一种用于光声断层成像的光路系统的制作方法

1.本实用新型涉及光声断层影像技术领域，尤其涉及一种用于光声断层成像的光路系统。


背景技术：

2.光声成像(photoacoustic imaging,pai)是近些年来发展起来的一种非入侵式和非电离式的新型生物医学成像方法。当脉冲激光照射到生物组织中时，组织的光吸收域将产生超声信号，我们称这种由光激发产生的超声信号为光声信号。生物组织产生的光声信号携带了组织的光吸收特征信息，通过探测光声信号能重建出组织中的光吸收分布图像。光声成像结合了纯光学组织成像中高选择特性和纯超声组织成像中深穿透特性的优点，可得到高分辨率和高对比度的组织图像，从原理上避开了光散射的影响，突破了高分辨率光学成像深度“软极限”(～1mm)，可实现50mm的深层活体内组织成像。
3.现有的光声断层成像的光路系统中为了实现360度无死角的激光照射，需要先将红外光转换为环形光束，其是通过凸透镜来实现这种转换的。
4.然而，凸透镜长期聚光于自身内部区域而产生的高温会导致对凸透镜自身的物理损伤，从而严重地影响系统的使用寿命和使用安全。
5.不同波长的光可以激发不同的分子/生物组织/材料产生光声信号。然而，现有的光声断层成像的光路系统中的波段切换光路难以实现670nm-2300nm波段的波长的连续切换，且波段切换光路的光路结构设计较复杂，不够简洁。


