一种无标记光声病理显微成像系统

1.本实用新型涉及显微成像领域，尤其涉及一种无标记光声病理显微成像系统。


背景技术：

2.目前光声显微成像技术是近十年发展最快的新兴生物成像方式，在对病理检测方面有着极大的潜力，美国西北大学的刘文忠团队利用光声成像技术对小鼠眼部结构进行探测，相比于其他技术能更好地探测视网膜血氧饱和度和黑色素浓度，进一步推进了光声成像的临床转移。美国的catherine martel团队将光声显微镜与微机电系统扫描镜相结合应用于淋巴管病理检测。尽管光声显微成像技术取得了长足的发展，但是受压电材料自身属性的制约，光声系统普遍存在探测带宽窄和灵敏度低的缺陷。探测带宽窄导致光声成像的纵向分辨率低，进而引起深度方向定位不准确，不利于实际病理成像。为了解决这一问题，基于光学表面波的传感技术被应用于光声成像领域，通过对探测光位相变化的检测，从而实现光声成像系统的高灵敏度。
3.相比于传统光声传感器，光学表面波传感器具备高灵敏、宽带光声探测的优点；在基于光学表面波传感的光声成像这一新兴领域，具有代表性的有美国的弗吉尼亚大学以等离子体检测技术建立了一套光声显微系统，相较于传统光声显微成像实现了高空间分辨率。深圳大学的杨帆等人在位相型tir超声波传感技术方面也已经有了长足的进步，其搭建的系统所得图像横向分辨率已经能达到5.8μm，该系统相比于传统光声成像系统灵敏度更高，探测带宽更宽。
4.但尽管现有的位相型tir超声波传感系统已经能对组织病理进行较好的成像，但这一技术仍然存在缺陷，如组织样本与光学表面波传感器的距离较远，样本发出的光声高频信号需要在水中传播距离较远，现有的位相型tir超声波传感系统如图1所示，组织样本a以及水层b放置于载玻片c上，载玻片c放置于二维位移平台d，二维位移平台d上方设置有棱镜e以及物镜f，激发光束经过物镜f的聚焦后，入射至棱镜e并入射至组织样本a，tir探测器g发出的探测光束经过棱镜e后射向水层b表面并进行全反射，在水层b表面与棱镜e底面接近贴合的情况下(即最大程度减少棱镜e与水层b之间的距离，又不会干扰二维位移平台d的移动)，根据测量数据得知，棱镜e的下表面此时距离组织样本a会相差5mm，而这5mm的距离之差会对高频信息产生很大影响，即这将导致其声波频带宽从1ghz降低到170mhz，从而直接导致图像的纵向分辨率下降，影响系统的三维成像能力。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是提供一种无标记光声病理显微成像系统，旨在解决现有位相型tir超声波传感系统生成的图像的纵向分辨率较低、以及现有的探测光束和的共轴比较差的问题。
6.为解决上述技术问题，本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：提供一种无标记光声病理显微成像系统，其包括：
7.光学表面波传感器，用于承载组织样本以及水层，其中，所述组织样本浸入所述水层内；
8.激发光发生装置，用于产生激发光束；
9.探测光发生装置，用于产生探测光束；
10.物镜，用于对所述激发光束进行聚焦、并用于将所述探测光束转变为平行的探测光束，使所述激发光束和探测光束经过所述光学表面波传感器入射到组织样本上；
11.处理和控制装置，用于控制激发光束移动，以对所述组织样本扫描；
12.所述光学表面波传感器，还用于全反射所述探测光束，使反射的探测光束经所述物镜射出；
13.所述处理和控制装置，用于接收折返的所述探测光束，并对所述探测光束进行分束、光声信号合成和图像重建处理，得到目标图像。
14.进一步的，所述处理和控制装置包括处理终端、与所述处理终端信号连接的若干个光学振镜，所述处理终端用于控制所述光学振镜移动，其中，所述光学振镜位于所述激发光发生装置与所述物镜之间。
15.进一步的，所述光学振镜与所述激发光发生装置之间沿光路方向依次设置有若干个反射镜和透镜，其中，所述透镜用于对所述激发光束进行扩束。
16.进一步的，所述处理和控制装置还包括分束装置、第一反射镜、第二反射镜、第一检偏器、第二检偏器、第三反射镜、第四反射镜、差分探测器，所述分束装置位于所述物镜和终端之间，所述分束装置用于对折返的探测光束进行分束，得到第一分束和第二分束；
17.所述第一反射镜、第一检偏器、第二反射镜依次位于所述第一分束的光路方向；
18.所述第三反射镜、第二检偏器、第四反射镜依次位于所述第二分束的光路方向；
19.所述差分探测器用于接收所述第一分束和第二分束，并进行光声信号合成；
20.所述处理终端与差分探测器信号连接，还用于接收合成后的光声信号并进行数据分析和图像重建。
