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CN115112770B - 一种光声成像装置及方法 - Google Patents

一种光声成像装置及方法 Download PDF

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CN115112770B CN202210859196.4A CN202210859196A CN115112770B CN 115112770 B CN115112770 B CN 115112770B CN 202210859196 A CN202210859196 A CN 202210859196A CN 115112770 B CN115112770 B CN 115112770B
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Abstract

一种光声成像装置及方法，装置由探测光源、光纤隔离器、光纤耦合器、第一准直器、半透半反镜、激发光源、二向色镜、反射镜、二维振镜、透镜、第二准直器、偏振片、1/4波片、偏振分光棱镜、第三准直器、第四准直器、第一多模光纤、第二多模光纤、第一光电探测器、第二光电探测器、第一高通滤波器、第二高通滤波器及计算机组成。方法为：光声激发、光声探测及信号解调。本发明通过探测光声信号初始位置的反射光强变化来提高灵敏度；使用单模光纤输出探测光，使用多模光纤接收探测光，结合信号解调，既可以增大返回光纤的探测光强度，同时又可以消除多模光纤的多种模式的影响，进一步提高探测灵敏度；使探测光和样品光聚焦于同一点，无需调节焦点。

Description

一种光声成像装置及方法
技术领域
本发明属于光声成像技术领域，特别是涉及一种光声成像装置及方法。
背景技术
光声成像(Photoacoustic imaging，PAI)是结合了纯超声成像技术的高分辨率特性和纯光学成像技术的高对比度特性，以光声效应为理论基础，通过探测光声信号进而得到图像的成像技术。光声成像的原理是，当用脉冲激光照射样品时，光子会被样品吸收，进而转化成热能引起自身的升温，导致样品发生局部膨胀，从而产生超声波，即光声信号，通过检测光声信号并进行图像重建即可得到样品的吸收分布图像。
目前，光声检测技术可以分为接触式光声检测和非接触式光声检测。对于接触式光声检测来说，其多数使用压电换能器直接探测光声信号，并将其转换成电信号，经过图像重建得到光声图像。虽然基于压电换能器的检测方式具有技术成熟、结构简单、灵敏度高的优点，但是压电换能器从原理上决定了其必须使用声耦合介质，这使其在很多应用中受到限制。
为了解决接触式光声检测所带来的技术困难，各种非接触式光声检测方法被相继提出，且多数为基于干涉测量技术，当样品内光声信号传播到样品表面时，导致样品表面振动，其利用光学干涉原理直接检测这种振动进行成像。与基于压电换能器的探测方法相比，光学干涉法具有非接触、易于装置小型化等优点。
例如，申请号为201510881786.7的中国专利申请公开了一种基于光学干涉法的非接触光声探测方法及装置，申请号为201210507448.3的中国专利申请公开了一种无超声换能器频带限制的光声成像装置及其检测方法，申请号为201711235518.3的中国专利申请公开了一种非接触式全光学光声成像装置及其方法。
上述这些专利均使用相干光学干涉法探测由光声信号导致样品表面微小位移，位移大小和光声信号强度成正比，由位移大小间接探测光声信号，且不使用声耦合介质。然而，上述这些专利仍然存在如下缺陷：
①、光声信号从激发点向样品表面以球面波方式传播，信号强度衰减和传播距离的平方成反比，导致光声信号传播到表面时衰减较大。
②、使用单模光纤来接收探测信号，但单模光纤的孔径较小，仅有少量经样品反射的探测光可以进入探测系统，导致光声成像系统的灵敏度低。
