一种声学分辨率光声显微系统的制作方法

本发明属于光学成像技术领域，尤其涉及一种声学分辨率光声显微系统。

背景技术：

光学成像技术是当前各类生物医学影像技术中发展最为迅速的分支之一，相比其他医学成像手段，如x线成像、计算机断层成像、正电子发射断层成像、超声成像、磁共振成像、荧光共聚焦和双光子荧光成像等，光学成像技术在分辨率、化学特异性、灵敏度、安全性等某个或多个方面分别具有优势。但光学方法最大的局限性在于其组织穿透深度有限，而光声成像技术的出现，很好地克服了这一问题。

光声成像技术是在用脉冲的激光照射生物样品后，能量会被样品内部的组织迅速吸收，组织会受热膨胀形成瞬时压力，产生一个宽带的超声波信号(通常带宽在几十甚至上百mhz)，被称作光声信号。光声信号将穿过组织向外传输，可被放置在样品外侧的超声换能器探测得到，根据组织的吸收光谱和激光器的波长得到组织的成分，根据光声信号到达换能器的时间计算出相应的深度信息。这样就得到组织内部轴向方向(沿激光光束方向)的组织成分与深度信息，随着对生物样品的x-y平面逐点扫描，就可以获得该区域的3d影像。

在生物组织中，若成像深度小于光学平均自由行程时(约1mm)时，可以将激光束聚焦到几个微米尺度甚至纳米量级的微小焦斑上，这一焦斑尺寸已经接近或者达到光学的衍射极限；如果要达到同样微小的焦斑尺寸，声学信号的中心频率至少需要几百mhz以上，在如此高频下，超声波信号只能在生物组织中传播几百微米。因此在深度小于1mm的组织表层，光学聚焦性能优于声学聚焦，当光学焦点小于声学焦点时，光学显微镜的侧向分辨率取决于光学焦点的大小，这样的光声显微系统称之为具有光学分辨率的光声显微系统(or-pam)，其分辨率最高可达到纳米级。

在生物组织中，若成像深度大于1mm而达到几十个mm时，由于生物组织中强烈的光学散射，激光束不能被有效地在这一深度下聚焦，但是超声波却能够在这一深度下有效地聚焦。这种情况下，声学焦点小于光学焦点，光声显微镜的侧向分辨率主要取决于声学焦斑的大小，这样的光声显微系统称之为具有声学分辨率的光声显微系统(即声分辨光声显微系统ar-pam)，其可以在几个毫米到几十个毫米的成像深度上获得几十微米到几百微米的侧向分辨率。如图1所示，为ar-pam系统工作原理图。

如图3所示，传统的ar-pam系统由于采用单个系统放置单个超声换能器聚光镜，实现单个成像分辨率和成像深度的成像系统，当每次要实现不同成像分辨率和成像深度的功能时，就必须把系统上现有频率的超声换能器和聚光镜取下系统，更换成另一频率的超声换能器。因此，传统的ar-pam系统仅适用于单个成像分辨率，当需要使用多个成像分辨率时，操作非常复杂。

技术实现要素：

本发明提供了一种声学分辨率光声显微系统，旨在解决现有的声学分辨率光声显微系统仅适用于单个成像分辨率，操作复杂的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种声学分辨率光声显微系统，所述系统包括固定支架、准直透镜、锥透镜、聚光镜夹具以及多个不同频率的超声换能器聚光镜；

所述聚光镜夹具设置有多个夹持孔，所述多个夹持孔上分别安装有所述不同频率的超声换能器聚光镜；

所述准直透镜安装于所述锥透镜的上方，所述锥透镜和所述聚光镜夹具分别与所述固定支架连接。

进一步地，所述系统还包括聚光镜调节架，则所述聚光镜夹具通过所述聚光镜调节架与所述固定支架连接；所述聚光镜调节架由x轴和y轴组成，且所述x轴和y轴上分别设置有滑轮，所述x轴安装于所述y轴的滑轮上，所述聚光镜夹具安装于所述x轴的滑轮上，以便所述聚光镜夹具实现在x轴和y轴方向上分别运动；所述y轴固定于所述固定支架上。