21.进一步的，所述物镜与所述分束装置之间设置有若干个透镜。
22.进一步的，所述物镜位于所述光学表面波传感器的下方，所述光学振镜位于所述物镜的下方。
23.进一步的，所述激发光发生装置为波长为266nm或532nm或560nm的激光器，所述探测光发生装置为波长为632.8nm的氦氖激光器。
24.进一步的，所述探测光发生装置与所述物镜之间沿光路方向依次设置有若干个反射镜、偏振片和波片。
25.进一步的，所述反射镜和偏振片设置有一个，所述波片设置有两个，且两个波片包括沿光路方向依次设置的1/2波片和1/4波片。
26.本实用新型实施例公开了一种无标记光声病理显微成像系统，包括：光学表面波传感器，用于承载组织样本以及水层，其中，所述组织样本浸入所述水层内；激发光发生装置，用于产生激发光束；探测光发生装置，用于产生探测光束；物镜，用于对所述激发光束进行聚焦、并用于将所述探测光束转变为平行的探测光束，使所述激发光束和探测光束经过所述光学表面波传感器入射到组织样本上；处理和控制装置，用于控制激发光束移动，以对所述组织样本扫描；所述光学表面波传感器，还用于全反射所述探测光束，使反射的探测光
束经所述物镜射出；所述处理和控制装置，用于接收折返的所述探测光束，并对所述探测光束进行分束、光声信号合成和图像重建处理，得到目标图像。
27.该成像系统相对于现有技术，一方面集成化程度和一体化程度较高，简化了成像系统的复杂度，使得本技术的成像系统更易于应用在生物医学成像领域；第二方面，该系统利用光学表面波传感器作为载玻片，用于承载组织样本，使组织样本发出的光声高频信号不需要在水中远距离传播，能极大程度的保留高频信号，进而提高了纵向分辨率，从而实现了高灵敏度、宽带光声探测；第三方面，本技术的成像系统使得激发光束和探测光束共用一个物镜，因此可以更好地保证两束光的共轴，进而提高成像的横向分辨率。
附图说明
28.为了更清楚地说明本实用新型实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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。
29.图1为现有一种位相型tir超声波传感系统的结构示意图；
30.图2为本实用新型实施例提供的无标记光声病理显微成像系统的结构示意图。
31.附图标记说明：
32.a、组织样本；b、水层；c、载玻片；d、二维位移平台；e、棱镜；f、物镜；g、tir探测器；
33.1、光学表面波传感器；2、激发光发生装置；3、探测光发生装置；4、物镜；5、处理终端；6、光学振镜；7、第五反射镜；8、第一透镜；9、分束装置；10、第一反射镜；11、第二反射镜；12、第一检偏器；13、第二检偏器；14、第三反射镜；15、第四反射镜；16、差分探测器；17、第二透镜；18、第六反射镜；19、偏振片；20、1/2波片；21、1/4波片。
具体实施方式
34.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，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做出创造性劳动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。
35.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
36.还应当理解，在此本实用新型说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本实用新型。如在本实用新型说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
37.还应当进一步理解，在本实用新型说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
38.请参阅图2，图2为本实用新型实施例提供的无标记光声病理显微成像系统的结构
示意图；
39.本实用新型实施例提供的无标记光声病理显微成像系统包括：
40.光学表面波传感器1，用于承载组织样本以及水层，其中，所述组织样本浸入所述水层内；
41.激发光发生装置2，用于产生激发光束；
42.探测光发生装置3，用于产生探测光束；
43.物镜4，用于对所述激发光束进行聚焦、并用于将所述探测光束转变为平行的探测光束，使所述激发光束和探测光束经过所述光学表面波传感器1入射到组织样本上；
44.处理和控制装置，用于控制激发光束移动，以对所述组织样本扫描；