再例如，申请号为201910587193.8的中国专利申请公开了一种非接触光声成像装置及方法，其是基于3×3光纤耦合器解调的非接触光声成像系统及方法，通过光学干涉法直接检测样品内光声信号激发点探测光的反射光强变化，虽然解决了使用水层对实际应用的限制，但是这种干涉系统只能使用单模光纤来接收探测信号，因此也受到单模光纤孔径较小的限制，导致光声成像系统依然存在灵敏度低的问题。如果简单的将专利中的单模光纤更换为多模光纤，虽然可以增大返回光纤的探测光的强度，但是由于多模的影响，导致干涉对比度较低，因此并无法有效提高灵敏度。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种光声成像装置及方法，通过探测光声信号初始位置的反射光强变化来提高灵敏度；使用单模光纤输出探测光，使用多模光纤接收探测光，结合信号解调，既可以增大返回光纤的探测光强度，同时又可以消除多模光纤的多种模式的影响，进一步提高探测灵敏度；使探测光和样品光聚焦于同一点，不需要分别调节激发光和探测光的焦点，方便实际使用。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种光声成像装置，包括探测光源、光纤隔离器、光纤耦合器、第一准直器、半透半反镜、激发光源、二向色镜、反射镜、二维振镜、透镜、第二准直器、偏振片、1/4波片、偏振分光棱镜、第三准直器、第四准直器、第一多模光纤、第二多模光纤、第一光电探测器、第二光电探测器、第一高通滤波器、第二高通滤波器及计算机；所述激发光源与计算机进行电连接，激发光源发出的激发光直接射向二向色镜；所述探测光源通过光纤隔离器与光纤耦合器进行光连接；所述第一准直器一端通过单模光纤与光纤耦合器进行光连接，第一准直器另一端发出的激光通过半透半反镜射向二向色镜，并依次通过反射镜、二维振镜及透镜射向载物台上盛放的样品；所述半透半反镜的反射光直接射向偏振分光棱镜；所述第二准直器一端通过单模光纤与光纤耦合器进行光连接，第二准直器另一端发出的激光依次通过偏振片和1/4波片射向偏振分光棱镜；所述第三准直器一端与偏振分光棱镜进行光连接，第三准直器另一端发出的激光通过第一多模光纤射向第一光电探测器；所述第一光电探测器通过第一高通滤波器与计算机进行电连接；所述第四准直器一端与偏振分光棱镜进行光连接，第四准直器另一端发出的激光通过第二多模光纤射向第二光电探测器；所述第二光电探测器通过第二高通滤波器与计算机进行电连接。
一种光声成像方法，采用了所述的光声成像装置，包括如下步骤：
步骤S1：光声激发过程
启动激发光源，由激发光源发射激发光，激发光依次经过二向色镜、反射镜、二维振镜及透镜射向样品，并最终聚焦在样品内部，样品吸收激光能量后产生光声压力，光声压力导致样品内部激发点的局部折射率发生变化，光学折射率的变化导致激发点的光学反射率变大，进而使声压初始位置的探测光反射光强增大，且探测光反射光强的增大与光声信号的强度成正比，通过探测经过声压初始位置的探测光的强度变化，进行光声信号的检测及成像；
步骤S2：光声探测过程
启动探测光源，由探测光源发射探测光，探测光经过光纤隔离器进入光纤耦合器，再通过光纤耦合器分两路输出，一路作为样品光，另一路作为参考光；
样品光首先经过第一准直器形成平行光，之后经过半透半反镜的投射被传送到二向色镜，样品光经过二向色镜会与激发光合为一束，然后依次经过反射镜、二维振镜及透镜射向样品，并最终聚焦在样品内部，样品的背向散射光原路返回至半透半反镜，之后被反射进入偏振分光棱镜中；
参考光首先经过第二准直器形成平行光，之后经过偏振片被转化为线偏振光，然后经过1/4波片并进入偏振分光棱镜中，其中线偏振光的偏振方向与1/4波片的光轴夹角为45°；
由偏振分光棱镜射出的样品光和参考光也分两路输出，一路依次经过第三准直器和第一多模光纤进入第一光电探测器中，形成的干涉信号由第一光电探测器进行探测，之后将探测到的干涉信号经由第一高通滤波器进行滤波后传输至计算机中，最后由计算机进行数据采集、处理和显示；另一路依次经过第四准直器和第二多模光纤进入第二光电探测器中，形成的干涉信号由第二光电探测器进行探测，之后将探测到的干涉信号经由第二高通滤波器进行滤波后传输至计算机中，最后由计算机进行数据采集、处理和显示；
激发光源发射激发光的同时，激发光源发出的触发信号传输给计算机，由计算机进行光声信号的同步采集；
步骤S3：信号解调过程
