一种非接触式微型光声成像头及其成像装置

1.本技术涉及光声成像领域，尤其涉及一种非接触式微型光声成像头及其成像装置。


背景技术：

2.光声成像技术已经逐渐成为生物医学领域的强有力工具。在这种技术中，通常使用脉宽为纳秒级别的脉冲激光作为激发光去照射样本。当激光的光子能量被样本吸收之后，光子能量会被转换成热量，进而在样本内部产生瞬时的热膨胀。这种热膨胀会在样本内部引起压强的变化，并以声波的形式向样本外部传播，从而被放置在样本周围的超声探头检测到，得到的信号也就是所谓的光声信号。由于超声波在空气中衰减剧烈，因此如果想要得到足够强度的光声信号则必须要在样本和超声探头之间使用超声耦合剂(例如水或者医用超声耦合剂)，或是把样本浸没在水里。可以得知，这种接触式的探测方法在某些应用场景中是不理想的。例如：
3.(1)对脑血管或是对烧伤皮肤中的毛细血管等这些对卫生要求比较严格场合的光声成像，接触式的探测方法可能引起污染的问题。
4.(2)在对眼睛血管，例如视网膜成像时，这些超声耦合剂的使用会引起病人的不适应感，严重者甚至引发失明的风险。
5.(3)在目前的这种传统光声成像中，通常使用压电材料制作的超声探头来检测超声。当在光声内窥镜中使用这种类型超声探头时，由于它的尺寸比较小，压电材料的特性导致了超声探测的灵敏度不高，进而导致得到的光声图像质量不高。同时，由于这种超声探头的不透明特性，会遮挡光声内窥镜中的激发光，这也导致了传统光声内窥镜的设计会比较复杂，不利于光声成像技术在内窥成像领域的进一步推广。上面所述的这些传统光声的缺点推动了研究人员将光声成像技术向非接触光声信号探测方向发展。
6.光声遥感(photoacoustic remote sensing,pars)显微成像是haji reza等人在2017年提出来的一种新型的具有非接触特性的光声成像方法。在这种方法中，不再使用传统的压电超声探头去捕获超声信号，而是使用一束与激发光共聚焦的探测光来检测物体的光声信号。如前所述，样本吸收激发光的能量之后，会在样本内部产生瞬时的热膨胀，进而产生压强的变化。根据光弹效应，这种压强的变化会导致样本的折射率发生瞬时改变，从而使探测光的反射强度发生变化，这种反射光强度变化会被光电探测器捕获，得到的信号即光声信号。因为光声信号的大小与激发光吸收和探测光的强度成正比，因此在保持探测光照射样本强度不变的情况下，可以根据探测到的反射光在样本不同位置的瞬时变化强弱来得到样本不同位置的光声信号幅值，从而实现对样本的扫描成像。可以看出，在这种方法中，只需要使用一束探测光即可完成对样本光声信号的测量，并不需要使用超声耦合剂，从而实现了非接触扫描成像的目的。相对于其它的非接触光声信号探测方法，在光声遥感显微成像技术中，只需要监测探测光束的反射率变化，这种变化是与探测光的相位无关的。因此，光声遥感显微成像技术对由探测光束、样本还有传播介质导致的相位噪声和伪影不敏
感，所以光声遥感显微成像在性能上具有很高的稳定性。目前，已有现有技术报道光声遥感显微成像在病理评估、术中组织学和眼科成像等领域都具有很好的应用潜力。
7.目前，现有技术中的光声遥感显微成像装置都是基于自由空间光搭建的，这给此项技术的应用和临床推广带来诸多不便。
8.(1)当前的光声遥感显微成像装置不适合于大体积或大重量样本的成像。由于在基于自由空间光的系统中，光学元器件的位置需要保持恒定，在成像时，主要是通过将样本固定在电控位移平台上，控制电控位移平台来移动样本，完成逐点扫描，扫描的样本体积或重量通常较小。然而，当样本体积太大，重量较重的时候，例如对人或者其它大型动物的某些部位进行光声遥感显微成像时，普通的电控位移平台并不能满足要求。同时，在移动大体积或大重量样本时，很容易出现样本的抖动，对于分辨率为微米级别的光声遥感显微成像装置来说，会导致扫描获得的图像变模糊，甚至完成不了扫描。
9.(2)基于自由空间光的光声遥感显微成像装置体积比较大，导致其在某些场景下使用困难，例如口腔内部和消化道内部的光声扫描。
10.(3)基于自由空间光的系统搭建比较复杂。在基于自由空间光的光声遥感成像装置中，需要使用多个光学元器件，要保证激发光和探测光的共聚焦比较困难。此外，当与其它光学方法进行结合时，例如在和荧光成像或者光学相干层析成像方法结合时，会导致整个成像装置尤其复杂，极大增加了光学系统的搭建难度，不利于光声遥感显微成像技术的进一步发展。
