一种光声信号反演引导的时间反演超声编码光聚焦方法

本发明涉及一种光声信号的光学聚焦方法，属于波前整形、光学聚焦技术领域。

背景技术：

深层组织中的光学成像是生物医学成像的主要挑战。深层组织中的光学聚焦不仅可以增强光学成像系统(例如荧光成像)的输出信号强度，而且可以提高成像灵敏度。另一方面，它也可以直接应用于光动力操纵、光动力疗法、激光烧蚀等需要光能聚焦的领域。能否将更多光能定域在被测样品的一个特定微小区域内，就成了上述光学技术的一个重要技术指标。

通过对入射光的波前进行整形以抵消散射，波前整形是解决该问题的最佳方法。目前的波前整形的方法根据系统配置和应用领域大致分为三类：基于模型驱动的波前整形，基于反馈式的波前整形和光学时间反转/光学相位共轭镜(以下简称为opc)。基于模型驱动的波前整形需要利用双光子显微镜对光的波前进行测量来得到波前畸变，精度低并且价格昂贵。基于反馈式的波前整形需要经历很多次的迭代优化使得这种方法不适用于多数场景。位相共轭技术，是借助于全息技术生成物光波的共轭波前的技术。位相共轭技术通过对从混浊介质后面或内部的辐射源传播的散射场的一次测量获得最佳波前。随后，通过使用相位共轭镜回放该场的共轭来形成焦点。与基于反馈的波前整形技术相似，opc在散射中要求“信标星”来引导波前聚焦。为了解决这个问题，xu等人提出了一种称为时间反演超声编码(time-reversedultrasonicallyencoded，true)光学聚焦术的方案，该实验方案利用声光调制效应，在组织体内部的超声聚焦区对散射光子进行了频率调制(超声编码)，被编码的光子作为物光，和参考光一起在光折变晶体上记录下全息图；全息图被读出光再现，恢复出的位相共轭光沿原物光的波前好像被时间反演一般返回到超声聚焦区；该方案使用了超声聚焦用作“信标星”，实现了无损的、动态的光学聚焦。光学聚焦技术实质上是对位相共辄型光学聚焦技术的进一步拓展。但是要想使用超声聚焦作为“信标星”，超声的聚焦能力就决定了光学聚焦的效果。

早期true技术的分辨率取决于超声焦点的大小(25-50um)。但是，超声波的聚焦能力对于确保足够的局部能量沉积和增加在目标区域中调制的光子数量至关重要。当目标区域位于声学异质层(例如脂肪组织或骨骼的不规则层)的后面时，聚焦性能成为限制其广泛应用的主要瓶颈。为解决true分辨率问题而提出的一种可能的解决方案是迭代true，即共轭场和检测场之间的反馈环路可以通过实验将焦点大小减小三倍。然而，迭代方案的耗时破坏了true的优势，并会增加系统的复杂性。近来，本领域技术人员已经提出了在目标产生光声(pa)信号来指导超声聚焦的替代方案，fink等人已经成功地从实验验证了光声信号时间反演的可行性。

技术实现要素：

本发明的目的是：提出一种将光声时间反演和opc结合在一起的方法，从而实现单快照聚焦于在光学和声学非均质介质中，实现了实时超快2d/3d光学聚焦，可用于增强光声成像和光动力疗法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种光声信号反演引导的时间反演超声编码光聚焦方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将来自激光源的未聚焦光射入介质中，介质的光吸收区域作为声源，从而产生光声波；该介质产生的光声波随后被超声换能器检测到；

步骤2：对超声换能器接收到的光声信号执行时间反演操作，以实现超声聚焦；

步骤3：当时间反演之后的光声信号到达步骤1所述介质的光吸收区域时，通过步骤1所述的激光源再发射一次激光，部分光子将在此快门中被标记为信标星，然后到达光学时间反转/光学相位共轭镜；

步骤4：通过记录到达光学时间反转/光学相位共轭镜的光子并且还原出相位图，然后对这部分光执行true操作，从而实现单快照聚焦于光学和声学非均质介质中，实现了实时超快2d/3d光学聚焦。