当参考光经过偏振片被转化为线偏振光后，线偏振光在经过1/4波片时，通过1/4波片会使两个相互正交的偏振分量产生π/2+kπ的相位偏移，进而使两路干涉信号I1(t)和I2(t)产生90°的相位差，且I1(t)和I2(t)的表示式如下：
式中，I1(t)为第一路干涉信号，I2(t)为第二路干涉信号，θ1(t)为由光声效应引起的参考光与探测光之间产生的相位差，θ2为初始相位，Ir(t)为参考光强度，Is(t)为样品光强度；
当两路干涉信号I1(t)和I2(t)经过高通滤波及标定后，可得到如下表达式：
式中，I’1(t)为经过高通滤波及标定后的第一路干涉信号，I’2(t)为经过高通滤波及标定后的第二路干涉信号，θ1(t)为由光声效应引起的参考光与探测光之间产生的相位差，θ2为初始相位，Ir(t)为参考光强度，Is(t)为样品光强度，k1为第一路干涉信号的探测灵敏度系数，k2为第二路干涉信号的探测灵敏度系数；
通过计算机对两路经过高通滤波及标定后的干涉信号I’1(t)和I’2(t)进行处理，可得到如下表达式：
式中，P为光声信号强度，Is(t)为样品光强度，I’1(t)为经过高通滤波及标定后的第一路干涉信号，I’2(t)为经过高通滤波及标定后的第二路干涉信号，k1为第一路干涉信号的探测灵敏度系数，k2为第二路干涉信号的探测灵敏度系数；
最后由光声信号强度P重建光声图像，采用二维振镜对样品目标区域实现二维扫描，在计算机中实现二维成像。
本发明的有益效果：
本发明的光声成像装置及方法，通过探测光声信号初始位置的反射光强变化来提高灵敏度；使用单模光纤输出探测光，使用多模光纤接收探测光，结合信号解调，既可以增大返回光纤的探测光强度，同时又可以消除多模光纤的多种模式的影响，进一步提高探测灵敏度；使探测光和样品光聚焦于同一点，不需要分别调节激发光和探测光的焦点，方便实际使用。
附图说明
图1为本发明的一种光声成像装置的结构原理图；
图中，1—探测光源，2—光纤隔离器，3—光纤耦合器，4—第一准直器，5—半透半反镜，6—激发光源，7—二向色镜，8—反射镜，9—二维振镜，10—透镜，11—样品，12—载物台，13—第二准直器，14—偏振片，15—1/4波片，16—偏振分光棱镜，17—第三准直器，18—第四准直器，19—第一多模光纤，20—第二多模光纤，21—第一光电探测器，22—第二光电探测器，23—第一高通滤波器，24—第二高通滤波器，25—计算机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，一种光声成像装置，包括探测光源1、光纤隔离器2、光纤耦合器3、第一准直器4、半透半反镜5、激发光源6、二向色镜7、反射镜8、二维振镜9、透镜10、第二准直器13、偏振片14、1/4波片15、偏振分光棱镜16、第三准直器17、第四准直器18、第一多模光纤19、第二多模光纤20、第一光电探测器21、第二光电探测器22、第一高通滤波器23、第二高通滤波器24及计算机25；所述激发光源6与计算机25进行电连接，激发光源6发出的激发光直接射向二向色镜7；所述探测光源1通过光纤隔离器2与光纤耦合器3进行光连接；所述第一准直器4一端通过单模光纤与光纤耦合器3进行光连接，第一准直器4另一端发出的激光通过半透半反镜5射向二向色镜7，并依次通过反射镜8、二维振镜9及透镜10射向载物台12上盛放的样品11；所述半透半反镜5的反射光直接射向偏振分光棱镜16；所述第二准直器13一端通过单模光纤与光纤耦合器3进行光连接，第二准直器13另一端发出的激光依次通过偏振片14和1/4波片15射向偏振分光棱镜16；所述第三准直器17一端与偏振分光棱镜16进行光连接，第三准直器17另一端发出的激光通过第一多模光纤19射向第一光电探测器21；所述第一光电探测器21通过第一高通滤波器23与计算机25进行电连接；所述第四准直器18一端与偏振分光棱镜16进行光连接，第四准直器18另一端发出的激光通过第二多模光纤20射向第二光电探测器22；所述第二光电探测器22通过第二高通滤波器24与计算机25进行电连接。
一种光声成像方法，采用了所述的光声成像装置，包括如下步骤：
步骤S1：光声激发过程
