分光瞳共焦-光聲顯微成像裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種分光瞳共焦-光聲顯微成像裝置與方法，屬于共焦顯微成像技術(shù) 和光聲顯微成像技術(shù)領(lǐng)域。 技術(shù)背景
[0002] 共焦顯微成像技術(shù)由于具有光學(xué)領(lǐng)域獨(dú)特的層析成像能力和高空間分辨能力，而 被作為重要的技術(shù)手段在生物醫(yī)學(xué)研宄、物理化學(xué)研宄、材料測(cè)試、微納測(cè)試等領(lǐng)域得到廣 泛的應(yīng)用。但是，現(xiàn)有共焦顯微成像技術(shù)主要采用物體的散射光或熒光來進(jìn)行成像，它獲得 的僅是被觀察物體的結(jié)構(gòu)圖像，無法獲得細(xì)胞或生物大分子的功能圖像，同時(shí)共焦顯微成 像的層析深度僅達(dá)亞毫米量級(jí)。
[0003] 光聲成像是基于光聲信號(hào)以被測(cè)對(duì)象的光學(xué)吸收特性為對(duì)比機(jī)制來進(jìn)行成像，由 于光聲信號(hào)與生物組織的光學(xué)、熱學(xué)和聲學(xué)特性有關(guān)，因而光聲信號(hào)所攜帶的信息量遠(yuǎn)多 于共焦顯微成像中散射光和熒光所攜帶的信息量，因此，光聲成像可實(shí)現(xiàn)生物功能的成像， 即可獲得生物組織的化學(xué)組分及生物學(xué)行為（如生長(zhǎng)、凋亡、代謝、病變、突變等）特征信 息，同時(shí)光聲成像的層析深度可達(dá)厘米量級(jí)。但是，光聲成像的分辨力僅達(dá)10微米，它無法 實(shí)現(xiàn)細(xì)胞水平的結(jié)構(gòu)圖像。
[0004] 若將上述兩種成像技術(shù)結(jié)合在一起，便能利用共焦顯微成像和光聲成像各自的技 術(shù)優(yōu)點(diǎn)對(duì)生物組織進(jìn)行光聲和共焦互補(bǔ)成像，可獲取組織或細(xì)胞的更多的信息，同時(shí)可通 過共焦聚焦提高橫向分辨力，通過超聲時(shí)間探測(cè)進(jìn)一步拓展層析成像深度。
[0005] 基于上述情況，本發(fā)明提出一種具有大工作距和高軸向分辨力的分光瞳共焦-光 聲顯微成像裝置與方法，以期利用生物體后向散射光子來對(duì)生物活體進(jìn)行原位、無創(chuàng)的實(shí) 時(shí)成像。
[0006] 本發(fā)明將分光瞳共焦顯微成像系統(tǒng)與光聲成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能有機(jī)融合，利用 共焦顯微成像系統(tǒng)探測(cè)被測(cè)對(duì)象的成分空間信息，利用光聲顯微成像系統(tǒng)探測(cè)被測(cè)對(duì)象的 成分功能信息，繼而實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象成分空間信息和功能信息的同時(shí)探測(cè)。
[0007] 分光瞳共焦顯微成像系統(tǒng)的采用使共焦-光聲顯微成像裝置在不降低系統(tǒng)軸向 分辨力的前提下大幅增大工作距，便于光學(xué)與光聲成像系統(tǒng)的集成，抑制高散射被測(cè)對(duì)象 焦面雜散光對(duì)共焦顯微成像質(zhì)量的干擾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種分光瞳共焦-光聲顯微成像裝置及方法，以期同時(shí)獲得 被測(cè)對(duì)象成分空間信息和功能信息。
[0009] 本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0010] 本發(fā)明的一種分光瞳共焦-光聲顯微成像裝置，包括點(diǎn)光源系統(tǒng)，依次放置在點(diǎn) 光源出射方向的離軸放置的準(zhǔn)直透鏡、對(duì)稱光軸放置的光學(xué)-光聲共焦點(diǎn)耦合系統(tǒng)和被測(cè) 對(duì)象，還包括放置在被測(cè)對(duì)象背向散射方向來探測(cè)光聲信號(hào)的超聲換能器、離軸放置在被 測(cè)對(duì)象背向散射方向來收集背向散射光強(qiáng)信號(hào)的集光透鏡，以及探測(cè)集光透鏡焦面艾里斑 光強(qiáng)信號(hào)的點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)。
