專利名稱：全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光聲顯微成像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
高分辨的生物組織成像對于了解生物體內(nèi)各種生理過程、監(jiān)測疾病的產(chǎn)生與發(fā)展、臨床早期診斷等領(lǐng)域具有重要的意義，目前常見的高分辨成像模式有光學顯微成像和超聲顯微成像兩種，光學顯微成像如光學相干層析成像、共聚焦顯微成像、雙光子顯微成像等技術(shù)，依賴生物組織的散射或外源熒光信號進行成像，超聲顯微成像依賴生物組織的聲阻抗特性差異進行成像，因此對比度較差。近年來，對于光聲生物組織成像的技術(shù)研究不斷有新的突破，利用短脈沖激光激發(fā)生物組織內(nèi)的吸收體如血液、黑色素等產(chǎn)生超聲信號，通過探測擴散到生物組織表面的超聲信號從而重建出生物組織內(nèi)的吸收體分布，而這些吸收體往往包含了生物組織內(nèi)部豐富的生理病理信息，因此，通過光聲成像可以對生物病變生物組織和正常生物組織獲得比較好的區(qū)分。這種成像方式與傳統(tǒng)的X射線CT、核磁共振成像、超聲成像相比，不僅是非電離輻射，對人體完全無害，而且對病變生物組織具有非常好的對比度。三維高分辨的光聲成像可以對吸收體的分布等信息做出精確表征，因此對生理病理的早期診斷具有重要意義，高空間分辨率的光聲顯微成像系統(tǒng)也逐漸被研發(fā)出來。美國US 20060184042公開了一種暗場反射式光聲顯微成像系統(tǒng)，系統(tǒng)空間分辨率決定于超聲探頭的頻率特性，通過使用高頻探頭可以獲得微米量級高分辨的成像結(jié)果。文獻 Optical-resolution photoacoustic microscopy for in vivo imaging of single capillaries. Optics Letters. 33(9):擬9_931公開了一種光學分辨的光聲顯微成像系統(tǒng)， 通過光學聚焦配合超聲探測的方法實現(xiàn)了 5微米的空間分辨率。在此基礎(chǔ)上，文獻h vivo label-free photoacoustic microscopy of cell nuclei by excitation of DNA and RNA. Optics Letters. 35(24) :4139-4141公開了一種亞波長(幾百個納米)分辨率的光聲顯微成像系統(tǒng)。但是這些系統(tǒng)都是僅對系統(tǒng)的側(cè)向分辨率進行提高，軸向分辨率依然維持在微米量級，因此，這種成像模式無法實現(xiàn)三維的高分辨(納米量級)成像。文獻Total internal reflection photoacoustic detection spectroscopy. Proceedings of SPIE， Vol. 7899 :78993E介紹了一種基于全內(nèi)反射的光聲譜技術(shù)，但這種技術(shù)僅限于對生物組織的的化學分子信息進行分析，不涉及成像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種可以實現(xiàn)三維的高分辨成像的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)及方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)包括激光器、聚焦透鏡、棱鏡、超聲傳感器及成像裝置；所述激光器發(fā)射的激光依次通過所述聚焦透鏡、棱鏡照射在生物組織的界面，從而在所述棱鏡和所述生物組織的界面發(fā)生全內(nèi)反射，并在所述生物組織產(chǎn)生超聲波信號；所述超聲波信號通過所述超聲傳感器傳送至所述成像裝置。進一步地，所述全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)還包括準直透鏡、物鏡；所述聚焦透鏡和所述棱鏡之間依次設(shè)置有所述準直透鏡和所述物鏡。進一步地，所述全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)還包括與所述成像裝置連接的二維平移臺，所述準直透鏡、物鏡、棱鏡及超聲傳感器設(shè)置在所述二維平移臺上。進一步地，所述超聲傳感器放置在所述棱鏡的頂邊或生物組織的界面的底端。進一步地，所述全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)還包括放大器及數(shù)據(jù)采集卡；所述超聲傳感器及成像裝置之間依次設(shè)置有所述放大器及所述數(shù)據(jù)采集卡。進一步地，所述棱鏡是包括兩個平行的平面的棱鏡。本發(fā)明還提供一種全內(nèi)反射式光聲顯微成像方法包括以下步驟步驟10、通過一束短脈沖激光聚焦入射到生物組織的界面，從而在生物組織的界面發(fā)生全內(nèi)反射，在生物組織的界面產(chǎn)生倏逝波，誘導生物組織表面產(chǎn)生超聲信號；步驟20、利用超聲傳感器探測超聲信號，并采集到成像裝置；步驟30、重復步驟10、步驟20，從而重建出生物組織的三維圖像。進一步地，所述脈沖激光波長為300-1000nm。本發(fā)明提供的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)及方法，利用光在生物組織的界面發(fā)生全內(nèi)反射，從而在生物組織的界面產(chǎn)生的倏逝波激發(fā)超聲信號，再通過超聲傳感器探測時域超聲信號，獲得一個位置上的生物組織表面吸收體分布，進而通過線性掃描的方法來獲取生物組織表面的三維吸收體分布信息。