技术实现要素：

6.针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本实用新型提供一种用于光声断层成像的光路系统，用以解决环形光束转换透镜的物理损伤问题。
7.为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种用于光声断层成像的光路系统，包括：波段切换光路系统和环状光路形成系统；
8.所述环状光路形成系统包括锥顶凹透镜、环形棱镜和超声换能器阵列；
9.所述波段切换光路系统可发出不同波长的红外光，所述红外光依次透过所述锥顶凹透镜和所述环形棱镜后到达被测物，所述被测物产生的光声信号到达所述超声换能器阵列；
10.所述锥顶凹透镜用于将所述红外光转换为环形光束；
11.所述环形棱镜用于将所述环形光束反射到所述被测物；
12.所述超声换能器阵列用于采集所述被测物产生的光声信号，将所述光声信号转换成电信号。
13.根据本实用新型提供的用于光声断层成像的光路系统，所述波段切换光路系统包括yag激光器、光参量振荡器、第一切换镜、第二切换镜、若干激光回收器和若干反射镜；
14.所述yag激光器可发出第一预设波长的激光，也可通过倍频模块和所述光参量振
荡器的联合作用产生波长连续可调的第一预设波段的激光和第二预设波段的激光；
15.所述第一切换镜用于切换预设波长的激光和预设波段的激光；
16.所述第二切换镜用于切换所述第一预设波段的激光和所述第二预设波段的激光；
17.所述激光回收器用于将暂时不需要的某个波长的激光挡住；
18.通过调节所述第一切换镜和所述第二切换镜可使所述波段切换光路系统一次只输出所述第一预设波长的激光、所述第一预设波段的激光和所述第二预设波段的激光中的一种波长的激光。
19.根据本实用新型提供的用于光声断层成像的光路系统，所述第一预设波长为1064nm。
20.根据本实用新型提供的用于光声断层成像的光路系统，所述第一预设波段为[670nm，980nm]。
[0021]
根据本实用新型提供的用于光声断层成像的光路系统，所述第二预设波段为[1190nm，2350nm]。
[0022]
根据本实用新型提供的用于光声断层成像的光路系统，所述波段切换光路系统还包括引导激光器，所述引导激光器可发出可见的引导激光，所述引导激光与所述红外光共线来实现对所述红外光的引导。
[0023]
根据本实用新型提供的用于光声断层成像的光路系统，所述第一切换镜为反射镜，其背面安装有陶瓷片用于回收所述第一预设波长的激光。
[0024]
根据本实用新型提供的用于光声断层成像的光路系统，所述环状光路形成系统还包括调环透镜，所述调环透镜处于所述锥顶凹透镜和所述环形棱镜之间，用于调整所述环形光束的环形尺寸大小。
[0025]
根据本实用新型提供的用于光声断层成像的光路系统，所述环形棱镜用于将经过环形尺寸调整后的环形光束反射到所述超声换能器阵列的焦平面上的被测物上。
[0026]
根据本实用新型提供的用于光声断层成像的光路系统，所述环形棱镜的迎光面为磨砂状。
[0027]
该技术领域现有的相近技术中是通过凸透镜来实现将红外光转换为环形光束的，但是，凸透镜长期聚光于自身内部区域而产生的高温会导致对凸透镜自身的物理损伤。本实用新型用锥顶凹透镜替代凸透镜来实现环形光束的转换，从而避免了聚光导致的透镜损伤，延长了系统的使用寿命，增加了系统使用时的安全性。
[0028]
另外，由于包括两个切换镜的波段切换光路系统的简洁的光路设计，在调节两个切换镜的位置时，可实现对大概670nm-2300nm波段的波长的光的连续可调切换输出。在波段切换的基础上，提升了系统光路设计的简洁性。
附图说明
[0029]
为了更清楚地说明本实用新型或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]
图1是本实用新型实施例提供的环形光路形成系统的光路及结构示意图；
[0031]
图2是用于产生环形光束的现有技术所采用的凸透镜和本实用新型实施例提供的锥顶凹透镜的透射散光示意图对比；
[0032]
图3是本实用新型实施例提供的1064nm波长的激光输出，ir-i和ir-ii波段波长的激光回收的光路系统的光路状态图；
[0033]
图4是本实用新型实施例提供的ir-i波段波长的激光输出，1064nm波长和ir-ii波段波长的激光回收的光路系统的光路状态图；
[0034]
图5是本实用新型实施例提供的ir-ii波段波长的激光输出，1064nm波长和ir-i波段波长的激光回收的光路系统的光路状态图；
[0035]
附图标记：
[0036]
图1中：13为直角棱镜、14为锥顶凹透镜、15为调环透镜、16为环形棱镜、17为超声换能器阵列、18为被测物；
[0037]
图3中：1为第一切换镜、2为第二切换镜、3为环状光路形成系统、4为引导激光器、5为第二激光回收器、6为第一激光回收器、7为第一反射镜、8为第二反射镜、9为凸透镜、10为光参量振荡器、11为yag激光器、12为倍频模块。
具体实施方式
[0038]
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0039]
如图1所示，在一个实施例中，本实用新型提供一种用于光声断层成像的光路系统，包括：波段切换光路系统(在图1中未画出，图1上部从左边射过来的激光是由波段切换光路系统产生)和环状光路形成系统(即图1所显示的这个整体结构，也即图3中的3)；
[0040]
所述环状光路形成系统3包括锥顶凹透镜14、环形棱镜16和超声换能器阵列17。
[0041]
所述波段切换光路系统可发出不同波长的红外光，所述红外光依次透过所述锥顶凹透镜14和所述环形棱镜16后到达被测物18，所述被测物18产生的光声信号到达所述超声换能器阵列17。
[0042]
所述锥顶凹透镜14用于将所述红外光转换为环形光束。锥顶凹透镜的凹陷部分可为圆锥体(直角三角形绕着该直角三角形一直角边旋转360度所扫过的空间即为圆锥体)、亏圆锥体(将上述直角三角形的斜边的直线换成向两直角边凹陷的弧线，其他操作一样，该亏三角形所扫过的空间即为亏圆锥体)或盈圆锥体(将上述直角三角形的斜边的直线换成远离两直角边凸起的弧线，其他操作一样，该盈三角形所扫过的空间即为盈圆锥体)。优选的，当该凹陷部分为圆锥体时，该锥顶凹透镜的环形光束转换效果最好。
[0043]
如图2所示，图2左边两个图显示了传统环形光束转换透镜为凸透镜时的光路情况。容易看出，若平面迎光，部分反射光会汇聚在凸透镜内部；若凸面迎光，透射光会汇聚在凸透镜内部，此两种情况都很容易因长时间高强度的汇聚光而使圆锥凸透镜发生物理损伤。对比的，如图2右边两个图所示，本技术提出的锥顶凹透镜无论是平面迎光还是凹面迎光，光都不会或不会大量地透射或反射到锥顶凹透镜的内部，从而避免了聚光导致的透镜