[0011] 本發(fā)明的分光瞳共焦-光聲顯微成像裝置中，光學(xué)-光聲共焦點(diǎn)耦合系統(tǒng)包括對(duì) 稱光軸放置的中空測(cè)量物鏡、鑲嵌在中空測(cè)量物鏡孔下端的聲學(xué)透鏡，且中空測(cè)量物鏡與 聲學(xué)透鏡的共焦點(diǎn)。
[0012] 本發(fā)明的分光瞳共焦-光聲顯微成像裝置中，光學(xué)-光聲共焦點(diǎn)耦合系統(tǒng)還包括 沿光軸方向依次放置的測(cè)量物鏡、超聲換能器陣列和具有柱面聲學(xué)透鏡的波導(dǎo)，且測(cè)量物 鏡與具有柱面聲學(xué)透鏡的波導(dǎo)的共焦點(diǎn)。
[0013] 本發(fā)明的分光瞳共焦-光聲顯微成像裝置中，點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)包括放置在集光透鏡焦 點(diǎn)上的探測(cè)針孔，以及放在探測(cè)針孔后用于探測(cè)艾里斑微區(qū)光強(qiáng)的光強(qiáng)探測(cè)器。
[0014] 本發(fā)明的分光瞳共焦-光聲顯微成像裝置中，點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)還可以是放置在集光透 鏡焦點(diǎn)處來探測(cè)艾里斑微區(qū)光強(qiáng)的光纖點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)。
[0015] 本發(fā)明分光瞳共焦-光聲顯微成像裝置中，點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)還可以包括用于放大集光 透鏡焦斑的中繼放大透鏡、位于中繼放大透鏡焦面上來探測(cè)艾里斑微區(qū)光強(qiáng)的CCD探測(cè) 器。
[0016] 本發(fā)明分光瞳共焦-光聲顯微成像裝置中，點(diǎn)光源系統(tǒng)可以由脈沖激光器、放置 在激光出射方向的聚焦透鏡和放置在聚焦透鏡焦點(diǎn)處的針孔構(gòu)成；其中，脈沖激光器（15) 的波長(zhǎng)、脈寬和重復(fù)頻率可根據(jù)需要選擇。
[0017] 本發(fā)明的一種分光瞳共焦-光聲顯微成像方法，包括以下步驟：
[0018] 步驟一、打開點(diǎn)光源系統(tǒng)，使點(diǎn)光源出射的光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡和光學(xué)-光聲共焦點(diǎn) 耦合系統(tǒng)后聚焦到被測(cè)對(duì)象上激發(fā)出光聲信號(hào)和光強(qiáng)信號(hào)。
[0019] 步驟二、利用聲學(xué)透鏡和超聲換能器來收集和探測(cè)光聲信號(hào)，用于表征被測(cè)對(duì)象 的生物功能信息；
[0020] 步驟三、利用光學(xué)-光聲共焦點(diǎn)耦合系統(tǒng)、集光透鏡將被測(cè)對(duì)象的散射光聚焦在 位于集光透鏡焦面上的探測(cè)針孔上，位于探測(cè)針孔后的光強(qiáng)探測(cè)器探測(cè)針孔出射的艾里斑 微區(qū)光強(qiáng)的分光瞳共焦信號(hào)，用于表征被測(cè)對(duì)象的結(jié)構(gòu)圖像信息；
[0021] 步驟四、計(jì)算機(jī)通過二維掃描振鏡和軸向物鏡掃描系統(tǒng)來控制聚焦光束對(duì)被測(cè)對(duì) 象進(jìn)行三維層析掃描，來對(duì)被測(cè)對(duì)象激發(fā)出的光聲信號(hào)和光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行三維實(shí)時(shí)層析探測(cè) 成像；
[0022] 步驟五、計(jì)算機(jī)對(duì)探測(cè)的被測(cè)對(duì)象的光聲信號(hào)與光強(qiáng)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，即 可實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象成分空間信息和功能信息的原位、無創(chuàng)成像。
[0023] 本發(fā)明的分光瞳共焦-光聲顯微成像方法中，步驟三還可為：利用光學(xué)-光聲共 焦點(diǎn)耦合系統(tǒng)、集光透鏡將被測(cè)對(duì)象的散射光聚焦在位于集光透鏡焦點(diǎn)處的光纖點(diǎn)探測(cè)系 統(tǒng)，光纖點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)用于探測(cè)艾里斑微區(qū)光強(qiáng)的分光瞳共焦信號(hào)，用于表征被測(cè)對(duì)象的結(jié) 構(gòu)圖像信息。
