单源光声遥感器（SS-PARS）制造技术

一种用于对样本中的子表面结构进行成像的光声遥感系统，包括恰好一个激光源、光学系统、检测器以及处理器，该恰好一个激光源被配置成产生脉冲或强度调制的激励光束，该激励光束被配置成在激励位置处在该样本中产生超声压力信号，以及在激励位置产生入射在样本上的询问光束，从样本返回的询问光束的一部分指示产生的超声压力信号，光学系统被配置成用于将激励光束和询问光束聚焦在样本的表面下方，检测器被配置成检测询问光束的返回部分，处理器被配置成基于从样本的表面下方检测到的询问光束的返回部分的强度调制来计算样本的图像。光束的返回部分的强度调制来计算样本的图像。光束的返回部分的强度调制来计算样本的图像。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】单源光声遥感器（SS
‑
PARS）
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利申请根据35U.S.C.
§
119要求于2019年3月15日提交的U.S. 临时专利申请第62/818,967号的优先权的权益，其全部内容通过引用结合于此。


[0003]本专利技术涉及光学成像领域，并且具体地涉及一种用于体内、离体或体外的生物组织进行非接触成像的基于激光的方法和系统。

技术介绍

[0004]本文中阐述的美国专利和专利公开的全部内容通过引用明确地并入。
[0005]光声成像技术表示一种强大的模态家族，能够使光散射介质内的光学吸收对比度可视化。通常，在纳秒或皮秒范围内的短光脉冲被射入样本中，在该样本中，这些短光脉冲优先被特定物质吸收。这种光能的吸收进而产生局部热量，该局部热量产生被称为初始压力的局部压力升高。常规的光声技术然后将记录从这些初始压力产生的传播超声波，这些初始压力远离原始源一定距离，通常在样本的外表面处。
[0006]光声模态出现在各种实施例中，但是可以被分成三个更大的家族：光声层析成像(PAT)、声分辨率光声显微镜(AR
‑
PAM)和光分辨率光声显微镜(OR
‑
PAM)。PAT装置在结构上倾向于类似于常规的超声成像系统，其由添加了光学递送机构(诸如光导)以将激励光引导到样本中的声学换能器阵列组成。在激励事件之后，沿着声学阵列记录多个声学信号，并且稍后被处理以重建指示局部光吸收的声源的原始分布。PAT倾向于提供优异的穿透深度(>5cm)但分辨率有限(～500um)。AR
‑
PAM装置倾向于由单个聚焦声学换能器和未聚焦激励光束组成。通过以单个图像所需的多个激励捕获事件移动整个样本中的换能器的焦点来逐点采集图像。 AR
‑
PAM倾向于提供比PAT降低的穿透深度，其中具有由声学衍射极限结合的进一步改进的分辨率特性。OR
‑
PAM利用聚焦激励，并且通常还利用聚焦换能器，以在牺牲穿透深度(约1mm，通过光学扩散结合)时提供更紧密的分辨率特性(＜30um)。