与迭代型true聚焦方案不同，本发明设计了一种光声反演引导(time-reversedphotoacousticwaveguided，简称trpa)的时间反演超声编码(true)光学聚焦技术，这里将其命名为trpa-true。本发明提供的方法结合了由时间反演光声信号引导的超声聚焦，并通过opc将被超声调制的部分散射光进行相位共轭操作，从而将光动态聚焦到散射介质中，并且仅仅需要单快门就可实现动态的光学聚焦。本发明提供的方案可用于增强光声成像和光动力疗法等需要光能聚集的领域，具有重要意义。

附图说明

图1为trpa-true示意图；

图2为仿真环境建模过程图；

图3为xy，xz和yz横截面中的模拟压力分布，其中，图3(a)为超声直接聚焦，图3(b)为trpa聚焦；

图4为三种情况下，沿z轴得到的光通量图像的平均强度投影，其中，图4(a)为不进行波前整形，图4(b)为true聚焦，图4(c)为本发明提出的trpa-true聚焦。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明提供的方法称为光声反演指导的时间反演超声编码光学聚焦术(trpa-true)，它结合了由时间反演光声信号引导的超声聚焦，并通过opc将被超声调制的部分散射光进行相位共轭操作，从而将光动态聚焦到散射介质中，并且仅仅需要单快门就可实现动态的光学聚焦。

本发明提出的方案流程如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：将来自激光源的未聚焦光(波长为532nm)射入介质中，由于光声效应的存在，介质的光吸收区域会作为声源，从而产生光声波。该介质产生的光声波随后被超声换能器检测到，见图1(a)。

步骤2：对超声换能器接收到的光声信号执行时间反演操作，以实现超声聚焦，见图1(b)。

步骤3：当时间反演之后的光声信号到达步骤1所述介质的光吸收区域时，由于声速远远小于光速，此时通过步骤1所述的激光源再发射一次激光，部分光子将在此快门中被标记为“信标星”(借鉴于天文自适应光学里信标星的概念，这里特指被超声标识标记后的光子)，然后到达opc，见图1(c)。

步骤4：通过记录到达opc的光子并且还原出相位图，然后对这部分光执行true操作以完成本发明的trpa-true，从而实现单快照聚焦于光学和声学非均质介质中，实现了实时超快2d/3d光学聚焦，见图1(d)。

为了说明本发明提供方法的有效性，本发明通过仿真构建了一个大脑模型来验证本发明提供的方法。从https://scalablebrainatlas.incf.org/human/nmm1103下载了人脑的mri模型，然后通过这个构建出光学和声学仿真环境。声学仿真是使用matlab的k-wave工具包在k空间中实现的，该工具箱提供了原始的pa数据并模拟了声波传播的过程。在光学模拟部分，使用蒙特卡洛(mc)光子传播模型，该模型已被广泛用于声光成像(aoi)模拟，因为它可以直接模拟超声与光子之间的相互作用。仿真环境建模过程如图2所示。

如图2所示，将mri数据导入到matlab中，并使用阈值图像分割将其分割为空气、水、中脑、白质、灰质、脊髓液头皮和颅骨。分割每个切片后，将处理后的mri图像堆叠以形成3-d模型，然后将其加载到k波仿真程序包中。超声换能器放置如图2(c)中显示，在xz平面的中心放置了64个超声换能器，以从样品中获得光声信号。该传感器被设置为具有无限带宽的理想传感器，并且模拟中头骨外部的声音速度被设置为1500m/s，并且该传感器以150mhz的采样频率记录了整个介质的压力，所有仿真结果均使用matlab进行后处理和可视化。

由于光速远快于声速，因此超声波在光通过时可视为静止，因此这里使用在目标区域的每个点记录的最大信号压力来评估声学聚焦能力。光声信号是在matlab中通过k-wave模拟生成的，然后经颅传输，并由64个声学传感器接收。在有和没有时间反演的情况下，本发明都获得了声波在初始位置的焦点。在颅内中心放置一个尺寸为2mm，吸收系数为5cm-1的吸收器，以生成一个光声信号。实验结果如图3所示。本发明的仿真环境是在3d空间中进行的。为了更直观地获得空间中的声聚焦，本发明截取了xy，xz和xz的三个不同平面进行比较。

图4说明了本发明方法的结果，其中本发明比较了沿z轴计算的光通量图像的平均强度投影。分别对比了不经过波前整形的光通量图，使用传统true进行波前整形得到的光通量图，以及本发明提出的方法trpa-true得到的光通量图。