一种基于白光干涉的光声成像装置及方法
技术领域
本发明属于光声成像
技术领域
，特别是涉及一种基于白光干涉的光声成像装置及方法。背景技术
光声成像(Photoacoustic imaging，PAI)是近几年迅速发展的医学成像技术，PAI结合了纯光学成像的高对比度和纯超声成像的深穿透性，是一种非侵入性成像模式，可用于生物组织的结构、功能成像。PAI的原理是光声效应，当脉冲激光照射到生物组织时，组织吸收光能并产生热弹性膨胀，并由此产生相应的超声波，检测超声波可得到组织的吸收分布图像。
目前，基于压电换能器的接触式光声成像技术作为一种比较成熟的技术而广泛使用，该技术使用压电换能器直接检测光声信号，但是由于超声波在不同介质中的声阻抗不同，这也使得超声在两种介质面产生强烈的反射，所以为了提高灵敏度及减小损耗，声耦合介质是必要的，这也从原理上限制了该技术的使用范围。
对于烧伤、脑科等特殊情况的检查，就需要一种非接触的检测方式，因此基于光学干涉的非接触检测方法作为压电换能器的一种优化方法被提出。该方法可以实现非接触并获得样品信息，与压电换能器相比，光学干涉检测具有非接触、小型化、高灵敏度等特点。
例如，申请号为201510881786.7的中国专利申请，其公开了一种基于光学干涉法的非接触光声探测方法及装置，并提出了一种基于光学干涉的检测方法，但是该光学干涉的光声成像方法仍存在缺陷。为了解决由于组织样品表面粗糙而导致的反射的探测光的强度及相位较弱并出现随机变化，该方法在样品表面涂抹水层，水层产生一个均匀的反射面，但是这种在样品表面添加水层的方式，实质并没有做到完全非接触，在应用上同样存在不便之处。
此外，申请号为201910587193.8中国专利申请，其公开了一种非接触光声成像装置及方法，并提出了一种基于3×3光纤耦合器解调的非接触光声成像系统和方法，利用光学干涉方法直接检测样品内光声信号激发点的反射光强变化，并使激发光和样品光的焦点重合于样品内部，焦点处的吸收体吸收激光能量导致该位置的光学折射率变化，进而引起背向散射的样品光光强增大，再利用3×3光纤耦合器解调的干涉方法测量这种光强变化进行成像。虽然该方法解决了水层问题，也提升了方法的灵活性，但是该方法依然存在缺陷，即在同一时刻对于样品内部的深度信息是模糊的，也就无法得到样品中光声信号激发位置的深度信息，并且解调结果过度依赖3×3光纤耦合器的制造精度，否则会产生较大误差。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于白光干涉的光声成像装置及方法，利用白光干涉检测样品内光声信号激发点的反射光强变化，可以得到同一时刻来自样品不同深度的光声信号，而且具有一定的深度分辨能力，并且采用傅里叶变化进行信号解调，相对于目前所采用的时域解调方式，可有效提高探测灵敏度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于白光干涉的光声成像装置，包括光学干涉检测系统、光声激发系统、扫描系统及计算机；所述光学干涉检测系统一端与计算机进行电连接，光学干涉检测系统另一端与扫描系统进行光连接；所述光声激发系统一端与计算机进行电连接，光声激发系统另一端与扫描系统进行光连接；所述扫描系统与样品进行光连接。
所述光学干涉检测系统包括低相干光源、光纤隔离器、光开关、2×2光纤耦合器、第一准直器、第一透镜、第一反射镜及光谱仪；所述低相干光源通过光纤隔离器与光开关进行光连接，光开关一路与计算机进行电连接，光开关另一路与2×2光纤耦合器通过光纤进行连接；所述第一准直器一端与2×2光纤耦合器通过光纤进行连接，第一准直器另一端发出的激光通过第一透镜射向第一反射镜；所述光谱仪一端与计算机进行电连接，光谱仪另一端与2×2光纤耦合器通过光纤进行连接。
所述光声激发系统包括激发光源及第二反射镜；所述激发光源与计算机进行电连接，激发光源发出的激发光直接射向第二反射镜。