45.所述光学表面波传感器1，还用于全反射所述探测光束，使反射的探测光束经所述物镜4射出；
46.所述处理和控制装置，用于接收折返的所述探测光束，并对所述探测光束进行分束、光声信号合成和图像重建处理，得到目标图像。
47.在本实施例中，首先将组织样本(组织或细胞)以及水层直接放置于光学表面波传感器1上，激发光发生装置2输出激发光束，探测光发生装置3输出探测光束，物镜4对激发光束进行聚焦，同时物镜4将探测光束变为平行光束射出，在处理和控制装置的控制下，使得射出的激发光束和探测光束射向组织样本，其中，激发光束和探测光束透过光学表面波传感器1入射至组织样本，并通过处理和控制装置的控制，驱使激发光束移动，以对组织样本进行扫描，在本实施例中，探测光束经过光学表面波传感器1的全反射，反射至物镜4，处理和控制装置接收经过物镜4后射出的探测光束，并对所述探测光束进行分束、光声信号合成和图像重建处理，得到目标图像，其中，光学表面波传感器1用于全内反射折返光束，进行光声感应。
48.本技术利用光学表面波传感器1替代了现有技术中载玻片的作用，使得光学表面波传感器1既能够实现承载组织样本的作用，又能大大减少光学表面波传感器1与组织样本之间的距离，使得组织样本发出的光声高频信号不需要在水中远距离传播，能极大程度的保留高频信号，从而提高了纵向分辨率。
49.需要说明的是，现有技术中如图1所示，棱镜e的下表面此时距离组织样本a会相差5mm，这将导致水的折射率和棱镜e的折射率不匹配，即会导致像差，使焦点光强下降，造成图像的横向分辨率下降，而在本技术中，由于组织样本直接放置于光学表面波传感器1上，使得两者的间距极小，进而可忽略水折射率不匹配带来的不良影响，同时，在现有技术中由于激发光束与探测光束会聚的位置不同，无法完美的共轴，也将影响成像质量，故本技术通过激发光束和探测光束集中于同一个物镜4，即由于两束光是通过同一个物镜4，这能更好地保证两束光的共轴，既可以提高成像的横向分辨率，还保证了高灵敏度的光声信号探测，可以实现组织病理乃至细胞病理的准确成像。
50.另外，本技术的显微镜成像系统在实现“无标记、高分辨率、高灵敏度”的成像优势的同时简化了系统复杂度，使系统更趋于一体化。
51.具体一实施例中，所述物镜4位于所述光学表面波传感器1的下方，所述光学振镜6位于所述物镜4的下方。
52.通过这样的设计，能够简化系统复杂度，使得系统各结构更加紧凑。
53.具体一实施例中，所述激发光发生装置2为波长为266nm或532nm或560nm的激光器，所述探测光发生装置3为波长为632.8nm的氦氖激光器。
54.在本实施例中，对血红蛋白成像常用560nm的激发光，对眼球黑色素成像常用532nm的激发光，而266nm的激发光是对应细胞核成像最优的波长，也就是说，对于不同的样本，波长可以改变，以组织样本的吸收系数最大、产生的光声信号最强为准；同理可知，探测光束的波长也并不局限于632.8nm，不同的探测光波长对应不同的激发角度，故本技术不再赘述。
55.具体一实施例中，所述处理和控制装置包括处理终端5、与所述处理终端5信号连接的若干个光学振镜6，所述处理终端5用于控制所述光学振镜6移动，其中，所述光学振镜6位于所述激发光发生装置2与所述物镜4之间。
56.在本实施例中，处理终端5包括但不局限于电脑，通过在处理终端5上输入移动指令，可控制光学振镜6的移动，其中，本技术的光学振镜6设置有两个，相对于现有技术的二维移动平台移动速度慢的现象，本技术通过两个光学振镜6以及处理终端5的配合使用，可以控制探测光束快速稳定扫描组织样本。相对于现有的光声成像系统大多数使用精密位移控制平台对组织样本进行移动，本技术通过处理终端5控制光学振镜6的移动，能够克服二维位移平台的移动速度较慢导致扫描时间较长，成像速度较慢的问题。
57.具体一实施例中，所述光学振镜6与所述激发光发生装置2之间沿光路方向依次设置有若干个反射镜和透镜，其中，所述透镜用于对所述激发光束进行扩束。
58.在本实施例中，反射镜即图2所示的第五反射镜7，第五反射镜7设置有1个，且用于反射光束，改变光束的传播方向，透镜即图2所示的第一透镜8，第一透镜8设置有两个，均用于对激发光束进行扩束，确保激发光束能充满光学振镜6，本技术不对第五反射镜7和第一透镜8的数量做具体限定。
59.具体一实施例中，所述探测光发生装置3与所述物镜4之间沿光路方向依次设置有若干个反射镜、偏振片19和波片。
60.在本实施例中，反射镜即图2所示的第六反射镜18，第六反射镜18用于反射光束，改变光束的传播方向，偏振片19用于提高探测光束的线偏振比率，波片用于调节线偏振光的偏振方向。