进一步地，，所述系统还包括锥透镜调节架，则所述锥透镜通过所述锥透镜调节架与所述固定支架连接；

所述锥透镜调节架由x轴和z轴组成，且所述z轴上设置有滑轮，所述x轴一端安装于所述z轴的滑轮上，所述锥透镜安装于所述x轴的另一端，以便所述锥透镜实现在z轴方向上运动；所述z轴固定于所述固定支架上。

进一步地，，所述锥透镜调节架的x轴和z轴连接处设置有固定装置，用于在完成对所述锥透镜在z轴方向上的调节之后，利用所述固定装置对所述锥透镜在z轴方向上的位置进行固定。

进一步地，，所述聚光镜夹具上的多个夹持孔的圆心位于同一水平线上。所述聚光镜夹具上每相邻两个夹持孔的圆心的间距相等。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明提供了一种声学分辨率光声显微系统，该系统包括固定支架、准直透镜、锥透镜、聚光镜夹具以及多个不同频率的超声换能器聚光镜，聚光镜夹具设置有多个夹持孔，该多个夹持孔上分别安装有不同频率的超声换能器聚光镜。利用本系统所提供的聚光镜夹具，将多个不同频率的超声换能器聚光镜集成在了同一个ar-pam系统里，从而实现不同频率换能器的快速切换。

附图说明

图1是本发明提供的声学分辨率光声显微成像原理示意图；

图2是本发明提供的传统ar-pam系统的不同超声换能器之间的切换以及调节光声共轴的工作示意图；

图3是本发明提供的传统ar-pam系统末端光路锥透镜卡槽位置示意图；

图4是本发明提供的一种声学分辨率光声显微系统示意图；

图5a是本发明提供的一种声学分辨率光声显微系统中聚光镜夹具40的示意图；

图5b是本发明提供的一种声学分辨率光声显微系统中聚光镜夹具40的又一示意图；

图6是本发明提供的一种声学分辨率光声显微系统又一示意图；

图7是本发明提供的光焦点明暗场聚焦示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

作为本发明的第一个实施例，如图4所示，本发明提供的一种声学分辨率光声显微系统，该系统包括固定支架10、准直透镜20、锥透镜30、聚光镜夹具40以及多个具有不同频率的超声换能器聚光镜50。

如图5所示，为本实施例提供的聚光镜夹具40的示意图，该聚光镜夹具40设置有多个夹持孔(如图5a中401、402所示)，该多个夹持孔上分别夹持有不同频率的超声换能器聚光镜50，例如，401上夹持10mhz的超声换能器聚光镜，402上夹持25mhz的超声换能器聚光镜。相较于传统的ar-pam系统，在固定支架10、准直透镜20和锥透镜30的相互连接关系(传统的连接关系为：准直透镜20安装于锥透镜30的上方，锥透镜30和聚光镜夹具40分别与固定支架10连接)保持不变的情况下，本实施例将不同种频率的超声换能器聚光镜集成在一个ar-pam系统中，从而实现不同频率换能器的快速切换。

如图5a所示的聚光镜夹具40设置有2个夹持孔，在本发明中，聚光镜夹具40可以根据实际情况的需要，任意设置若干个夹持孔，通过增加或减少不同频率的超声换能器来实现一套ar-pam系统具有多个分辨率，比如增加两个或者三个及其以上不同频率换能器，目的也是为了实现一套系统上拥有不同频率超声换能器成像的功能。如图5b所示，可以把夹持超声换能器的聚光镜夹具向两边延长，从而多加两个聚光镜夹持孔(401-404所示)，实现四个不同分辨率的超声换能器集成在一个ar-pam系统上，图中405所示为连接孔。在本实施例中，通过405使聚光镜夹具固定安装于传统的固定支架上。