所述扫描系统包括第二准直器、二向色镜、Y向扫描振镜、X向扫描振镜及第二透镜；所述第二准直器一端与2×2光纤耦合器通过光纤进行连接，第二准直器另一端发出的激光依次通过二向色镜、Y向扫描振镜、X向扫描振镜及第二透镜射向样品；由所述第二反射镜反射的激光直接射向二向色镜，并依次通过Y向扫描振镜、X向扫描振镜及第二透镜射向样品。
一种基于白光干涉的光声成像方法，采用了所述的基于白光干涉的光声成像装置，包括如下步骤：
步骤一：启动低相干光源，由低相干光源发出的探测激光依次经光纤隔离器及光开关进入2×2光纤耦合器，再通过2×2光纤耦合器分两路输出，一路作为参考光依次通过第一准直器、第一透镜及第一反射镜后并原路返回2×2光纤耦合器，另一路作为样品光依次经过第二准直器、二向色镜、Y向扫描振镜、X向扫描振镜、第二透镜及样品后并原路返回2×2光纤耦合器；
步骤二：当参考光和样品光原路返回2×2光纤耦合器后，会通过2×2光纤耦合器直接进入光谱仪，之后由计算机进行光谱分析；
步骤三：由计算机向激发光源发出触发信号，促使激发光源启动，当激发光触发信号为高电平时，由激发光源输出激发光，激发光依次经过第二反射镜、二向色镜、Y向扫描振镜、X向扫描振镜及第二透镜射向样品，并与样品光在样品内部汇聚在一点上，样品吸收激光能量后会产生光声压，光声压又会促使样品内部激发点的光学折射率发生变大，进而使反射光强增大，并产生光声信号；反之，当激发光触发信号为低电平时，激发光源暂停输出激发光；
步骤四：由计算机向光开关发出触发信号，当光开关触发信号为高电平时，由低相干光源发出的探测激光可通过光开关直达样品；反之，当光开关触发信号为低电平时，由低相干光源发出的探测激光不可通过光开关；
步骤五：当激发光触发信号处于低电平周期且光开关触发信号处于高电平周期时，将检测到的光声信号记为S0(K)；此外，当激发光触发信号和光开关触发信号均处于高电平周期时，将检测到的光声信号记为S1(K)；其中，K表示光谱仪的波数坐标；
步骤六：对光声信号S0(K)和光声信号S1(K)进行预处理，消除直流分量及强度归一化，然后进行快速傅里叶变换，可得到光声信号S0(K)的幅度谱F0(u)以及光声信号S1(K)的幅度谱F1(u)，其中u表示频率，频率u和深度z成正比，且z＝au，式中，a为比例系数，且比例系数a为已知量，可通过测量一个已知深度的样品进行确定；最后，通过公式z＝au可以得到不同深度的样品反射光强分布F0(z)和F1(z)，其中，F0(z)为激发光源暂停输出激发光时样品的反射光强，F1(z)为激发光源输出激发光时样品的反射光强；
步骤七：计算样品不同深度的光声信号P(z)，计算公式为P(z)＝F1(z)-F0(z)；
步骤八：通过X向扫描振镜和Y向扫描振镜实现二维扫描，在计算机中实现二维成像。
本发明的有益效果：
本发明的基于白光干涉的光声成像装置及方法，利用白光干涉检测样品内光声信号激发点的反射光强变化，可以得到同一时刻来自样品不同深度的光声信号，而且具有一定的深度分辨能力，并且采用傅里叶变化进行信号解调，相对于目前所采用的时域解调方式，可有效提高探测灵敏度。
附图说明
图1为本发明的基于白光干涉的光声成像装置的结构原理图；
图2为实施例中的激发光触发信号和光开关触发信号的波形图；
图中，I—光学干涉检测系统，II—光声激发系统，III—扫描系统，1—计算机，2—样品，3—低相干光源，4—光纤隔离器，5—光开关，6—2×2光纤耦合器，7—第一准直器，8—第一透镜，9—第一反射镜，10—光谱仪，11—激发光源，12—第二反射镜，13—第二准直器，14—二向色镜，15—Y向扫描振镜，16—X向扫描振镜，17—第二透镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，一种基于白光干涉的光声成像装置，包括光学干涉检测系统I、光声激发系统II、扫描系统III及计算机1；所述光学干涉检测系统I一端与计算机1进行电连接，光学干涉检测系统I另一端与扫描系统III进行光连接；所述光声激发系统II一端与计算机1进行电连接，光声激发系统II另一端与扫描系统III进行光连接；所述扫描系统III与样品2进行光连接。
