一種散射光聲探測方法及光聲探測器的制造方法
【專利摘要】一種散射光聲探測器，包括光源、樣品室和聲傳感器。該樣品室的四周側(cè)壁的內(nèi)壁涂覆有吸光材料層；光源設置在樣品室底面一側(cè)的外部照射樣品室，該聲傳感器與樣品室的側(cè)壁連通。本發(fā)明可探測弱吸收強散射樣品的散射光聲信號，彌補了傳遞光聲探測技術只針對強吸收樣品的缺陷，具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、體積小、靈敏度高和使用方便等特點，可廣泛應用于臨床醫(yī)療診斷等領域，提供一種新的表征手段。
【專利說明】一種散射光聲探測方法及光聲探測器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光聲探測技術，特別涉及一種針對弱吸收的樣品的光聲探測方法及其光聲探測器。
【背景技術】
[0002]隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，醫(yī)學成像對各種疾病的診斷與治療有著重要的意義。對生物組織進行成像是研究生物組織病變的重要手段。目前，被廣泛運用到醫(yī)學上的成像方法主要有:X射線成像、磁共振成像(magnetic reso一nance tomography,MRT)、超聲成像等。在上述的這些成像技術中，都因輻射兒對人體造成一定的損傷。X射線又稱倫琴射線，它具有穿透物質(zhì)的本領，但對不同物質(zhì)它的穿透本領不同，有破壞細胞作用。X射線成像是根據(jù)人體組織的密度和厚度的不同，使組織能在熒光屏或膠片上形成影像，因此有些組織病變無法判斷，并且長期頻繁使用X射線成像將有損于人們健康。MRT技術是利用人體組織中氫原子核在磁場中受到激勵而發(fā)生核磁共振現(xiàn)象產(chǎn)生磁現(xiàn)象的一種成像技術。它具有輻射并且設備昂貴等特點。超聲成像是一種對生物組織的無損檢測，但是它的成像方法依賴與生物組織的聲阻抗，由于有些腫瘤組織的聲抗無明顯的差異，這就限制超聲成像技術的運用范圍并卻它的重組圖像的對比度較低。
[0003]光聲成像技術是近年來發(fā)展的一種無損檢測醫(yī)學成像技術，它結(jié)合了光學成像和超聲成像的優(yōu)點，正在逐步成為醫(yī)學無損檢測的一個新的研究方向。光聲效應是醫(yī)學光聲成像研究的基礎。用時變的光束照射吸收體時，吸收體因受熱膨脹而產(chǎn)生超聲波，這種現(xiàn)象稱為光聲效應，產(chǎn)生的超聲波稱為光聲信號。在醫(yī)學上，用段脈沖激光均勻照射在生物組織的表面，生物組織吸收光能轉(zhuǎn)化為熱能，而使組織局部升溫，發(fā)生熱彈性膨脹，產(chǎn)生超聲信號，在利用合適的算法進行圖像重組，便可得到生物組織的光聲圖像。由于光聲成像是利用光能的吸收分布來反應組織內(nèi)部的的結(jié)構(gòu)，是一種非電離，非輻射的無損檢測。其有效地結(jié)合了純光學成像的高分辨率、高對比度和純聲學成像的高穿透深度的優(yōu)點，可實現(xiàn)微米量級的成像精度及厘米量級的探測深度，具有完全非侵入性、無電離輻射、無損等突出特性，在生物醫(yī)學上具有很廣泛的應用前景，如:黑色素瘤的檢測、微血管結(jié)構(gòu)與功能成像、內(nèi)窺鏡技術、可視化基因表達成像、分子成像、大腦功能成像等醫(yī)學成像檢測領域。
[0004]請同時參閱圖1和圖2，其中，圖1是傳統(tǒng)的光聲光譜探測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是目標樣品光聲探測時的工作示意圖。光源產(chǎn)生短脈沖激光Si，通過光學元件擴束，形成強度調(diào)制光束后照射至待檢測的目標樣品，該目標樣品作為吸收樣品快速吸收光束能量，目標樣品內(nèi)的組織受熱膨脹，產(chǎn)生聲波S2，該聲波S2將穿過組織向外傳播，可被放置在樣品周圍的傳聲器S3探測到，光聲信號通過傳聲器轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號再通過信號處理系統(tǒng)形成圖像。可采用旋轉(zhuǎn)掃描方式，或采用多元陣列探測器，就可以得到在激光照射下組織內(nèi)不同區(qū)域的光聲波壓力強度分布。