不同频率的聚光镜50之间的距离是受到夹持聚光镜夹具40的形状决定的，为了实现扫描区域的对准，从而保证切换前后可以做到扫描区域一致，同时方便同区域的实验对比，因此夹持聚光镜夹具40上用来支撑夹持不同超声换能器的聚光镜的夹持孔的圆心距离是可以根据实际需要预设成一定的距离，至少要满足安装要求，即满足操作方便，同时要满足刚度要求，确保不变形。在本实施例中，聚光镜夹具上的多个夹持孔的圆心设置于同一水平线上，且每相邻两个夹持孔的圆心的间距相等。

综上所述，传统的ar-pam系统由于采用单个系统放置单个超声换能器，实现单个成像分辨率和成像深度的成像系统，因此每次要实现不同成像分辨率和成像深度的功能时，就必须把系统上现有频率的超声换能器和聚光镜取下系统，更换成另一频率的超声换能器。而更换后的扫描区域一般会发生一定程度的变化，不利于同一区域成像对比试验。而本发明第一个实施例所提供的声学分辨率光声显微系统，在同一个系统上可实现不同频率超声换能器的集成，并且实现不同频率换能器快速切换后，扫描区域仍然能够保持不变，同时能够节约不同频率之间切换的时间成本。

作为本发明的第二个实施例，提供了一种声学分辨率光声显微系统，其是在本发明第一个实施例所提供的声学分辨率光声显微系统的基础上进行了进一步的改进，如图4所示，该系统包括固定支架10、准直透镜20、锥透镜30、聚光镜夹具40以及多个具有不同频率的超声换能器聚光镜50。其中聚光镜夹具40与多个具有不同频率的超声换能器聚光镜50之间的结构关系与第一个实施例相同，同时，该系统还包括聚光镜调节架60，则聚光镜夹具40通过聚光镜调节架60与固定支架10连接。

聚光镜调节架60由x轴和y轴组成，且所述x轴和y轴上分别设置有滑轮，x轴安装于y轴的滑轮上，聚光镜夹具40安装于x轴的滑轮上，以便聚光镜夹具40能够实现在x轴和y轴方向上分别运动。y轴固定于固定支架10上。在本实施例中，通过图5b中的405使聚光镜夹具安装于聚光镜调节架60上。

聚光镜50通过聚光镜夹具40放在二维手动可调节的聚光镜调节架60上，这样可以对聚光镜实现二维调节，通过调节聚光镜50与锥透镜30出来的圆环光共轴，从而实现光声共轴。调节的过程中，为了便于观察，可以使用波长为700nm左右的红光，再通过调节聚光镜调节架60使得光圈与聚光镜圆环搞好重合时，此时光声即可共轴，随后再把光源波长改换为实验所需波长。共轴性越好，系统成像的信噪比越高。

需要说明的是，在更换超声换能器后，还要对聚光镜进行光声共轴调节，而传统的ar-pam系统采用的光声共轴调节方法是采用三个固定棒调节和固定，工作示意图如图2所示，该光声共轴调节方法夹持聚光镜的夹具不可进行二维调节，因此导致调节光声共轴十分不易。而本实施例所提供的系统，聚光镜夹具采用二维调节设计，能够实现方便、快速、准确地调节光声共轴，同时大大提高了系统成像的信噪比。

综上所述，本发明第二个实施例所提供的ar-pam系统，聚光镜调节架60为可二维调节的设计，方便快速准确地调节光声共轴，提高了整个系统的成像信噪比。

作为本发明的第三个实施例，提供了一种声学分辨率光声显微系统，如图4所示，该系统包括固定支架10、准直透镜20、锥透镜30、聚光镜夹具40和锥透镜调节架70。锥透镜30通过锥透镜调节架70与固定支架10连接。准直透镜20设置在锥透镜30的上方。

锥透镜调节架70由x轴和z轴组成，z轴固定于固定支架10上，且z轴上设置有滑轮，x轴一端安装于z轴的滑轮上，锥透镜30安装于x轴的另一端，以便锥透镜30实现在z轴方向上运动。