[0007]光声模态在对多种内源性体内靶标进行成像方面已经证明是有效的。这些包括但不限于从大血管到微血管的血管结构、利用DNA的紫外线吸收的细胞结构、富含脂质斑块的可视化、功能成像(包括血氧饱和度分布的可视化和氧代谢的可视化，仅举几例)。同样，光声模态能够对多种造影剂成像，这些造影剂可以被优先地标记到所希望的目标，否则这些目标不提供内源性对比度。然而，由于常规的光声技术需要物理耦合至样本，所以它们不适用于各种各样的临床应用，诸如烧伤诊断、互操作成像、伤口愈合的监测以及许多内窥镜手术等。
[0008]先前对产生非接触式光声模态的尝试未能提供有效的体内可视化能力并且仅已证明理想化幻影内的结构恢复。所有这些努力旨在通过某种干涉技术来检测样本的某个外表面处的光声声波。在(格顿(Gurton)等人，美国专利申请第2014/0185055号)中提出了一个示例，提供了30μm的横向分辨率。在(鲁塞亚(Rousseau)等人，美国专利申请第2012/
0200845 号)中描述了名称为“生物组织检查方法和系统”的另一种系统。
[0009]最近，报道了被称为光声遥感(PARS)显微镜的有效的体内非接触光声模态(哈吉雷扎(Haji Reza)等人的美国专利申请第2016/0113507 号和哈吉雷扎等人的美国专利申请第2017/0215738号)。该技术解决了先前努力所面临的许多敏感性问题。PARS不是通过表面振荡来推断声学信号，而是监测被共聚焦到激励点的次级探测射束的背反射强度。大的光声初始压力进而通过弹性光学效应对激励区域内的光学特性产生重大的扰动。这种感测方法没有干涉效应，并且因此提供了很大的益处，即更能容忍系统内和样本内的小扰动，并且收集从样本返回的更大百分比的光子以提高灵敏度。PARS已经证明体内功能性成像能力，并且特征在于衍射限制的光学分辨率。PARS显微镜需要使用两个单独的光源，通常需要使用多个波长。这可能由于所使用的任何折射光学器件内和样本本身内的色差而导致问题。这些像差可以使得多个焦点的共对准具有挑战性，并且在一些情况下不可能在宽的光学扫描上保持。
[0010]本公开的实施例涉及一种PARS显微镜，其没有或基本上没有不需要的色彩效果。这样的架构可以通过确保激励和检测之间的理想共聚焦和通过使用可以限制时间曝光的脉冲检测来在减少光学曝光方面提供益处。当与PARS相比时，SS
‑
PARS可以更成本有效地制造，因为其不需要辅助检测源。同样，通过使用脉冲检测，SS
‑
PARS可以比PARS提供进一步成像速度改进，其中通过缩短询问时间使用连续波检测。在一些实施例中， SS
‑
PARS利用单个(即，仅一个或恰好一个)光源用于激励和检测过程两者。然而，出于将在稍后章节中讨论的原因，本实施方式出现了大量的技术挑战，这在本公开中得以解决。

