光瞳差動(dòng)共焦顯微成像系統(tǒng)的采用使共焦-光聲顯微成像裝置的軸向 分辨力和工作距得以有效兼顧，抑制高散射被測(cè)對(duì)象焦面雜散光對(duì)共焦顯微成像質(zhì)量的干 擾，便于共焦-光聲顯微成像裝置的集成化和手持式設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種反射式分光瞳差動(dòng)共焦-光聲顯微成像裝置及方法，以 期同時(shí)獲得被測(cè)對(duì)象成分空間信息和功能信息。
[0009] 本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0010] 本發(fā)明的反射式分光瞳差動(dòng)共焦-光聲顯微成像裝置，包括點(diǎn)光源系統(tǒng)，還包括 依次放置在脈沖光束行進(jìn)方向的準(zhǔn)直透鏡、反射聚光鏡、三維光束掃描器和被測(cè)對(duì)象，依次 放置在被測(cè)對(duì)象背向散射方向來(lái)探測(cè)光聲信號(hào)的聲學(xué)透鏡和超聲換能器，以及用于探測(cè)被 測(cè)對(duì)象背向散射光或熒光信號(hào)的反射式分光瞳差動(dòng)共焦探測(cè)系統(tǒng)；其中，反射式分光瞳差 動(dòng)共焦探測(cè)系統(tǒng)包括：沿被測(cè)對(duì)象背向散射光行進(jìn)方向依次放置的三維光束掃描器、反射 聚光鏡、集光鏡、用于放大集光鏡焦斑的中繼放大透鏡、位于中繼放大透鏡焦面并使兩針孔 關(guān)于光軸左右對(duì)稱放置的雙孔針孔，以及放在雙孔針孔后的第一光強(qiáng)探測(cè)器和第二光強(qiáng)探 測(cè)器。
[0011] 本發(fā)明的反射式分光瞳差動(dòng)共焦-光聲顯微成像裝置中，反射聚光鏡與聲學(xué)透鏡 背向貼近放置，且經(jīng)反射聚光鏡和三維光束掃描器聚焦的光學(xué)焦點(diǎn)與聲學(xué)透鏡的焦點(diǎn)共焦 點(diǎn)。
[0012] 本發(fā)明的反射式分光瞳差動(dòng)共焦-光聲顯微成像裝置中，反射式分光瞳差動(dòng)共焦 探測(cè)系統(tǒng)可以包括：沿被測(cè)對(duì)象背向散射光行進(jìn)方向依次放置的三維光束掃描器、反射聚 光鏡、集光鏡、中繼放大透鏡和位于中繼放大透鏡焦面上的CCD探測(cè)器。
[0013] 本發(fā)明的反射式分光瞳差動(dòng)共焦-光聲顯微成像裝置中，反射式分光瞳差動(dòng)共焦 探測(cè)系統(tǒng)還可以包括：沿被測(cè)對(duì)象背向散射光行進(jìn)方向依次放置的三維光束掃描器、反射 聚光鏡、集光鏡、中繼放大透鏡、位于中繼放大透鏡焦面并使兩針孔關(guān)于光軸左右對(duì)稱放置 的雙孔針孔以及放在雙孔針孔后的二象限光電探測(cè)器。
[0014] 本發(fā)明的反射式分光瞳差動(dòng)共焦-光聲顯微成像裝置中，點(diǎn)光源系統(tǒng)可以是光纖 出射點(diǎn)光源系統(tǒng)。
[0015] 本發(fā)明的反射式分光瞳差動(dòng)共焦-光聲顯微成像裝置中，點(diǎn)光源系統(tǒng)還可以由激 光器、放置在激光出射方向的聚焦鏡和放置在聚焦鏡焦點(diǎn)位置的針孔構(gòu)成，其中激光器可 采用脈沖激光或周期性強(qiáng)度調(diào)制激光，其波長(zhǎng)、脈寬和重復(fù)頻率可根據(jù)需要選擇。
[0016] 本發(fā)明的一種反射式分光瞳差動(dòng)共焦-光聲顯微成像方法，包括以下步驟：
[0017] 步驟一、打開(kāi)點(diǎn)光源系統(tǒng)，使點(diǎn)光源系統(tǒng)出射的光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡、反射聚光鏡、三 維光束掃描器后聚焦到被測(cè)對(duì)象上激發(fā)出光聲信號(hào)、散射光或熒光信號(hào)；