需要说明的是，传统ar-pam的末端光路如图3所示(末端光路置于一个三维电动控制位移架上进行整体三维调节控制)，它把准直透镜和锥透镜固定在系统能够实现光声共焦的位置，并且调节的方法如图3所示，它不是连续调节的，为了调节其高低位置，传统方法是在锥透镜和聚光镜共同的固定支架上加工了不同高度的固定卡槽，从而实现锥透镜与聚光镜之间的距离d的大小调节，图3中画出了1、2、3三个不同的固定点作为一个示意，实际上有更多稠密的固定点，纵然如此，它依然属于一个不可连续调节距离d大小的系统。即现有ar-pam系统由于聚光镜和锥透镜之间的距离是离散地调节的，从而使得精确地调节光声共焦变得不易，且现有调节方法也是十分不便的，耗时比较长，从而使得实验过程中通过连续调节激光聚焦点聚焦在样本不同深度的位置(也就是调节锥透镜到聚光镜之间的距离d)变得不现实，也因此不能得到一个最优情况下的成像信噪比实验结果。而本发明通过把锥透镜30与准直透镜20固定在一个可连续上下调节的手动位移平台上，实现锥透镜30与聚光镜50之间距离的快速连续可调节，不但使得调节聚光镜50与锥透镜30之间的距离(如图6中d所示)变得容易操作，节省时间，也可以在超声焦点聚焦位置保持不变的情况下，通过连续调节聚光镜与锥透镜之间的距离，从而改变光焦点的上下位置，找到样本中所要观察位置光声信号最强的激光聚焦点深度(由蒙特卡罗模拟可知，此时激光总是聚焦在样本表面，因为激光聚焦在样本表面时光能量穿透样本总是最深)，从而提高系统成像的信噪比。

本实施例通过对锥透镜调节架70的设计，不但能够实现锥透镜到聚光镜之间的距离可连续快速可调，使得调节聚光镜与锥透镜之间的距离变得容易操作、节省时间，而且可以使得实验过程中光的聚焦点上下变化，如图7中所示，在超声聚焦点聚焦位置不变的情况下，实现激光束的明场暗场聚焦(明场聚焦表示激光束聚焦在样本表面，如图7中锥透镜到聚光镜之间的距离为d1时；暗场聚焦代表激光束聚焦在样本表面以下，如图7中锥透镜到聚光镜之间的距离为d2时)的快速切换，使得在样本一定深度的光能量保持到最大(由蒙特卡罗模拟可知，此时激光总是聚焦在样本表面，也就是激光明场聚焦)，从而提高对样本表面以下一定深度位置的光声成像信噪比，进而实现提高系统最佳成像效果的目的。

另外，锥透镜调节架70的x轴和z轴连接处设置有固定装置701(图6中所示)，用于在完成对锥透镜30在z轴方向上的调节之后，利用固定装置701对锥透镜30在z轴方向上的位置进行固定。

综上所述，本发明第三个实施例所提供的ar-pam系统，可连续快速调节锥透镜与聚光镜之间的距离，实现激光聚焦点聚焦深度的连续精准调节，并且实现实验过程中对激光聚焦点的明暗场聚焦快速转换，从而获得一个最优的成像信噪比。

作为本发明的第四个实施例，本发明提供的一种声学分辨率光声显微系统，如图4所示，该系统包括固定支架10、准直透镜20、锥透镜30、聚光镜夹具40和多个具有不同频率的超声换能器聚光镜50、聚光镜调节架60以及锥透镜调节架70。

本实施例通过聚光镜夹具40的设计，将不同频率的超声换能器聚光镜50集成，并且不同频率切换时候扫描区域完全相同，实现不同分辨率探头的快速精准切换；通过具有二维调节能力的聚光镜调节架60，可方便地实现光声共轴，对系统信噪比的提高具有意义；通过对锥透镜调节架70的设计，可以实现在z轴方向是的调节，使得锥透镜30到聚光镜50之间的距离具有连续快速可调节的性质，从而实现激光束明暗场的快速切换，连续调节的锥透镜与聚光镜之间的距离也使得光的聚焦点位置更加精确，有利于节约调节聚光镜到锥透镜之间距离的时间以及提高成像信噪比。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。