一种光声显微镜系统的制作方法
【专利摘要】本申请公开了一种光声显微镜系统，激光光源用于发射脉冲激光并经偏振片后形成线偏振光，经过整形光路准直扩束后，入射在空间光调制器表面，经调制后的脉冲光照射组织，位于组织另一端的光声信号接收装置接收光声信号，将声信号转换为电信号，数据采集与处理装置采集所述电信号并保存数据，通过三维重建得到组织的三维图像及横截面图像。本申请的【具体实施方式】中，由于光路中引入空间光调制器，可以显著增加光学焦深，从而实现大焦深、高分辨率光声成像。本申请无需利用轴棱镜产生贝塞尔光束，解决了轴棱镜光通量损失的问题，无需两次短间隔的激光照射来消除贝塞尔光束旁瓣带来的影响，简化了实验装置的设计和部件成本，同时也避免了高能量热弛豫效应照射对生物组织的伤害。
【专利说明】
一种光声显微镜系统
技术领域
[0001 ]本申请涉及光声成像领域，尤其涉及一种光声显微镜系统。
【背景技术】
[0002]基于光吸收特性的光声成像有机融合了光激发和声探测两种手段。生物组织中的色素物质吸收脉冲激光后转化为热能，由于瞬时热弹性效应，向外释放宽带超声波(即光声信号)，通过探测光声信号即可测量组织的光吸收特性。近年来迅速发展的光学分辨率光声显微镜将横向分辨率提升至微米量级，能够在体高精度的成像血液微循环系统，包括各级主血管、毛细血管、甚至单个红血球细胞。通过光声信号的渡越时间解析色素物质所处的深度位置，光学分辨率光声显微镜仅需对样品进行二维平面扫描，即可获得组织的三维微观结构图像。然而，传统光学分辨率光声显微镜采用高斯型光束，受瑞利长度的限制，光学聚焦深度较小。普通的光学分辨率光声显微镜使用数值孔径为0.1的物镜聚焦激发光束，可实现约为6微米的横向分辨率，然而保持这一分辨率的焦深仅为100微米左右。当成像区域超出该深度范围，系统的横向分辨率将迅速降低。
[0003]现有的光学分辨率光声显微镜采用物镜实现激发光束的聚焦，由此产生的高斯光束具有较短的焦深，导致成像分辨率仅在较小的深度区域内保持一致(一般小于100微米)。尽管锥棱镜产生的贝塞尔光束具有较大的焦深，但是光束旁瓣严重影响了分辨率和图像质量。通过短时间间隔的连续光激发产生的热弛豫效应，能够在一定程度上减弱贝塞尔光束旁瓣的影响。但是，该方法中无效的光束旁瓣将损失大量光能量，并且多次激光辐照大幅延长了成像时间，同时会引起组织的光损伤。此外，短间隔激发光的产生通常需要两台激光器，增加了成像系统的复杂度和成本。
【发明内容】
[0004]本申请要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种光声显微镜系统。
[0005]本申请要解决的技术问题通过以下技术方案加以解决:
一种光声显微镜系统，包括激光光源、偏振片、整形光路、光声信号接收装置、以及数据采集与处理装置，还包括空间光调制器，所述激光光源用于发射脉冲激光并经所述偏振片后形成线偏振光，经过所述整形光路准直扩束后，入射在所述空间光调制器表面，经调制后的脉冲光照射组织，位于组织另一端的光声信号接收装置接收光声信号，将所述声信号转换为电信号，所述数据采集与处理装置采集所述电信号并保存数据，通过三维重建得到组织的三维图像及横截面图像。
[0006]所述数据采集与处理装置包括控制器和数据采集卡，所述控制器控制所述数据采集卡以所述激光光源输出的电脉冲信号作为同步信号对所述电信号进行数据采集。
[0007]所述控制器集成在PC机或是图形工作站上，所述数据采集卡集成在PC机或是图形工作站上。
[0008]所述控制器为独立器件，所述数据采集卡集成在PC机或是图形工作站上。
[0009]还包括三维位移装置，所述三维位移装置使得光束对组织进行二维平面扫描，以获得三维图像堆栈所需要的二维数据。
[0010]所述空间光调制器包括相位型空间光调制器。
[0011]所述光声信号接收装置包括超声探头。
[0012]还包括用于放大所述电信号的信号放大器。