光聲波壓力的大小與組織對激光能量的吸收程度直接相關，光吸收越強，則該處的光聲信號強度越高。因此，利用探測到的光聲波分布收據(jù)，通過濾波反投影進行圖像重建，就可以得到組織的光吸收分布圖像。[0005]但是，目前傳統(tǒng)光聲顯微成像技術均是針對目標樣品自身或標記物吸收所產(chǎn)生的光聲信號的探測。然而，在微觀生物細胞樣品中，并非所有樣品都對某一特定波長脈沖激光有熱吸收，有許多生物細胞樣品本身無法對脈沖激光吸收而產(chǎn)生光聲波，從而無法通過光聲成像技術探測這種類型樣品的圖像。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種可對光弱吸收樣品進行檢測的光聲探測器，實現(xiàn)對無標記弱吸收生物細胞樣品光聲顯微成像。
[0007]為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案:一種光聲探測器，包括光源、樣品室和聲傳感器；該樣品室的四周側(cè)壁的內(nèi)壁涂覆有吸光材料層；光源設置在樣品室底面一側(cè)的外部照射樣品室，該聲傳感器與樣品室的側(cè)壁連通。
[0008]進一步，還包括一對聲波進行放大的耦合腔，該耦合腔的輸入端與樣品室的側(cè)壁連通，輸出端與聲傳感器連接。
[0009]進一步，還包括一導聲通道，該導聲通道的一端與樣品室的側(cè)壁連通，另一端與耦合腔的輸入端連通。
[0010]進一步，所述吸光材料層為黑色氧化鐵層。
[0011]進一步，所述聲傳感器為壓電式聲傳感器，包括壓電薄膜和外圍電路，該壓電薄膜設置在耦合腔的輸出端以將聲波信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，該外圍電路的輸入端分別連接該壓電薄膜的兩極，并對其產(chǎn)生的電壓信號進行放大和濾波。該壓電薄膜為PVDF薄膜。
[0012]進一步，該外圍電路包括依序串接的電荷放大器、帶通濾波器、電壓放大器以及低通濾波器。
[0013]相比于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的光聲探測器可探測弱吸收強散射樣品的散射光聲信號，彌補了傳遞光聲探測技術只針對強吸收樣品的缺陷；同時，可實現(xiàn)與通用激光掃描顯微鏡無縫對接，可探測樣品任意點的散射光聲信號，重建樣品的散射光聲顯微圖像，具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、體積小、靈敏度高和使用方便等特點，可廣泛應用于臨床醫(yī)療診斷等領域，提供一種新的表征手段。
[0014]同時，本發(fā)明還提供一種散射光聲探測方法。其技術方案為:一種散射光聲探測方法，使激光照射弱吸收的目標樣品產(chǎn)生散射光，使散射光照射至吸光材料，該吸光材料吸收光子并產(chǎn)生相應的聲波，再通過檢測該聲波獲得目標樣品的圖像。
[0015]進一步，該吸光材料為黑色的氧化鐵。
[0016]本發(fā)明的散射光聲探測方法可探測弱吸收強散射樣品的散射光聲信號，彌補了傳遞光聲探測技術只針對強吸收樣品的缺陷。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是傳統(tǒng)的光聲光譜探測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2是目標樣品光聲探測時的工作示意圖。
[0019]圖3是本發(fā)明的一種散射光聲探測器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖4是圖2中的外圍電路的電路圖。
[0021]圖5是采用現(xiàn)有技術對一樣品(口腔上表皮細胞)的傳統(tǒng)光聲顯微圖。[0022]圖6是采用本發(fā)明的一種散射光聲探測器對同一樣品的散射光聲顯微圖。
[0023]下面參見附圖及具體實施例，對本發(fā)明作進一步說明。
【具體實施方式】