11.(4)基于自由空间光搭建的光学成像装置稳定性不高。因为是基于光学元器件搭建的成像装置，在成像装置的移动过程中有可能会导致光学元器件位置或者姿态发生变化，进而会影响整个系统的成像水平，从而导致这种基于自由空间光的光声遥感系统的鲁棒性较差。
12.尽管已经有现有技术使用光纤光学部件(例如光纤环行器)来简化光声遥感显微成像装置。然而，其成像头仍然是基于自由空间光，包括二向色镜、扫描振镜等组件，上述的许多缺点仍然存在。因此，构建基于光纤的光声遥感显微成像装置及其成像头的小型化仍需要进一步的发展。
13.因此，本领域技术人员期望研发一种非接触式微型光声成像头及其成像装置，用于解决上述现有技术中存在的技术问题。


技术实现要素：

14.为解决上述技术问题，本技术的目的是提供一种非接触式微型光声成像头，包括光纤和透镜，所述光纤与所述透镜同轴对准设置。
15.进一步地，所述光纤与所述透镜通过玻璃管同轴固定对准。
16.进一步地，所述玻璃管包括内玻璃管与外玻璃管，所述外玻璃管套设于所述内玻璃管外部。
17.进一步地，所述光纤为单模光纤，所述单模光纤的端面为8度倾斜角切割。
18.进一步地，所述单模光纤用于同时传输激发光、探测光和来自待测物体的反射光。
19.本技术的另一个目的是提供一种非接触式光声成像装置，包括上述的非接触式微型光声成像头，其特征在于，还包括激发光源、探测光源、分束器、光电探测器、扩束整形模
块、波分复用器、光纤环形器以及采集卡，所述激发光源与所述分束器的入射端连接，所述分束器的第一出射端与所述扩束整形模块的入射端连接，所述扩束整形模块的出射端与所述波分复用器的第一端口连接，所述波分复用器的第三端口与所述非接触式微型光声成像头连接；所述分束器的第二出射端与第一光电探测器的光端口连接，所述第一光电探测器的电端口与所述采集卡连接；所述探测光源与所述光纤环形器的第一端口连接，所述光纤环形器的第二端口与所述波分复用器的第二端口连接；所述光纤环形器的第三端口与第二光电探测器的光端口连接，所述第二光电探测器的电端口与所述采集卡连接。
20.进一步地，激发光从所述激发光源发出，依次经过所述分束器、所述扩束整形模块、所述波分复用器，从所述非接触式微型光声成像头出射到待测物体上；探测光从所述探测光源发出，依次经过所述光纤环形器、所述波分复用器，从所述非接触式微型光声成像头出射到所述待测物体上；所述激发光通过所述分束器后，一部分到达第一光电探测器；从所述待测物体反射的光依次经过所述非接触式微型光声成像头、所述波分复用器、所述光纤环形器，到达第二光电探测器。
21.进一步地，所述扩束整形模块与所述波分复用器的第一端口之间、所述波分复用器的第三端口与所述非接触式微型光声成像头之间、所述探测光源与所述光纤环形器的第一端口之间、所述光纤环形器的第二端口与所述波分复用器的第二端口之间、所述光纤环形器的第三端口与所述第二光电探测器之间，均通过单模光纤连接。
22.进一步地，所述分束器的分光比例为10：90。
23.进一步地，所述扩束整形模块包括透镜、可调针孔。
24.相对于现有技术而言，本技术提供的技术方案至少具有以下有益技术效果：
25.1、改善了光声遥感显微成像装置的成像头体积较大的问题。(本技术的非接触式微型光声成像头8直径仅3毫米，将来可发展成手持式成像头或内窥成像头。)
26.2、本技术通过基于光纤光学的光声遥感显微成像装置，改善了搭建不易、使用不便、和系统稳定性差的问题。
27.3、由于非接触式微型光声成像头只需要使用玻璃管将单模光纤与聚焦透镜进行同轴对准与固定，可避免自由空间光共焦对准的困难，使得搭建系统更容易。
28.4、本技术可将非接触式微型光声成像头固定在二维电控位移平台上，移动该成像头进行扫描，而不需移动样本，使得使用起来更为方便，尤其是针对活体动物实验。
29.5、由于整体光路由光纤引导，因此整个成像装置会更加稳定。
30.6、使用基于光纤光学的光声成像装置，在和其它非接触的光学成像方法结合时候(例如荧光成像和光学相干层析)，只需熔接不同的光纤器件即可达到目的，可以使系统的搭建变得简单，有利于该成像方法在多模态成像的进一步发展。