所述光学干涉检测系统I包括低相干光源3、光纤隔离器4、光开关5、2×2光纤耦合器6、第一准直器7、第一透镜8、第一反射镜9及光谱仪10；所述低相干光源3通过光纤隔离器4与光开关5进行光连接，光开关5一路与计算机1进行电连接，光开关5另一路与2×2光纤耦合器6通过光纤进行连接；所述第一准直器7一端与2×2光纤耦合器6通过光纤进行连接，第一准直器7另一端发出的激光通过第一透镜8射向第一反射镜9；所述光谱仪10一端与计算机1进行电连接，光谱仪10另一端与2×2光纤耦合器6通过光纤进行连接。
所述光声激发系统II包括激发光源11及第二反射镜12；所述激发光源11与计算机1进行电连接，激发光源11发出的激发光直接射向第二反射镜12。
所述扫描系统III包括第二准直器13、二向色镜14、Y向扫描振镜15、X向扫描振镜16及第二透镜17；所述第二准直器13一端与2×2光纤耦合器6通过光纤进行连接，第二准直器13另一端发出的激光依次通过二向色镜14、Y向扫描振镜15、X向扫描振镜16及第二透镜17射向样品2；由所述第二反射镜12反射的激光直接射向二向色镜14，并依次通过Y向扫描振镜15、X向扫描振镜16及第二透镜17射向样品2。
一种基于白光干涉的光声成像方法，采用了所述的基于白光干涉的光声成像装置，包括如下步骤：
步骤一：启动低相干光源3，由低相干光源3发出的探测激光依次经光纤隔离器4及光开关5进入2×2光纤耦合器6，再通过2×2光纤耦合器6分两路输出，一路作为参考光依次通过第一准直器7、第一透镜8及第一反射镜9后并原路返回2×2光纤耦合器6，另一路作为样品光依次经过第二准直器13、二向色镜14、Y向扫描振镜15、X向扫描振镜16、第二透镜17及样品2后并原路返回2×2光纤耦合器6；
步骤二：当参考光和样品光原路返回2×2光纤耦合器6后，会通过2×2光纤耦合器6直接进入光谱仪10，之后由计算机1进行光谱分析；
步骤三：由计算机1向激发光源11发出触发信号，促使激发光源11启动，当激发光触发信号为高电平时，由激发光源11输出激发光，激发光依次经过第二反射镜12、二向色镜14、Y向扫描振镜15、X向扫描振镜16及第二透镜17射向样品2，并与样品光在样品2内部汇聚在一点上，样品2吸收激光能量后会产生光声压，光声压又会促使样品2内部激发点的光学折射率发生变大，进而使反射光强增大，并产生光声信号；反之，当激发光触发信号为低电平时，激发光源11暂停输出激发光；
步骤四：由计算机1向光开关5发出触发信号，当光开关触发信号为高电平时，由低相干光源3发出的探测激光可通过光开关5直达样品2；反之，当光开关触发信号为低电平时，由低相干光源3发出的探测激光不可通过光开关5；
步骤五：当激发光触发信号处于低电平周期且光开关触发信号处于高电平周期时，将检测到的光声信号记为S0(K)；此外，当激发光触发信号和光开关触发信号均处于高电平周期时，将检测到的光声信号记为S1(K)；其中，K表示光谱仪10的波数坐标；本实施例中，如图2所示，光开关触发信号的高电平周期与低电平周期的时长比为1:1且交替出现，而激发光触发信号的高电平周期与低电平周期的时长比为1:3且交替出现；
步骤六：对光声信号S0(K)和光声信号S1(K)进行预处理，消除直流分量及强度归一化，然后进行快速傅里叶变换，可得到光声信号S0(K)的幅度谱F0(u)以及光声信号S1(K)的幅度谱F1(u)，其中u表示频率，频率u和深度z成正比，且z＝au，式中，a为比例系数，且比例系数a为已知量，可通过测量一个已知深度的样品2进行确定；最后，通过公式z＝au可以得到不同深度的样品2反射光强分布F0(z)和F1(z)，其中，F0(z)为激发光源11暂停输出激发光时样品2的反射光强，F1(z)为激发光源11输出激发光时样品2的反射光强；
步骤七：计算样品2不同深度的光声信号P(z)，计算公式为P(z)＝F1(z)-F0(z)；
步骤八：通过X向扫描振镜16和Y向扫描振镜15实现二维扫描，在计算机1中实现二维成像。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。