圖1為本發(fā)明實施例提供的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)的示意圖。圖2為本發(fā)明實施例提供的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)的原理示意圖；圖3為本發(fā)明實施例提供的可選的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)的原理示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明提供的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)，其包括激光器1、聚焦透鏡2、光纖3、準直透鏡4-1、物鏡4-2、棱鏡4-3、超聲傳感器4_4、放大器6、數(shù)據(jù)采集卡7、 二維平移臺8及成像裝置9 (可以是計算機)。計算機內(nèi)裝有圖像重建和處理軟件，可以用于圖像重建和后期處理，例如基于Microsoft公司的Visual C++6. 0平臺開發(fā)的自動化圖像重建處理軟件；計算機內(nèi)同時裝有平移臺的掃描控制軟件，用于驅(qū)動平移臺的掃描，例如基于National Instruments公司開發(fā)的LabVIEW平臺開發(fā)的平移臺驅(qū)動軟件。棱鏡是包括兩個平行的平面的棱鏡，可以呈倒梯形、棱柱等形狀。其中，激光器1發(fā)出的激光經(jīng)聚焦透鏡2入射至光纖3。光纖3輸出的光經(jīng)過準直透鏡4-1準直擴束，物鏡4-2聚焦，聚焦光束入射至倒梯形棱鏡4-3，在倒梯形棱鏡4-3與生物組織5的界面發(fā)生全內(nèi)反射，同時在倒梯形棱鏡4-3與生物組織5的界面產(chǎn)生倏逝波，生物組織5的表面的吸收體吸收倏逝波產(chǎn)生超聲信號。超聲信號經(jīng)倒梯形棱鏡4-3傳輸至超聲傳感器4-4，轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)放大器6放大后被數(shù)據(jù)采集卡7采集，送入成像裝置9存儲。準直透鏡4-1、物鏡4-2、倒梯形棱鏡4-3與超聲傳感器4-4固定在一起組成掃描探頭4，放置在二維平移臺8上。二維平移臺8與成像裝置9電氣連接，可在成像裝置9的控制下實現(xiàn)線性掃描。下面結(jié)合圖2、3對本發(fā)明提供的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)的工作原理分別進行說明。如圖2所示，本發(fā)明提供的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)的工作原理為激光器1 發(fā)出的脈沖激光依次經(jīng)聚焦透鏡2、準直透鏡4-1及物鏡4-2入射至放置在生物組織5表面的倒梯形棱鏡4-3內(nèi)部，并在倒梯形棱鏡4-3的底邊發(fā)生全內(nèi)反射；全內(nèi)反射的同時在生物組織5的界面產(chǎn)生倏逝波，生物組織5的表面的吸收體5-1吸收倏逝波產(chǎn)生超聲信號，超聲信號沿倒梯形棱鏡4-3傳輸至超聲傳感器4-4，超聲傳感器4-4接收到的信號經(jīng)放大器6放大后被數(shù)據(jù)采集卡7送入成像裝置9，再在二維平移臺8的帶動下掃描整個生物組織表面， 從而獲得生物組織的三維吸收體分布圖像。如圖2所示，本發(fā)明提供的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)的工作原理為激光器1 發(fā)出的脈沖激光依次經(jīng)聚焦透鏡2、準直透鏡4-1及物鏡4-2入射至放置在生物組織5表面的倒梯形棱鏡4-3內(nèi)部，并在倒梯形棱鏡4-3的底邊發(fā)生全內(nèi)反射；全內(nèi)反射的同時在生物組織的界面產(chǎn)生倏逝波，生物組織5的表面的吸收體5-1吸收倏逝波產(chǎn)生超聲信號，超聲信號沿生物組織5傳輸至放置在生物組織5的底端的超聲傳感器4-4，超聲傳感器4-4接收到的信號經(jīng)放大器6放大后被數(shù)據(jù)采集卡7送入成像裝置9，再在二維平移臺8的帶動下掃描整個生物組織表面，從而獲得生物組織5的三維吸收體分布圖像。選用各構(gòu)件連接組成本裝置，其中激光器1選用美國光譜物理公司生產(chǎn)的 Nd:YAG激光器，輸出532nm的短脈沖激光，也可以配合染料激光器輸出波長為600-1000nm 的短脈沖激光；超聲傳感器4-4選用美國奧林巴斯公司生產(chǎn)的V2022接觸式超聲探頭，具有 75MHz的中心頻率，可以獲得較高的空間分辨率；放大器6選用美國斯坦福儀器研究所生產(chǎn)的SR445A，帶寬為直流到350MHz，可實現(xiàn)最大625的放大倍數(shù)；數(shù)據(jù)采集卡7選用加拿大 Alazartech公司生產(chǎn)的ATS9!350，雙通道最大采樣速率500MSPS ；成像裝置9采用Pentium 3微機；二維平移臺8選用美國aerotech公司生產(chǎn)的ANT95-50-ULTRA，精度和重復定位精度均為納米量級，適合高分辨掃描。