附图说明
31.图1是本技术的一个实施例的非接触式光声成像系统示意图；
32.图2是本技术的一个实施例中所用的非接触式微型光声成像头的结构示意图；
33.图3是本技术的一个实施例的非接触式光声成像系统(包含非接触式微型光声成像头)的性能测定图；
34.图4是本技术的一个实施例的成像效果示意图；
35.图5是本技术的一个实施例的成像效果示意图。
36.其中，1
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激发光源，2
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分束器，3
‑
扩束整形模块，4
‑
光电探测器，5
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波分复用器，6
‑
光纤环形器，7
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探测光源，8
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非接触式微型光声成像头，9
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采集卡，10
‑
计算机，11
‑
二维电控位移平台，81
‑
单模光纤，82
‑
内玻璃管，83
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外玻璃管，84
‑
聚焦透镜。
具体实施方式
37.以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
38.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
39.如图1所示为本技术的一个实施例提供的非接触式光声成像装置，包括非接触式微型光声成像头8、激发光源1、探测光源7、分束器2、光电探测器4、扩束整形模块3、波分复用器5、光纤环形器6以及采集卡9。如图1中所示，激发光源1与分束器2的入射端连接，分束器2的第一出射端与扩束整形模块3的入射端连接，扩束整形模块3的出射端与波分复用器5的第一端口通过单模光纤连接，波分复用器5的第三端口与非接触式微型光声成像头8通过单模光纤连接；分束器2的第二出射端与第一光电探测器4的光端口连接，第一光电探测器4的电端口与采集卡9电性连接；探测光源7与光纤环形器6的第一端口通过单模光纤连接，光纤环形器6的第二端口与波分复用器5的第二端口通过单模光纤连接；光纤环形器6的第三端口与第二光电探测器4的光端口通过单模光纤连接，第二光电探测器4的电端口与采集卡9电性连接。
40.在测量过程中，激发光从激发光源1发出，依次经过分束器2、扩束整形模块3、波分复用器5，从非接触式微型光声成像头8出射到待测物体上。探测光从探测光源7发出，依次经过光纤环形器6、波分复用器5，从非接触式微型光声成像头8出射到待测物体上。激发光通过分束器2后，一部分到达第一光电探测器4。本实施例中优选地，分束器2的分光比例为10:90。其中90％的从分束器2的第一出射端进入扩束整形模块3；10％的光从分束器2的第二出射端进入第一光电探测器4的光端口。从待测物体反射的光依次经过非接触式微型光声成像头8、波分复用器5、光纤环形器6，到达第二光电探测器4的光端口。
41.在本实施例中优选地，激发光源1采用纳秒脉冲激光器，波长为1064nm的纳秒脉冲激光光源。探测光源7可使用波长为1310nm的连续激光器。
42.扩束整形模块3包括中性密度滤光片，可用于调节激发光的脉冲能量，还包括透镜和可调针孔4，并通过透镜与波分复用器5的第一端口耦合。
43.波分复用器5需根据使用的波长来选择。在本实施例中，使用的是1064nm脉冲光作为激发光，1310nm连续激光作为探测光，波分复用器的型号为(cir
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1310