[0013]形成所述整形光路的器件包括第一准直扩束装置、反射镜、第二准直扩束装置和聚焦透镜，所述线偏振光经过所述第一准直扩束装置准直扩束后，照射到所述反射镜上，经所述反射镜反射至所述空间光调制器，再经过所述第二准直扩束装置进行准直扩束后，通过所述聚焦透镜照射到组织上。
[0014]形成所述整形光路的器件还包括第三准直扩束装置，照射到所述反射镜上的光经过所述第三准直扩束装置进行准直扩束后再入射至所述空间光调制器表面。
[0015]由于采用了以上技术方案，使本申请具备的有益效果在于:
在本申请的【具体实施方式】中，由于光路中引入空间光调制器，对聚焦光束的波前进行调制，相当于在聚焦透镜的主平面上加了一层光学掩膜，系统达到了较高的通光率，充分的利用了光能量，有效地提高了信噪比，可以显著增加光学焦深，从而实现大焦深、高分辨率光声成像。本申请无需利用轴棱镜产生贝塞尔光束，从而解决了轴棱镜光通量损失的问题，同时本申请也无需短间隔连续光激发，简化了实验装置的设计和部件成本，同时也避免了高能量热弛豫效应照射对生物组织的伤害。
【附图说明】
[0016]图1(a)是未经调制的二元光学图像；
图1(b)是经过空间光调制器调制后的二元光学图像；
图2(a)是未经过调制的光束焦点的截面图；
图2(b)是经过空间光调制器调制后的光束焦点的截面图；
图3为本申请系统在一种实施方式中的结构示意图；
图4为本申请系统在另一种实施方式中的结构示意图。
【具体实施方式】
[0017]下面通过【具体实施方式】结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0018]本申请利用液晶空间光调制器调制入射光束波前，进而显著提升成像焦深的光学分辨率光声显微镜。液晶空间光调制器是实现光束波前整形的核心部件，将如图1(b)所示的二元图像加载到液晶空间光调制器上，引起液晶分子光学性质的变化，使入射至空间光调制器表面的光束波前发生相应变化。在系统光路中，光声激发光束入射至空间光调制器表面，加载于空间光调制器的特定光模式(如图1(b)将会影响该光束的波前分布，经显微物镜聚焦后，形成如图2(b)所示的光空间分布。图2(a)图是加载图1(a)后光束焦点的y-z截面图，瑞利长度非常短；图2(b)图是加载图1(b)后光束焦点的y-z截面图，可以显著观察到瑞利长度的拉伸，在大幅提升纵向长度的同时，没有损失光束的横向尺寸。显然，与未经调制的光学聚焦相比(如图1(a)和图2(a)所示)，这一方案提高了入射激发光束的焦深，使光声成像横向分辨率在更大深度范围内保持一致，有利于改善成像质量。 如图3、图4所不，本申请的光声显微镜系统，其一种实施方式，包括激光光源100、偏振片200、整形光路300、光声信号接收装置400、数据采集与处理装置500和空间光调制器600。激光光源100用于发射脉冲激光并经偏振片200后形成线偏振光，经过整形光路300准直扩束后，入射在空间光调制器600表面，经调制后的脉冲光照射组织，位于组织另一端的光声信号接收装置400接收光声信号，将声信号转换为电信号，数据采集与处理装置500采集电信号并保存数据，通过三维重建得到组织的三维图像及横截面图像。在一种实施方式中，本申请的空间光调制器包括相位型空间光调制器。光声信号接收装置400可以包括超声探头。
[0019]数据采集与处理装置包括控制器和数据采集卡，控制器控制数据采集卡以激光光源输出的电脉冲信号作为同步信号对电信号进行数据采集。在一种实施方式中，控制器可以集成在PC机或是图形工作站上，数据采集卡集成在PC机或是图形工作站上。在另一种实施方式中，控制器为独立器件，数据采集卡可以集成在PC机或是图形工作站上。
[0020]本申请的光声显微镜系统，还可以包括三维位移装置700，三维位移装置700使得光束对组织进行二维平面扫描，以获得三维图像堆栈所需要的二维数据。
[0021 ]在一种实施方式中，本申请的光声显微镜系统，还可以包括信号放大器800，信号放大器800用于放大光声信号接收装置400转换的电信号。
