一种光声超声双模式高分辨显微成像系统及方法技术方案

一种光声超声双模式高分辨显微成像系统及方法，包括脉冲激光发生器、超声探头、超声波发生器、数字延时器、三维扫描器、采集卡。三维扫描器带着超声探头在横向上移动一歩会发出位置同步信号，该信号触发脉冲激光发生器发出激光脉冲，通过物镜强聚焦激发光声信号；同时该同步信号接入数字延时器进行延时，输出信号触发超声波发生器，产生高频超声信号，经超声探头强聚焦在样品上，从而获得较高横向分辨率；最后光声信号和超声信号经放大后被采集卡先后依次采集。本发明专利技术实现光声和超声双模式的高分辨成像，拓展了系统的使用范围。

【技术实现步骤摘要】
一种光声超声双模式高分辨显微成像系统及方法
本专利技术涉及光声显微成像领域，特别是涉及一种光声超声双模式高分辨显微成像系统。
技术介绍
光声成像是近期得到快速发展的一项新的成像技术。其原理为用脉冲激光照射样本，样本被激光照射后会瞬间温升并产生热弹性膨胀，这时样本会发出超声波，超声波信息被探测器收集到后就能够用重建算法成像。这个方法同时结合声、光学成像的优点，具有高对比度、高空间分辨率特性。光声成像已被广泛应用于生物医学的各个研究领域。光声显微成像作为光声成像的重要分支，拥有较高的空间分辨率，能够实现从细胞到组织的多尺度成像。根据分辨率的不同，可分为光学分辨光声显微成像系统和声学分辨光声显微成像系统。在光学分辨光声显微成像系统中，光焦点远远小于声焦点，横向分辨率取决于光焦点的大小，通常能达到几微米级别；而在声学分辨光声显微成像系统中，声焦点远远小于光焦点，横向分辨率由声焦点决定，通常在几十微米级别。超声成像技术是一种在临床上应用比较成熟的技术。其成像原理是由于组织之间声学特性存在差异，超声信号会在组织界面发生折射、反射、衍射、散射等物理特性。根据回波信号到达探头的时间来判定目标的位置，回波的强度来分析目标的性质，通过后续图像处理形成超声图像。超声成像具有较高的软组织分辨、无损非侵入式、穿透性高等优点。但超声也存在着不足之处，一是获得的图像由于噪声影响对比度不高；而是由于声阻抗是差异是超声成像的基础，超声成像只能做到界面反射成像(获取表面轮廓等形貌信息)。而光声成像是基于光吸收的成像，对比度高，能够对组织内部吸收体进行很好的成像。因此超声成像和光声成像的结合将形成优势互补，更好地实现结构和功能的成像。但目前光声超声双模式成像普遍存在空间分辨率低的问题，特别是超声成像中很难将横向分辨率提升至毛细血管尺寸级别。Kolkman等人在商业超声成像系统基础上改造的光声超声成像系统，其超声信号接收和产生通过一个128阵元的超声换能器阵列实现，激发光声信号的光源采用的是宽场均匀光照，其空间分辨率在百微米级别，无法对毛细血管(尺寸在5-10微米)进行成像。TylerHarrison等也开发了一套共轴共焦系统，该系统单个聚焦性超声探头置于中间，光束通过棱镜形成一个环形光束，并聚焦在样品上，该系统光声成像横向分辨率约为180微米，超声成像中横向分辨率约为140微米。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是为了克服现有技术中的光声超声双模式显微成像系统中空间分辨率低的问题，提供一种能够获得分辨率在毛细血管尺寸级别的高分辨光声超声显微成像系统。一种光声超声双模式高分辨显微成像系统，主要包括脉冲激光发生器、超声探头、数字延时器、超声波发生器、采集卡、工作站、三维扫描器；所述脉冲激光发生器和工作站、三维扫描器电性连接；所述工作站和脉冲激光发生器、采集卡、三维扫描器电性连接。一种光声超声双模式高分辨显微成像方法，包括：S1：三维扫描器19载着超声探头在工作站14的控制下在横向上移动一个步距，同时三维扫描器19输出一个位置同步信号；S2：位置同步信号触发脉冲激光发生器1发出激光脉冲，最终被物镜5聚焦在样品6上，形成光焦点，激发产生光声信号，被超声探头接收后，通过放大器12放大，最终被采集卡13采集；S3：位置同步信号同时送至数字延时器10，数字延时器10设置延时，输出信号触发超声波发生器11输出电信号至超声探头，发出一定频率的超声信号，并聚焦在样品6上，回波超声信号再次被超声探头接收通过放大器12方法，最终被采集卡13采集；S4：重复前面步骤进行二维光栅扫描获取三维数据。优选的，S1中所述超声探头由声光耦合棱镜8和超声换能器9组成；所述位置同步信号为方波信号。优选的，S2中物镜5应为长工作距离物镜，其工作距离应该长于声光耦合棱镜8的长度，所述光焦点大小决定了光声成像的横向分辨率，为0.61λNA,λ为激光波长，NA为物镜数值孔径。优选的，S3中所述数字延时器的延时大小应满足：超声信号应在光声信号被采集卡采集完之后由超声波发生器激励超声探头产生，以保证光声信号和超声信号不互相干扰。延时Δt应大于光声信号在超声探头传播的时间。光声信号在超声探头中传播的时间包括三部分，分别是处于水中的焦点到声光耦合棱镜(8)的传播、声光耦合棱镜中的传播以及超声换能器的延时。