[0024]由于作為目標樣品的弱吸收生物細胞樣品無法對脈沖激光有足夠的熱吸收強度，因而無法產(chǎn)生足夠強度的聲波。為了使脈沖激光通過目標樣品后能夠產(chǎn)生聲波，發(fā)明人在光路上增加具有高吸收系數(shù)的吸光材料來產(chǎn)生聲波。經(jīng)過反復的光路順序調(diào)整后得到，在光路上依序放置光源、目標樣品和高吸收系數(shù)的吸光材料，由光源產(chǎn)生的脈沖激光在通過目標樣品后，原光路散射，再經(jīng)由高吸收系數(shù)的材料后，產(chǎn)生了可探測的聲波，并且該聲波攜帶了該目標樣品的結(jié)構(gòu)信息。由此，提供了一種可探測弱光吸收樣品的散射光聲探測器。
[0025]請參閱圖3，其是本發(fā)明的光聲探測器的結(jié)構(gòu)示意圖。該光聲探測器包括光源12、樣品室14、導聲通道16、耦合腔18和聲傳感器19，該樣品室14的內(nèi)壁涂覆有一高吸收系數(shù)的吸光材料層15。待檢測的目標樣品A設置在蓋玻片13上，并被放置在樣品室14底部中心處的窗口上，光源照射目標樣品A后對其檢測。該樣品室14、導聲通道16和耦合腔18依序連通，該聲傳感器19連接于該耦合腔18的一端，并與信號處理裝置或圖像處理裝置(圖未示)連接。該樣品室14、導聲通道16、耦合腔18和聲傳感器19設置在一基體箱內(nèi)整合成一個整體。
[0026]具體地，該光源12為連續(xù)光源(400-2500nm)受斬波器調(diào)制后產(chǎn)生的脈沖光束，其經(jīng)過顯微物鏡(圖未示)形成聚焦光束。
[0027]該樣品室14為封閉的腔室，其為對稱結(jié)構(gòu)。在本實施例中，該樣品室14為圓柱體，其側(cè)面的內(nèi)壁涂覆高吸收系數(shù)的吸光材料層15，用以吸收光子產(chǎn)生聲波。而在該樣品室的上下底面不涂覆吸光材料層，以避免將未透過樣品的彈道光吸收轉(zhuǎn)換為聲波。該吸光材料層的材料可以為:氧化鐵、炭黑、松煙怠、石墨、苯胺黑、硫化苯胺黑等。在本實施例中，該吸光材料層15為黑色的氧化鐵層，其厚度在0.05mm-0.3mm之間。
[0028]該導聲通道16為極細的條形通道，其連通該樣品腔14的側(cè)壁和耦合腔18，采用非吸聲的材料制成，使在樣品腔14產(chǎn)生的聲波沿導聲通道16傳導至耦合腔18。在本實施例中，該導聲通道16為圓柱形通道，其孔徑在0.2mm-0.5mm之間。需說明的是，該導聲通道僅為傳導聲音的通道，不是本發(fā)明必要的結(jié)構(gòu)。
[0029]該耦合腔18同樣為封閉的腔室，采用非吸聲的材料制成，在本實施例中，該耦合腔為圓柱形結(jié)構(gòu)。該耦合腔18的體積與導聲通道16的體積相匹配，根據(jù)亥姆赫茲共振原理，聲波在該耦合腔18內(nèi)經(jīng)多次反射產(chǎn)生共振，使聲波的振幅達到最大，從而可使聲傳感器19更加容易感測該聲波信號。
[0030]該聲傳感器19包括壓電薄膜192和外圍電路194。該壓電薄膜192在本實施例中為高靈敏度的PVDF(聚偏二氟乙烯)壓電薄膜，用以感應聲波。在本實施例中，該壓電薄膜192與聲波的振動方向垂直設置,可最大程度的感測聲波。在本實施例中，該外圍電路194包括電荷放大器1942、帶通濾波器1944、電壓放大器1946以及低通濾波器1948。該外圍電路具有輸入端11、12以及輸出端01、02。其中，輸入端11、12分別連接壓電薄膜的兩極，輸出端01、02以連接外部的圖像處理裝置(圖未示)。耦合腔18放大的聲波使該壓電薄膜192產(chǎn)生相應頻率的振動，由于存在正向壓電效應，該壓電薄膜192將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，就產(chǎn)生與聲波頻率相同的電壓。然后通過外圍電路194濾波并將電壓放大，最后通過圖像處理裝置顯示圖像。
[0031]具體地，請參閱圖4，該電荷放大器1942包括運算放大器Al、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電容Cl以及電容C2。所述運算放大器Al的正相輸入端通過電阻Rl與外圍電路的輸入端Il串接；所述運算放大器的反相輸入端與該外圍電路的輸入端12電連接；所述電阻R2的兩端分別與運算放大器Al的正相輸入端與反向輸入端電連接；所述電容Cl與該電阻R2并聯(lián)；所述電阻R3的兩端分別與運算放大器Al的正相輸入端與輸出端電連接；所述電容C2與該電阻43并聯(lián)。運算放大器Al的輸出端作為電荷放大器的輸出端。電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器，利用電容作反饋元件的深度負反饋的高增益運放。壓電式傳感器本身內(nèi)阻抗很高，輸出電信號很微弱，通常先把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號輸入到指示儀表或記錄器中。