[0022]形成整形光路300的器件包括第一准直扩束装置310、反射镜320、第二准直扩束装置330和聚焦透镜340。线偏振光经过第一准直扩束装置310准直扩束后，照射到反射镜320上，经反射镜320反射至所述空间光调制器，再经过第二准直扩束装置330进行准直扩束后，通过聚焦透镜340照射到组织上。准直扩束装置一般包括聚焦透镜和准直透镜，聚焦透镜用于聚焦光束，准直透镜用于将出射的光扩束准直。
[0023]在一种实施方式中，形成整形光路300的器件还可以包括第三准直扩束装置(图未示)，照射到反射镜320上的光经过所述第三准直扩束装置进行准直扩束后再入射至空间光调制器600表面。在另一种实施方式中，形成整形光路300的器件还可以包括针孔滤波器350，线偏振光经过第一准直扩束装置310准直扩束后，可以通过针孔滤波器350过滤掉光束边缘的杂散光后，再照射到反射镜320上。
[0024]以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。
【主权项】
1.一种光声显微镜系统，包括激光光源、偏振片、整形光路、光声信号接收装置、以及数据采集与处理装置，其特征在于，还包括空间光调制器，所述激光光源用于发射脉冲激光并经所述偏振片后形成线偏振光，经过所述整形光路准直扩束后，入射在所述空间光调制器表面，经调制后的脉冲光照射组织，位于组织另一端的光声信号接收装置接收光声信号，将所述声信号转换为电信号，所述数据采集与处理装置采集所述电信号并保存数据，通过三维重建得到组织的三维图像及横截面图像。2.如权利要求1所述的光声显微镜系统，其特征在于，所述数据采集与处理装置包括控制器和数据采集卡，所述控制器控制所述数据采集卡以所述激光光源输出的电脉冲信号作为同步信号对所述电信号进行数据采集。3.如权利要求2所述的光声显微镜系统，其特征在于，所述控制器集成在PC机或是图形工作站上，所述数据采集卡集成在PC机或是图形工作站上。4.如权利要求2所述的光声显微镜系统，其特征在于，所述控制器为独立器件，所述数据采集卡集成在PC机或是图形工作站上。5.如权利要求1所述的光声显微镜系统，其特征在于，还包括三维位移装置，所述三维位移装置使得光束对组织进行二维平面扫描，以获得三维图像堆栈所需要的二维数据。6.如权利要求1所述的光声显微镜系统，其特征在于，所述空间光调制器包括相位型空间光调制器。7.如权利要求1所述的光声显微镜系统，其特征在于，所述光声信号接收装置包括超声探头。8.如权利要求7所述的光声显微镜系统，其特征在于，还包括用于放大所述电信号的信号放大器。9.如权利要求1至8中任一项所述的光声显微镜系统，其特征在于，形成所述整形光路的器件包括第一准直扩束装置、反射镜、第二准直扩束装置和聚焦透镜，所述线偏振光经过所述第一准直扩束装置准直扩束后，照射到所述反射镜上，经所述反射镜反射至所述空间光调制器，再经过所述第二准直扩束装置进行准直扩束后，通过所述聚焦透镜照射到组织上。10.如权利要求9所述的光声显微镜系统，其特征在于，形成所述整形光路的器件还包括第三准直扩束装置，照射到所述反射镜上的光经过所述第三准直扩束装置进行准直扩束后再入射至所述空间光调制器表面。
【文档编号】G01N21/17GK106066306SQ201610502561
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年6月30日 公开号201610502561.0, CN 106066306 A, CN 106066306A, CN 201610502561, CN-A-106066306, CN106066306 A, CN106066306A, CN201610502561, CN201610502561.0
【发明人】吴玉立, 宋伟, 高玉峰, 宋亮, 方晖
【申请人】中国科学院深圳先进技术研究院