启动激发光源6，由激发光源6发射激发光，激发光依次经过二向色镜7、反射镜8、二维振镜9及透镜10射向样品11，并最终聚焦在样品11内部，样品11吸收激光能量后产生光声压力，光声压力导致样品11内部激发点的局部折射率发生变化，光学折射率的变化导致激发点的光学反射率变大，进而使声压初始位置的探测光反射光强增大，且探测光反射光强的增大与光声信号的强度成正比，通过探测经过声压初始位置的探测光的强度变化，进行光声信号的检测及成像；
步骤S2：光声探测过程
启动探测光源1，由探测光源1发射探测光，探测光经过光纤隔离器2进入光纤耦合器3，再通过光纤耦合器3分两路输出，一路作为样品光，另一路作为参考光；
样品光首先经过第一准直器4形成平行光，之后经过半透半反镜5的投射被传送到二向色镜7，样品光经过二向色镜7会与激发光合为一束，然后依次经过反射镜8、二维振镜9及透镜10射向样品11，并最终聚焦在样品11内部，样品11的背向散射光原路返回至半透半反镜5，之后被反射进入偏振分光棱镜16中；
参考光首先经过第二准直器13形成平行光，之后经过偏振片14被转化为线偏振光，然后经过1/4波片15并进入偏振分光棱镜16中，其中线偏振光的偏振方向与1/4波片15的光轴夹角为45°；
由偏振分光棱镜16射出的样品光和参考光也分两路输出，一路依次经过第三准直器17和第一多模光纤19进入第一光电探测器21中，形成的干涉信号由第一光电探测器21进行探测，之后将探测到的干涉信号经由第一高通滤波器23进行滤波后传输至计算机25中，最后由计算机25进行数据采集、处理和显示；另一路依次经过第四准直器18和第二多模光纤20进入第二光电探测器22中，形成的干涉信号由第二光电探测器22进行探测，之后将探测到的干涉信号经由第二高通滤波器24进行滤波后传输至计算机25中，最后由计算机25进行数据采集、处理和显示；
激发光源6发射激发光的同时，激发光源6发出的触发信号传输给计算机25，由计算机25进行光声信号的同步采集；
步骤S3：信号解调过程
当参考光经过偏振片14被转化为线偏振光后，线偏振光在经过1/4波片15时，通过1/4波片15会使两个相互正交的偏振分量产生π/2+kπ的相位偏移，进而使两路干涉信号I1(t)和I2(t)产生90°的相位差，且I1(t)和I2(t)的表示式如下：
式中，I1(t)为第一路干涉信号，I2(t)为第二路干涉信号，θ1(t)为由光声效应引起的参考光与探测光之间产生的相位差，θ2为初始相位，Ir(t)为参考光强度，Is(t)为样品光强度；
当两路干涉信号I1(t)和I2(t)经过高通滤波及标定后，可得到如下表达式：
式中，I’1(t)为经过高通滤波及标定后的第一路干涉信号，I’2(t)为经过高通滤波及标定后的第二路干涉信号，θ1(t)为由光声效应引起的参考光与探测光之间产生的相位差，θ2为初始相位，Ir(t)为参考光强度，Is(t)为样品光强度，k1为第一路干涉信号的探测灵敏度系数，k2为第二路干涉信号的探测灵敏度系数；
通过计算机25对两路经过高通滤波及标定后的干涉信号I’1(t)和I’2(t)进行处理，可得到如下表达式：
式中，P为光声信号强度，Is(t)为样品光强度，I’1(t)为经过高通滤波及标定后的第一路干涉信号，I’2(t)为经过高通滤波及标定后的第二路干涉信号，k1为第一路干涉信号的探测灵敏度系数，k2为第二路干涉信号的探测灵敏度系数；
最后由光声信号强度P重建光声图像，采用二维振镜9对样品11目标区域实现二维扫描，在计算机25中实现二维成像。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (2)