技术实现思路

[0011]根据一方面，提供了一种用于对样本中的子表面结构进行成像的光声遥感系统(PARS)，该系统被称为单源光声遥感(SS
‑
PARS)显微术，其使用单个(例如，恰好一个或仅一个)光源路径来提供非接触式光吸收对比度。这可以通过使用脉冲光源来实现，该脉冲光源被分成两个或更多个脉冲，这些脉冲相对于彼此被延迟和衰减，从而允许同一源既激励样本又检测所生成的PARS信号。这在系统成本、消除或减少色度效应、连同减少的样本光学曝光和改进的信号保真度方面提供了优于常规PARS的若干益处，因为它可以利用脉冲检测。该系统可包括：脉冲激励光束，该脉冲激励光束被配置成用于在激励位置处在样本路径中产生超声信号，从样本返回的激励光束的一部分指示所产生的超声信号；分束器，该分束器用于分裂激励路径；光延迟线，该光延迟线用于将一个脉冲相对于另一个脉冲进行延迟和衰减；以及处理单元，该处理单元用于解释所收集的结果。激励光束和询问光束可以聚焦在样本的表面下方。光束的聚焦深度没有特别限制，例如，可以在样本表面以下50nm至8mm。
[0012]根据另一个方面，提供了一种内窥镜SS
‑
PARS，其在灵敏度和精确度方面可以提供比内窥镜PARS显著改善的特性。内窥镜SS
‑
PARS可以包括脉冲激励光束，该脉冲激励光束被配置用于在样本路径中在激励位置处产生超声信号，从样本返回的激励光束的一部分指示所产生的超声信号；分束器，该分束器用于分裂激励路径；光延迟线，该光延迟线用于将一个脉冲相对于另一个脉冲进行延迟和衰减；光缆，该光缆具有输入端和检测端；处理单元，该处理单元用于解释采集的结果。
[0013]对于SS
‑
PARS的其他实施例，激励源可包括脉冲式或CW和调制的单个源或多个源。
激励源可以是窄带的并且可以覆盖宽范围的波长或单独提供较宽光谱的宽带。这种本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于对样本中的子表面结构进行成像的光声遥感系统，包括：恰好一个激光源，所述恰好一个激光源被配置成用于产生脉冲或强度调制的激励光束，所述激励光束被配置成用于在激励位置处在所述样本中产生超声压力信号；其中所述恰好一个激光源还被配置成在所述激励位置处产生入射在所述样本上的询问光束，从该样本返回的所述询问光束的一部分指示所述产生的超声压力信号；光学系统，所述光学系统被配置成将所述激励光束或所述询问光束聚焦在所述样本的表面下方；检测器，所述检测器被配置成检测所述询问光束的返回部分；以及处理器，所述处理器被配置成基于从所述样本的表面下方检测到的所述询问光束的返回部分的强度调制来计算所述样本的图像。2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：分束器，所述分束器被配置为将所述恰好一个激光源的输出分成所述脉冲或强度调制的激励光束和所述询问光束；以及光延迟线，所述光延迟线被配置为相对于所述脉冲或强度调制的激励光束延迟和衰减所述询问光束。3.根据权利要求2所述的系统，进一步包括合束器，所述合束器被配置为组合所述脉冲或强度调制的激励光束和所述延迟和衰减的询问光束。4.根据权利要求2所述的系统，其中，在所述分束器与合束器之间，所述延迟和衰减的询问光束沿着比所述脉冲或强度调制的激励光束更长的光路行进。5.根据权利要求3所述的系统，进一步包括第二分束器，该第二分束器被配置成将所述询问光束引导到光衰减器以减少所述样本上的表面辐射。6.根据权利要求5所述的系统，其中，在所述询问光束穿过所述光衰减器之后，所述询问光束和所述激励光束在第二合束器处组合。7.根据权利要求6所述的系统，其中，在通过所述第二合束器之后，组合的所述询问光束和激励光束被配置为通过四分之一波片以将其偏振圆化。8.根据权利要求7所述的系统，其中，在通过所述四分之一波片之后，组合的所述询问光束和激励光束被引导到所述光学系统。9.根据权利要求2所述的系统，其中，所述分束器是偏振分束器。10.根据权利要求1所述的系统，进一步包括非线性光学器件，所述非线性光学器件被配置成用于产生或修改光束特性。11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述光束特性包括波长和/或脉冲宽度。12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统用于以下应用中的一项或更多项：组织学样本成像；细胞核成像；蛋白质成像；DNA成像；RNA成像；脂质成像；
血氧饱和度的成像；肿瘤缺氧的成像；伤口愈合、烧伤诊断或手术的成像；微循环的成像；血氧参数成像；评估流入和流出组织区域的血管中的血流量；分子特异性靶标的成像；用于临床前肿瘤模型的血管生成成像；微循环和宏循环以及色素细胞的临床成像；眼睛的成像；增加或替换荧光素血管造影术；皮肤病灶成像；黑色素瘤成像；基底细胞癌成像；血管瘤成像；银屑病成像；湿疹成像；皮炎成像；莫氏外科手术成像；用于验证肿瘤边缘切除的成像；外周血管疾病成像；糖尿病和/或压疮成像；烧伤成像；整形外科手术；显微外科手术；循环肿瘤细胞的成像；黑色素瘤细胞成像；淋巴结血管生成成像；对光动力疗法的成像响应；对具有血管消融机制的光动力疗法的成像响应；对化疗的成像响应；对抗血管生成药物的成像响应；对放射疗法的成像响应；使用多波长光声激励来评估氧饱和度；在不能使用脉搏血氧仪的情况下评估...

【专利技术属性】
技术研发人员：帕尔森，
申请(专利权)人：易路美索尼克股份有限公司，
类型：发明
国别省市：