[0018] 步驟二、利用聲學(xué)透鏡和超聲換能器來(lái)收集和探測(cè)光聲信號(hào)，用于表征被測(cè)對(duì)象 的生物功能信息；
[0019] 步驟三、利用反射聚光鏡、三維光束掃描器、集光鏡、中繼放大透鏡將探測(cè)的被測(cè) 對(duì)象的散射光或熒光聚焦在位于中繼放大透鏡焦面出的雙孔針孔上，位于雙孔針孔后的第 一光強(qiáng)探測(cè)器和第二光強(qiáng)探測(cè)器各自探測(cè)對(duì)應(yīng)針孔出射的強(qiáng)度信號(hào)并進(jìn)行差動(dòng)相減，即可 探測(cè)被測(cè)對(duì)象的結(jié)構(gòu)圖像信息；
[0020] 步驟四、計(jì)算機(jī)通過(guò)三維光束掃描器來(lái)控制聚焦光束對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行三維掃描， 來(lái)對(duì)被測(cè)對(duì)象激發(fā)出的光聲信號(hào)、散射光或熒光信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)層析成像；
[0021] 步驟五、計(jì)算機(jī)將探測(cè)的被測(cè)對(duì)象的光聲信號(hào)、散射光或熒光信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合 處理，即可實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象成份空間信息和功能信息的原位、無(wú)創(chuàng)成像。
[0022] 本發(fā)明反射式分光瞳差動(dòng)共焦-光聲顯微成像方法中，步驟三還可以為：利用反 射聚光鏡、三維光束掃描器、集光鏡、中繼放大透鏡將探測(cè)的被測(cè)對(duì)象的散射光或熒光聚焦 在位于中繼放大透鏡焦面處的CCD探測(cè)器上，計(jì)算機(jī)將焦面上的放大焦斑分割為第一虛擬 針孔和第二虛擬針孔進(jìn)行強(qiáng)度探測(cè)，將第一虛擬針孔探測(cè)的第一離軸共焦信號(hào)和第二虛擬 針孔探測(cè)的第二離軸共焦信號(hào)差動(dòng)相減得到分光瞳差動(dòng)共焦信號(hào)，利用該分光瞳差動(dòng)共焦 信號(hào)即可探測(cè)被測(cè)對(duì)象的結(jié)構(gòu)圖像信息；
[0023] 本發(fā)明反射式分光瞳差動(dòng)共焦-光聲顯微成像方法中，步驟三還可以為：利用反 射聚光鏡、三維光束掃描器、集光鏡、中繼放大透鏡將探測(cè)的被測(cè)對(duì)象的散射光或熒光聚焦 在位于中繼放大透鏡焦面上的雙孔針孔，位于雙孔針孔后的二象限光電探測(cè)器的兩個(gè)象限 光強(qiáng)探測(cè)區(qū)域各自探測(cè)對(duì)應(yīng)針孔出射的強(qiáng)度信號(hào)并進(jìn)行差動(dòng)相減，即可探測(cè)被測(cè)對(duì)象的結(jié) 構(gòu)圖像信息。
[0024] 有益效果
[0025] 本發(fā)明對(duì)比已有技術(shù)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0026] 1)本發(fā)明基于斜入射的激光分光瞳差動(dòng)共焦顯微成像系統(tǒng)，使激發(fā)光照射區(qū)域與 超聲探頭檢測(cè)區(qū)域相重合，用同一激發(fā)光源通過(guò)斜入射照射方式同時(shí)激發(fā)出光聲和熒光信 號(hào)，以期實(shí)現(xiàn)光聲和熒光的同時(shí)雙成像，可獲得單模式方式難以獲得的信息；