损伤，延长了系统的使用寿命，增加了系统使用时的安全性。优选的，采用如图2右下角所示的凹面迎光的锥顶凹透镜放置方案。
[0044]
所述环形棱镜16用于将所述环形光束反射到被测物18。
[0045]
所述超声换能器阵列17用于采集被测物18产生的光声信号，将所述光声信号转换成电信号。
[0046]
优选的，所述环状光路形成系统3还包括调环透镜15，所述调环透镜15处于所述锥顶凹透镜14和所述环形棱镜16之间，用于调整所述环形光束的环形尺寸大小。
[0047]
优选的，所述环形棱镜16用于将经过环形尺寸调整后的环形光束反射到所述超声换能器阵列17的焦平面上的被测物18(可以是生物组织、有机无机材料等)上，被测物18置于超声换能器阵列17的焦平面上时，超声换能器阵列17可以收集到最多的光声信号。
[0048]
优选的，所述环形棱镜16的迎光面为磨砂状。所述环形棱镜16的迎光面为磨砂状可以用来对环形激光进行一定程度的散射，使照射到超声换能器阵列17的焦平面区域内的光在竖直方向展开至一定距离，从而使光声信号最优。
[0049]
优选的，如图3所示，所述波段切换光路系统包括yag激光器11、光参量振荡器10、第一切换镜1、第二切换镜2、若干激光回收器和若干反射镜。
[0050]
所述yag激光器11可发出第一预设波长的激光，也可通过倍频模块12和所述光参量振荡器10的联合作用产生波长连续可调的第一预设波段的激光(ir-i波段的激光)和第二预设波段的激光(ir-ii波段的激光)。
[0051]
yag激光器，激光器的一种。yag是钇铝石榴石晶体(y3al5o12)的缩写，是一种综合性能(光学、力学和热学)优良的激光基质。
[0052]
光参量振荡器(optical parametric oscillator)是一个振荡在光学频率的参量振荡器。它将输入的激光(所谓的泵浦光)，通过二阶非线性光学相互作用，转换成两个频率较低的输出光(信号光和闲频光)，两个输出光的频率之和等于输入光频。
[0053]
倍频模块可将yag激光器发出的第一预设波长的激光倍频，例如可将两个1064nm波长的光子合成一个532nm波长的光子，产生的532nm波长的激光可作为opo(光参量振荡器)的泵浦光，来进一步产生ir-i波段的红外激光和ir-ii波段的红外激光。
[0054]
所述第一切换镜1用于切换预设波长的激光和预设波段的激光。
[0055]
所述第二切换镜2用于切换所述第一预设波段的激光和所述第二预设波段的激光。
[0056]
所述激光回收器用于将暂时不需要的某个波长的激光回收(挡住)。
[0057]
通过调节所述第一切换镜1和所述第二切换镜2可使所述波段切换光路系统一次只输出所述第一预设波长的激光、所述第一预设波段的激光和所述第二预设波段的激光中的一种波长的激光。具体调节方法如下：
[0058]
(1)第一预设波长的激光输出，ir-i和ir-ii波段波长的激光回收的情况。
[0059]
如图3所示，第一切换镜1从光路处移开(从虚处移到实处)，这样一来，从第二反射镜8反射过来的无论是第一预设波段的激光还是第二预设波段的激光都会被第一激光回收器6回收，而第一预设波长的激光可在经过各种反射后从图3上部左边通过直角棱镜13射入环状光路形成系统3中。
[0060]
(2)ir-i波段波长的激光输出，第一预设波长的激光和ir-ii波段波长的激光回收
的情况。
[0061]
如图4所示，第一切换镜1和第二切换镜2均移到光路位置(如图4所示的实处)，此时，第一切换镜1将第一预设波长的激光反射到第一激光回收器6，第一预设波长的激光被回收。第二切换镜2将ir-ii波段波长的激光反射到第二激光回收器5，ir-ii波段波长的激光被回收。而ir-i波段波长的激光则依次通过第二切换镜2、凸透镜9、第二反射镜8和第一切换镜1后射入环状光路形成系统3中。
[0062]
(3)ir-ii波段波长的激光输出，第一预设波长的激光和ir-i波段波长的激光回收的情况。
[0063]
如图5所示，第一切换镜1移到光路位置(从虚处到实处)，第二切换镜2移出光路位置(从虚处到实处)，ir-i波段波长的激光正好射到第二激光回收器5并被其回收；第一切换镜1将第一预设波长的激光反射到第一激光回收器6，第一预设波长的激光被回收；ir-ii波段波长的激光依次经过某反射镜、凸透镜9、第二反射镜8和第一切换镜1后射入环状光路形成系统3中。
[0064]
因两束ir红外光有一定的发散角，凸透镜9可用来对ir红外光进行收束，优选的，也可以用一片凹面镜来代替凸透镜9和第二反射镜8的组合。
[0065]
优选的，所述第一预设波长为1064nm。常见的泵浦光源是1064nm或532nm的掺钕钇铝石榴石激光器。
[0066]
yag目前常用于固体激光器、光纤激光器等，通过掺杂和改变yag材料，可以获得1047nm-1319nm之间的几乎任何波长的激光。
[0067]
nd.yag(neodymium-dopedyttriumaluminiumgarnet；nd：y3al5o12)或中文称之为钇铝石榴石晶体，钇铝石榴石晶体为其激活物质，晶体内nd原子含量约为0.6～1.1％，属固体激光，可激发脉冲激光或连续式激光，发射的激光为红外线波长1064nm。传统的第一代nd:yag激光器工作在1064nm，但几乎所有能够产生激光增益的材料都可以在不同条件下的许多不同波长下实现。
[0068]
优选的，所述第一预设波段为[670nm，980nm]。
[0069]
优选的，所述第二预设波段为[1190nm，2350nm]。
[0070]
opo(光参量振荡器)将输入的532nm泵浦光通过二阶非线性光学相互作用，转换成两个频率较低的输出光，即转换成两个波长较大的输出光。该两输出光的波长范围可取[670nm，980nm]和[1190nm，2350nm]。
[0071]
优选的，如图3所示，所述波段切换光路系统还包括引导激光器4，所述引导激光器4可发出可见的引导激光，透射过第一反射镜7(该镜为1064nm介质镜，可以反射1064nm激光，同时可透射引导激光(可见波段))后通过与所述红外光共线来实现对所述红外光的引导。
[0072]
优选的，所述第一切换镜1为反射镜，其背面安装有陶瓷片(第一切换镜1背面的那个长条)用于进一步回收所述第一预设波长的激光。
[0073]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。