[0024] 本發(fā)明分光瞳共焦-光聲顯微成像方法中，步驟三還可為：利用光學(xué)-光聲共焦點(diǎn) 耦合系統(tǒng)、集光透鏡、中繼放大透鏡將被測(cè)對(duì)象的散射光聚焦在位于中繼放大透鏡焦面上 的CCD探測(cè)器上，計(jì)算機(jī)將CCD探測(cè)器探測(cè)面上的放大艾里斑分割為艾里斑微區(qū)并進(jìn)行強(qiáng) 度探測(cè)得到分光瞳共焦信號(hào)，用于表征被測(cè)對(duì)象的結(jié)構(gòu)圖像信息。
[0025] 有益效果
[0026] 本發(fā)明對(duì)比已有技術(shù)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0027] 1)本發(fā)明基于斜入射的激光共焦顯微成像系統(tǒng)，使激發(fā)光照射區(qū)域與超聲探頭檢 測(cè)區(qū)域相重合，用同一激發(fā)光源通過斜入射照射方式同時(shí)激發(fā)出光聲和熒光信號(hào)，以期實(shí) 現(xiàn)光聲和熒光的同時(shí)雙成像，可獲得了單模式方式難以獲得的信息；
[0028] 2)斜入射的激光共焦成像技術(shù)，在不降低軸向分辨力的前提下，可大幅增加成像 系統(tǒng)的工作距，使共焦顯微成像系統(tǒng)與光聲成像系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上更易于集成，便于生物活體 成分結(jié)構(gòu)信息和功能信息的原位、無創(chuàng)、實(shí)時(shí)成像；
[0029] 3)在不引入高數(shù)值孔徑的物鏡的條件下，利用低數(shù)值孔徑的物鏡即可提高共焦系 統(tǒng)的軸向分辨力，擴(kuò)展了共焦顯微系統(tǒng)的工作距離，更易于測(cè)量裝置的實(shí)現(xiàn)小型化；
[0030] 4)斜入射的激光共焦成像技術(shù)可抑制焦面上生物被測(cè)對(duì)象雜散光對(duì)共焦顯微成 像質(zhì)量的干擾等。
【附圖說明】
[0031] 圖1.分光瞳共焦-光聲顯微成像裝置；
[0032] 圖2.分光瞳共焦-光聲顯微成像裝置；
[0033] 圖3.分光瞳共焦-光聲顯微成像裝置；
[0034] 圖4.分光瞳共焦-光聲顯微成像裝置實(shí)施例；
[0035] 圖5.分光瞳共焦顯微結(jié)構(gòu)不意圖；
[0036] 圖6.分光瞳共焦顯微成像與共焦顯微成像軸向分辨力比較。
[0037] 其中：1_點(diǎn)光源系統(tǒng)、2-準(zhǔn)直透鏡、3-光學(xué)-光聲共焦點(diǎn)耦合系統(tǒng)、4-被測(cè)對(duì)象、 5-中空測(cè)量物鏡、6-聲學(xué)透鏡、7-點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)、8-超聲換能器、9-集光透鏡、10-艾里斑、 11-探測(cè)針孔、12-艾里斑微區(qū)、13-分光瞳共焦信號(hào)、14-光強(qiáng)探測(cè)器、15-脈沖激光器、 16-聚焦透鏡、17-針孔、18-光纖出射點(diǎn)光源、19-光纖點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)、20-中繼放大透鏡、 21-放大艾里斑、22-C⑶探測(cè)器、23-測(cè)量物鏡、24-超聲換能器陣列、25-具有柱面聲學(xué)透 鏡的波導(dǎo)、26-超聲信號(hào)探測(cè)電路系統(tǒng)、27-計(jì)算機(jī)、28-光強(qiáng)信號(hào)采集系統(tǒng)、29-二維掃描振 鏡、30-軸向物鏡掃描系統(tǒng)、31-斜入射激發(fā)光束、32-斜出射被測(cè)對(duì)象散射光、33-照明光學(xué) 系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF)、34_收集光學(xué)系統(tǒng)PSF、35-系統(tǒng)合成PSF、36-仿真分光瞳共焦軸向 特性曲線、37-仿真普通單軸共焦軸向特性曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0039] 實(shí)施例1
[0040] 本發(fā)明實(shí)施例基于圖4所示的分光瞳共焦-光聲顯微成像裝置，包括脈沖激光器 15、聚焦透鏡16和針孔17構(gòu)成的點(diǎn)光源系統(tǒng)1，依次放置