[0027] 2)斜入射的激光分光瞳差動(dòng)共焦成像技術(shù)，在不降低軸向分辨力的前提下，大幅 增加了成像系統(tǒng)的工作距，使光聲成像系統(tǒng)和三維光束掃描器便于集成到反射式共焦-光 聲顯微成像裝置，便于生物活體成份結(jié)構(gòu)信息和功能信息的原位、無(wú)創(chuàng)、實(shí)時(shí)成像；
[0028] 3)在不引入高數(shù)值孔徑的物鏡的條件下，利用低數(shù)值孔徑的物鏡即可提高共焦 系統(tǒng)的軸向分辨力，擴(kuò)展了共焦顯微系統(tǒng)的工作距離，更易于測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)小型化和手持 式；
[0029] 4)分光瞳差動(dòng)共焦探測(cè)方法的采用使測(cè)量系統(tǒng)具有絕對(duì)零點(diǎn)和雙極性跟蹤特性， 線性量程范圍寬，提高了層析精度的同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)絕對(duì)測(cè)量；同時(shí)提高了系統(tǒng)的信噪比，可 有效地抑制環(huán)境狀態(tài)的差異、光源光強(qiáng)的波動(dòng)、探測(cè)器電氣漂移等引起的共模噪聲；
[0030] 5)斜入射的激光分光瞳差動(dòng)共焦成像技術(shù)可抑制焦面上生物被測(cè)對(duì)象雜散光對(duì) 共焦顯微成像質(zhì)量的干擾等。
【附圖說(shuō)明】
[0031] 圖1.反射式分光瞳差動(dòng)共焦-光聲顯微成像裝置；
[0032] 圖2.反射式分光瞳差動(dòng)共焦-光聲顯微成像裝置；
[0033] 圖3.反射式分光瞳差動(dòng)共焦-光聲顯微成像裝置；
[0034] 圖4.反射式分光瞳差動(dòng)共焦-光聲顯微成像裝置實(shí)施例；
[0035] 圖5.反射式分光瞳差動(dòng)共焦顯微成像示意圖；
[0036] 圖6.分光瞳差動(dòng)共焦顯微結(jié)構(gòu)不意圖；
[0037] 圖7.反射式分光瞳差動(dòng)共焦顯微與共焦顯微成像軸向分辨力比較。
[0038] 其中：1-點(diǎn)光源系統(tǒng)、2-脈沖光束、3-準(zhǔn)直透鏡、4-反射聚光鏡、5-超聲換能器， 6-聲學(xué)透鏡、7-被測(cè)對(duì)象、8-三維光束掃描器、9-集光鏡、10-中繼放大透鏡、11-雙孔針 孔、12-第一光強(qiáng)探測(cè)器、13-第二光強(qiáng)探測(cè)器、14-激光器、15-聚焦鏡、16-針孔、17-CCD探 測(cè)器、18-光纖出射點(diǎn)光源、19-二象限光電探測(cè)器、20-像差補(bǔ)償半球鏡、21-超聲探測(cè)電路 系統(tǒng)、22-光強(qiáng)彳目號(hào)米集系統(tǒng)、23-計(jì)算機(jī)、24-放大焦斑、25-第一虛擬針孔、26-第二虛擬針 孔、27-第一離軸共焦信號(hào)、28-第二離軸共焦信號(hào)、29-分光瞳差動(dòng)共焦信號(hào)、30-斜入射激 發(fā)光束、31-斜出射被測(cè)對(duì)象散射光、32-照明光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF)、33_收集光學(xué) 系統(tǒng)的PSF、34-合成的系統(tǒng)PSF、35-反射式分光瞳差動(dòng)共焦仿真軸向響應(yīng)曲線、36-普通共 焦顯微系統(tǒng)的仿真軸向響應(yīng)曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0040] 實(shí)施例1
[0041] 本發(fā)明實(shí)施例基于圖4所示的反射式分光瞳差動(dòng)共焦-光聲顯微成像裝置，包括 激光器14、放置在激光出射方向的聚焦鏡15和放置在聚焦鏡15焦點(diǎn)處的針孔16構(gòu)成的點(diǎn) 光源系統(tǒng)1，依次放置在脈沖光束2