61.具体一实施例中，所述反射镜和偏振片设置有一个，所述波片设置有两个，且两个波片包括沿光路方向依次设置的1/2波片20和1/4波片21。
62.在本实施例中，1/2波片20用于连续调节线偏振光的偏振方向，1/4波片21用于将线偏振光调制成椭圆偏振光，需要说明的是，初始探测光束并不局限于线偏振光，也可以是椭圆或圆偏振光，以信号的灵敏度最高为准。
63.具体一实施例中，所述处理和控制装置还包括分束装置9、第一反射镜10、第二反射镜11、第一检偏器12、第二检偏器13、第三反射镜14、第四反射镜15、差分探测器16，所述分束装置9位于所述物镜4和终端之间，所述分束装置9用于对折返的探测光束进行分束，得到第一分束和第二分束；
64.所述第一反射镜10、第一检偏器12、第二反射镜11依次位于所述第一分束的光路方向；
65.所述第三反射镜14、第二检偏器13、第四反射镜15依次位于所述第二分束的光路
方向；
66.所述差分探测器16用于接收所述第一分束和第二分束，并进行光声信号合成；
67.所述处理终端5与差分探测器16信号连接，还用于接收合成后的光声信号并进行数据分析和图像重建。
68.在本实施例中，分束装置9为分束镜，且分束镜用于将探测光束分为两部分，另外，将混合光束分解为s偏振光和p偏振光的器件并非只有偏振分光镜(pbs)还有沃拉斯顿棱镜等偏振分光器件。
69.第一反射镜10、第二反射镜11、第三反射镜14、第四反射镜15均用于反射光束，改变光束的传播方向，第一检偏器12、第二检偏器13用于使偏振光的偏转方向能沿着短轴方向或长轴方向传播，差分探测器16用于探测光声信号。
70.具体一实施例中，所述物镜4与所述分束装置9之间设置有若干个透镜。
71.在本实施例中，透镜即图2所示的第二透镜17，第二透镜17设置有一个，且用于对全反射的探测光束进行聚焦。
72.在本实施例中，显微成像系统中266nm的激发光由激发光发生装置2发出，激发光束经过反射镜7向前传播后经过由一对共焦透镜构成的4f系统进行扩束，确保激发光束能充满光学振镜6，光学振镜6由电脑连接控制，能使扩束后的激发光束在组织样本上进行快速稳定扫描，激发光束经过物镜4聚焦至组织样本上，组织样本在激发光束的作用下会发射出光声脉冲波，光声脉冲波将会引起水的折射率变化，光声波在耦合介质水中传播到光学表面波传感器1的表面(上面)，与倏逝场相互作用，其中，倏逝场由探测光束进行全内反射时产生的。
73.对于探测部分，系统中使用632.8nm的激光器(3)作为探测光源，发出的线偏振光(探测光束)被反射镜反射后，经过偏振片使线偏振光的偏振度更好，偏振光再经过1/2波片和1/4波片，从而调制成在s、p方向上不同位相差的椭圆偏振光，椭圆偏振光经过物镜4后将得到平行光照射在光学表面波传感器1上进行全内反射，由于激发光激发所得的光声脉冲波在改变水折射率的同时，也会使反射s和p偏振光的位相差发生变化，也就是说，激发光束作用在组织样本上，组织样本发出超声波信息，探测光束经过光学表面波传感器1和水的界面时，会接收到这个信息(就是位相的改变)，最后再通过探测位相改变而获得需要的图像信息。
74.具体接收过程如下：反射光(探测光束)经过第二透镜17聚焦后通过分束镜，将探测光束分为两部分光束，两束光分别传输到两个检偏器(12、13)上，二者的偏转方向分别沿着椭圆偏振光束的短轴方向和长轴方向，短轴方向声波引起的s、p光束的位相差转化为光强度的效率高，主要用作传感，长轴方向转化效率低，用作参考臂。经过反射镜(10、11、14、15)偏折后，两束探测光平行进入差分探测器16的两个探测单元，即最后由差分探测器16实现光声信号的探测，将光声信号存储至电脑，用于后续数据分析和图像重建。
75.由本技术提供的显微镜成像系统中，光学表面波传感器1被巧妙的利用，既起到一个载物的作用，又能成为光学表面波传感器1对光学表面波进行传递，使病理组织与探测光束的距离更近，探测光束能更好的获取高频信号，从而进一步提高系统成像的纵向分辨率，且显著简化了系统复杂度，使系统趋于一体化，更容易应用于生物医学研究领域。
76.本技术的激发光束和探测光束由一个物镜4同时传输，这能更好地保证两束光的
共轴，既可以提高成像的横向分辨率，还保证了高灵敏度的光声信号探测，同时使系统更加小型化，提高了集成度。
77.相比于传统光声成像系统，本技术的显微成像系统，具有探测带宽更宽、系统灵敏度更高的特点，以及光声成像无需荧光标记的特点，为组织样本的“无标记、高分辨率、高灵敏度”观测提供更好的支持。
78.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。