本發(fā)明實施例還提供一種全內(nèi)反射式光聲顯微成像方法包括以下步驟步驟10、通過一束短脈沖激光聚焦入射到生物組織的界面，從而在生物組織的界面發(fā)生全內(nèi)反射，在生物組織的界面產(chǎn)生倏逝波，誘導生物組織表面產(chǎn)生超聲信號。脈沖激光波長為300-1000nm。步驟20、利用超聲傳感器探測超聲信號，并采集到成像裝置。步驟30、重復步驟10、步驟20，從而重建出生物組織的三維圖像。以上方法步驟可通過圖1所示的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)實現(xiàn)。本發(fā)明提供的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)及方法具有以下有益效果(1)本發(fā)明利用光聲信號進行生物組織的三維成像，不僅是非電離輻射，而且包含的信息較之單純的超聲信號更多，可以實現(xiàn)生物功能成像。(2)本發(fā)明利用倏逝波檢測生物組織表面的信號，可以獲得高軸向分辨率，從而在三維尺度上實現(xiàn)高分辨成像。(3)本發(fā)明利用超聲信號重建生物組織內(nèi)部信息，通過簡單的更換超聲傳感器可以獲得不同分辨率的系統(tǒng)，無需對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行更改，操作簡單，適應性強。(4)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，造假低廉，易于實現(xiàn)，具有較大的市場推廣前景。最后所應說明的是，以上具體實施方式
僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制， 盡管參照實例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求
1.一種全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)，其特征在于，包括 激光器、聚焦透鏡、棱鏡、超聲傳感器及成像裝置；所述激光器發(fā)射的激光依次通過所述聚焦透鏡、棱鏡照射在生物組織的界面，從而在所述棱鏡和所述生物組織的界面發(fā)生全內(nèi)反射，并在所述生物組織產(chǎn)生超聲波信號； 所述超聲波信號通過所述超聲傳感器傳送至所述成像裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)，其特征在于，還包括 準直透鏡、物鏡；所述聚焦透鏡和所述棱鏡之間依次設(shè)置有所述準直透鏡和所述物鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)，其特征在于，還包括與所述成像裝置連接的二維平移臺，所述準直透鏡、物鏡、棱鏡及超聲傳感器設(shè)置在所述二維平移臺上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)，其特征在于 所述超聲傳感器放置在所述棱鏡的頂邊或生物組織的界面的底端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)，其特征在于，還包括放大器及數(shù)據(jù)采集卡；所述超聲傳感器及成像裝置之間依次設(shè)置有所述放大器及所述數(shù)據(jù)采集卡。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)，其特征在于 所述棱鏡是包括兩個平行的平面的棱鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)，其特征在于 所述棱鏡的形狀呈倒梯形或棱柱。
8.一種全內(nèi)反射式光聲顯微成像方法，其特征在于，包括以下步驟步驟10、通過一束短脈沖激光聚焦入射到生物組織的界面，從而在生物組織的界面發(fā)生全內(nèi)反射，在生物組織的界面產(chǎn)生倏逝波，誘導生物組織表面產(chǎn)生超聲信號； 步驟20、利用超聲傳感器探測超聲信號，并采集到成像裝置； 步驟30、重復步驟10、步驟20，從而重建出生物組織的三維圖像。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于 所述脈沖激光波長為300-1000nm。
全文摘要
本發(fā)明提供全內(nèi)反射式光聲顯微成像系統(tǒng)包括激光器、聚焦透鏡、棱鏡、超聲傳感器及成像裝置；所述激光器發(fā)射的激光依次通過所述聚焦透鏡、棱鏡照射在生物組織的界面，從而在所述棱鏡和所述生物組織的界面發(fā)生全內(nèi)反射，并在所述生物組織產(chǎn)生超聲波信號；所述超聲波信號通過所述超聲傳感器傳送至所述成像裝置。本發(fā)明還提供全內(nèi)反射式光聲顯微成像方法。本發(fā)明提供的全內(nèi)反射式光聲顯微成像方法，利用光在生物組織的界面發(fā)生全內(nèi)反射，從而在生物組織的界面產(chǎn)生的倏逝波激發(fā)超聲信號，再通過超聲傳感器探測時域超聲信號，獲得一個位置上的生物組織表面吸收體分布，進而通過線性掃描的方法來獲取生物組織表面的三維吸收體分布信息。
文檔編號A61B8/08GK102488494SQ20111036273
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月16日
發(fā)明者劉炎炎, 楊孝全, 駱清銘, 龔輝 申請人:華中科技大學