‑3‑
p
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900
‑1‑
fa,shconnet)。又例如，当激发光波长为532nm，探测光波长为670nm时，则可以选择波分复用器型号为(rg40a1,thorlabs)。
44.在本实施例中，光声信号通过采集卡9进行数字化，采集卡9与计算机10电性连接，通过计算机10处理和显示数据。
45.在图像采集过程中，非接触式微型光声成像头8可固定在二维电控位移平台11上，用于移动扫描。
46.如图2所示为本技术一个实施例中所用的非接触式微型光声成像头8的结构示意图。非接触式微型光声成像头8主要包含单模光纤81和聚焦透镜84。单模光纤81和聚焦透镜84通过内玻璃管82和外玻璃管83进行同轴对准与固定。如图2所示，虚线为激发光与探测光在成像头内的传播示意图。其中，较密集的点代表激发光，较稀疏的虚线代表探测光。单模光纤81是由图1中波分复用器5的第三端口延伸而来。单模光纤81的端面以8度的倾斜角切割，以消除来自光纤端面的反射光，从而消除来自反射光的背景噪声。在本实施例中，聚焦透镜84具体采用梯度折射率透镜(grin2313a,thorlabs)，其直径为1.8毫米。单模光纤81和聚焦透镜84通过内玻璃管82和外玻璃管83(外径3毫米)进行同轴对准与固定，使得整个非接触式微型光声成像头8的整体直径仅为3毫米。
47.本技术的技术方案，改善了光声遥感显微成像装置的成像头体积较大的问题。(本技术的非接触式微型光声成像头8直径仅3毫米，将来可发展成手持式成像头或内窥成像头。)通过基于光纤光学的光声遥感显微成像装置，改善了搭建不易、使用不便、和系统稳定性差的问题。由于非接触式微型光声成像头8只需要使用玻璃管将单模光纤与聚焦透镜进行同轴对准与固定，可避免自由空间光共焦对准的困难，使得搭建系统更容易。可将非接触式微型光声成像头8固定在二维电控位移平台11上，移动该成像头进行扫描，而不需移动样本，使得使用起来更为方便，尤其是活体动物实验。由于整体光路由光纤引导，因此整个成像装置会更加稳定。使用基于光纤光学的光声成像装置，在和其它非接触的光学成像方法结合时候(例如荧光成像和光学相干层析)，只需熔接不同的光纤器件即可达到目的，可以使系统的搭建变得简单，有利于该成像方法在多模态成像的进一步发展。
48.图3展示了本技术的实施例的性能参数图表，其中，图3a为使用光束轮廓仪(beam profiler)测得的激发光聚焦光斑，直径约6微米。图3b为测得的轴向分辨率，约123微米。图3c为对一直径6微米的碳纤维激发时所获得的时域光声遥感信号。图3d则是图3c的频谱，其
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6db的带宽约4.3mhz。图3e为使用本实施例的成像装置(包含非接触式微型光声成像头)对一些直径6微米的碳纤维进行光声遥感显微成像所获得的光声图像。
49.图4展示了本技术的实施例的成像效果。其中，图4a展示的是使用本实施例的成像装置(包含非接触式微型光声成像头)对使用黑墨水浸泡过的树叶叶脉进行光声遥感显微成像所获得的光声图像。图4b则是使用本实施例的成像装置(包含非接触式微型光声成像头)对斑马鱼(主要对黑色素成像)进行光声遥感显微成像所获得的光声图像(右图)，与明场图像(左图)相比，可看出这两张图有很好的一致性。
50.图5展示的是使用本技术的实施例对对称锂金属电池进行成像的结果。其中，图5a为对称锂/锂电池的横截面侧壁表面示意图，虚线框表示成像区域。图5b为未充电的锂/锂电池的光声图像，可以看到锂电极的信号。图5c则是在电流密度为1ma/cm^2下充电15小时的锂/锂电池的光声图像，可以看到，在玻璃纤维隔膜处有沉积的锂金属。图5b和图5c中的虚线表示图5a中锂电极和玻璃纤维隔膜的交界。
51.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术
方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。