优选的，所述的超声信号被聚焦在样品上，是通过声光耦合棱镜(8)底部的曲率半径为R的凹状球面声透镜聚焦的。声焦点大小为1.22vsF/(fD)，其中vs为水中的声速、F为声透镜的有效焦距、f为超声信号的中心频率、D为声透镜的孔径大小，其中有效焦距F计算为F＝R/(1-vs/vl)，vl为声光耦合棱镜的声速。优选的，由于超声成像中横向分辨率取决于声焦点的大小，因此，为实现高分辨率，所述超声信号的频率不能太低也不能太高。超声信号频率太低超声成像中横向分辨率较差，太高会由于较大的衰减而无法成像。一般设置为50MHz-100MHz此时，声焦点大小可小于20微米。S4中使用三维扫描器进行二维光栅扫描，优选的，扫描步距大小应和光焦点大小相当。本专利技术主要是使用三维扫描器在扫描的每一步分别触发脉冲激光发生器和超声波发生器进行光声成像和超声成像，并通过自制的声光耦合棱镜和物镜分别对超声波和激光束进行强聚焦，从而获得双模式的毛细血管尺寸级别的横向分辨率。该系统的研制拓展了光声超声双模式成像的应用范围，使其能在更精细的尺度上进行多模式结构和功能的分析。附图说明图1为本专利技术实施例中的一种光声超声双模式高分辨显微成像系统结构示意图。图中：1、脉冲激光发生器；2、第一聚光透镜；3、单模光纤；4、第二聚光透镜；5、物镜；6、样品；7、水槽；8、声光耦合棱镜；9、超声换能器；10、数字延时器；11、超声波发生器；12、放大器；13、采集卡；14、工作站；19、三维扫描器。具体实施方式为了便于理解本专利技术，下面将参照相关附图对本专利技术进行更全面的描述。附图中给出了本专利技术的较佳实施例。但是，本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本专利技术的公开内容的理解更加透彻全面。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本专利技术。实施例1图1为本专利技术整套成像系统的原理结构示意图。该系统的主要器件包括脉冲激光发生器1、第一聚光透镜2、单模光纤3、第二聚光透镜4、物镜5、样品6、水槽7、声光耦合棱镜8、超声换能器9、数字延时器10、超声波发生器11、放大器12、采集卡13、工作站14、三维扫描器19构成。脉冲激光发生器1用于发射波长为523纳米，脉宽为9纳秒，重复频率为1KHz的激光束，激光出射后通过第一聚光透镜2耦合进芯径为4微米的单模光纤3，经本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光声超声双模式高分辨显微成像系统，主要包括脉冲激光发生器(1)、超声探头、数字延时器(10)、超声波发生器(11)、采集卡(13)、工作站(14)、三维扫描器(19)；/n所述脉冲激光发生器(1)和工作站(14)、三维扫描器(19)电性连接；/n所述工作站(14)和脉冲激光发生器(1)、采集卡(13)、三维扫描器(19)电性连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种光声超声双模式高分辨显微成像系统，主要包括脉冲激光发生器(1)、超声探头、数字延时器(10)、超声波发生器(11)、采集卡(13)、工作站(14)、三维扫描器(19)；
所述脉冲激光发生器(1)和工作站(14)、三维扫描器(19)电性连接；
所述工作站(14)和脉冲激光发生器(1)、采集卡(13)、三维扫描器(19)电性连接。


2.一种光声超声双模式高分辨显微成像方法，包括：
S1：三维扫描器(19)载着超声探头在工作站(14)的控制下在横向上移动一个步距，同时三维扫描器(19)输出一个位置同步信号；
S2：位置同步信号触发脉冲激光发生器(1)发出激光脉冲，最终被物镜(5)聚焦在样品(6)上，形成光焦点，激发产生光声信号，被超声探头接收后，通过放大器(12)放大，最终被采集卡(13)采集；
S3：位置同步信号同时送至数字延时器(10)，数字延时器(10)设置延时，输出信号触发超声波发生器(11)输出电信号至超声探头，发出一定频率的超声信号，并聚焦在样品(6)上，回波超声信号再次被超声探头接收通过放大器(12)方法，最终被采集卡(13)采集；
S4：重复前面步骤进行二维光栅扫描获取三维数据。


3.根据权利要求2所述的一种光声超声双模式高分辨显微成像方法，其特征在于，
S1中所述超声探头由声光耦合棱镜(8)和超声换能器(9)组成；
所述位置同步信号为方波信号。


4.根据权利要求2所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋贤林，魏剑霜，王玉皞，周辉林，宋玲芳，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：江西;36