1.一种光声成像装置，其特征在于：包括探测光源、光纤隔离器、光纤耦合器、第一准直器、半透半反镜、激发光源、二向色镜、反射镜、二维振镜、透镜、第二准直器、偏振片、1/4波片、偏振分光棱镜、第三准直器、第四准直器、第一多模光纤、第二多模光纤、第一光电探测器、第二光电探测器、第一高通滤波器、第二高通滤波器及计算机；所述激发光源与计算机进行电连接，激发光源发出的激发光直接射向二向色镜；所述探测光源通过光纤隔离器与光纤耦合器进行光连接；所述第一准直器一端通过单模光纤与光纤耦合器进行光连接，第一准直器另一端发出的激光通过半透半反镜射向二向色镜，并依次通过反射镜、二维振镜及透镜射向载物台上盛放的样品；所述半透半反镜的反射光直接射向偏振分光棱镜；所述第二准直器一端通过单模光纤与光纤耦合器进行光连接，第二准直器另一端发出的激光依次通过偏振片和1/4波片射向偏振分光棱镜；所述第三准直器一端与偏振分光棱镜进行光连接，第三准直器另一端发出的激光通过第一多模光纤射向第一光电探测器；所述第一光电探测器通过第一高通滤波器与计算机进行电连接；所述第四准直器一端与偏振分光棱镜进行光连接，第四准直器另一端发出的激光通过第二多模光纤射向第二光电探测器；所述第二光电探测器通过第二高通滤波器与计算机进行电连接。
2.一种光声成像方法，采用了权利要求1所述的光声成像装置，其特征在于包括如下步骤：
步骤S1：光声激发过程
启动激发光源，由激发光源发射激发光，激发光依次经过二向色镜、反射镜、二维振镜及透镜射向样品，并最终聚焦在样品内部，样品吸收激光能量后产生光声压力，光声压力导致样品内部激发点的局部折射率发生变化，光学折射率的变化导致激发点的光学反射率变大，进而使声压初始位置的探测光反射光强增大，且探测光反射光强的增大与光声信号的强度成正比，通过探测经过声压初始位置的探测光的强度变化，进行光声信号的检测及成像；
步骤S2：光声探测过程
启动探测光源，由探测光源发射探测光，探测光经过光纤隔离器进入光纤耦合器，再通过光纤耦合器分两路输出，一路作为样品光，另一路作为参考光；
样品光首先经过第一准直器形成平行光，之后经过半透半反镜的投射被传送到二向色镜，样品光经过二向色镜会与激发光合为一束，然后依次经过反射镜、二维振镜及透镜射向样品，并最终聚焦在样品内部，样品的背向散射光原路返回至半透半反镜，之后被反射进入偏振分光棱镜中；
参考光首先经过第二准直器形成平行光，之后经过偏振片被转化为线偏振光，然后经过1/4波片并进入偏振分光棱镜中，其中线偏振光的偏振方向与1/4波片的光轴夹角为45°；
由偏振分光棱镜射出的样品光和参考光也分两路输出，一路依次经过第三准直器和第一多模光纤进入第一光电探测器中，形成的干涉信号由第一光电探测器进行探测，之后将探测到的干涉信号经由第一高通滤波器进行滤波后传输至计算机中，最后由计算机进行数据采集、处理和显示；另一路依次经过第四准直器和第二多模光纤进入第二光电探测器中，形成的干涉信号由第二光电探测器进行探测，之后将探测到的干涉信号经由第二高通滤波器进行滤波后传输至计算机中，最后由计算机进行数据采集、处理和显示；
激发光源发射激发光的同时，激发光源发出的触发信号传输给计算机，由计算机进行光声信号的同步采集；
步骤S3：信号解调过程
当参考光经过偏振片被转化为线偏振光后，线偏振光在经过1/4波片时，通过1/4波片会使两个相互正交的偏振分量产生π/2+kπ的相位偏移，进而使两路干涉信号I1(t)和I2(t)产生90°的相位差，且I1(t)和I2(t)的表示式如下：
式中，I1(t)为第一路干涉信号，I2(t)为第二路干涉信号，θ1(t)为由光声效应引起的参考光与探测光之间产生的相位差，θ2为初始相位，Ir(t)为参考光强度，Is(t)为样品光强度；
当两路干涉信号I1(t)和I2(t)经过高通滤波及标定后，可得到如下表达式：
式中，I’1(t)为经过高通滤波及标定后的第一路干涉信号，I’2(t)为经过高通滤波及标定后的第二路干涉信号，θ1(t)为由光声效应引起的参考光与探测光之间产生的相位差，θ2为初始相位，Ir(t)为参考光强度，Is(t)为样品光强度，k1为第一路干涉信号的探测灵敏度系数，k2为第二路干涉信号的探测灵敏度系数；
通过计算机对两路经过高通滤波及标定后的干涉信号I’1(t)和I’2(t)进行处理，可得到如下表达式：
式中，P为光声信号强度，Is(t)为样品光强度，I’1(t)为经过高通滤波及标定后的第一路干涉信号，I’2(t)为经过高通滤波及标定后的第二路干涉信号，k1为第一路干涉信号的探测灵敏度系数，k2为第二路干涉信号的探测灵敏度系数；
最后由光声信号强度P重建光声图像，采用二维振镜对样品目标区域实现二维扫描，在计算机中实现二维成像。
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