[0032]該帶通濾波器1944包括運算放大器A2、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電容C3以及電容C4。所述運算放大器Al的輸出端依次通過電阻R4、電容C4與運算放大器A2的正相輸入端串接；所述運算放大器A2的負相輸入端與外圍電路的輸入端12電連接；所述電阻R5兩端分別與電阻R4與電容C4之間的電連接點以及外圍電路的輸入端12電連接；所述電阻R6的兩端分別與運算放大器A2的正相輸入端以及輸出端電連接；所述電容C4的兩端分別與電阻R4與電容C4之間的電連接點以及運算放大器A2的輸出端電連接。運算放大器A2的輸出端作為帶通濾波器的輸出端。該帶通濾波器用于過濾電信號中的中頻段的信號。
[0033]該電壓放大器1946包括運算放大器A3、電阻R7、電阻R8與電阻R9 ;運算放大器A2的輸出端通過電阻R7與運算放大器A3的正相輸入端串接；電阻R8的兩端分別與運算放大器A3的負相輸入端以及外圍電路的負相輸入端電連接；所述電阻R9的兩端分別與運算放大器A3的正相輸入端以及輸出端電連接。所述運算放大器A3的輸出端作為電壓反大器的輸出端。
[0034]該低通濾波器1948包括運算放大器A4、電阻R10、電阻R11、電阻R12、電阻R13以及電容C5。運算放大器A3的輸出端依次通過電阻RlO以及電阻R12與運算放大器A4的正相輸入端串接；電阻Rll的兩端分別與電阻RlO和電阻R12之間的電連接點以及外圍電路的輸入端12電連接；電阻R13的兩端分別與運算放大器A4的負相輸入端以及外圍電路的輸入端12電連接；電阻R14的兩端分別與運算放大器A4的正相輸入端以及輸出端電連接；電容C5與電阻R14并聯(lián)。運算放大器A4的輸出端作為低通濾波器的輸出端，同時也為外圍電路的輸出端01。該低通濾波器用于過濾電信號中的低頻信號。
[0035]本發(fā)明的光聲探測器對強弱光吸收的目標樣品均可檢測，其工作原理如下:
[0036]光源產(chǎn)生的沖光束經(jīng)過顯微物鏡形成聚焦光束，然后透過蓋玻片會聚在目標樣品A的某一點上。
[0037]當目標樣品A為強光吸收的樣品時，光束被目標樣品A吸收，目標樣品A作為吸收樣品快速吸收光束能量，目標樣品A內(nèi)的組織受熱膨脹，產(chǎn)生聲波。由于樣品室14內(nèi)壁上的吸光材料層15僅對光進行吸收，因此目標樣品A產(chǎn)生的聲波在樣品室14中不會受到該吸光材料層15的影響。樣品A產(chǎn)生的聲波經(jīng)過導聲通道16后在耦合腔18內(nèi)被放大，然后通過聲傳感器19轉(zhuǎn)換為電信號。[0038]當目標樣品A為弱光吸收或不吸收光線時，光束通過目標樣品A時被散射，從而光束改變了行徑的方向。不同角度的散射光攜帶了該目標樣品A的對應位置的結(jié)構(gòu)信息。光束通過目標樣品A時被散射后，打在樣品室14的側(cè)壁涂覆的吸光材料層15上，吸光材料層15吸收光子后轉(zhuǎn)換成對應的聲波；而光束未通過目標樣品A的部分直射至樣品室14的上底面，由于樣品室14的底面未涂覆吸光材料，因此，光束未通過目標樣品A的彈道光部分不會被轉(zhuǎn)換成聲波。樣品A散射后,經(jīng)吸光材料產(chǎn)生的聲波經(jīng)過導聲通道16在稱合腔18內(nèi)被放大，然后通過聲傳感器19轉(zhuǎn)換為電信號。
[0039]聲傳感器19將聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)過電荷放大器、帶通濾波器、電壓放大器以及低通濾波器的電壓放大與濾波作用，可與通用激光掃描顯微鏡進行無縫對接，可探測樣品任意點的散射光聲信號，重建樣品的散射光聲顯微圖像。
[0040]請參閱如圖5與圖6。其中，圖5是采用現(xiàn)有技術對一樣品(口腔上表皮細胞)的傳統(tǒng)光聲顯微圖，圖6是采用本發(fā)明的光聲探測器對同一樣品的散射光聲顯微圖。比較二圖可知，圖6中的散射光聲顯微圖更清晰，具有更高的分辨率和對比度，成像的分辨率可達到約0.3 μ m。
[0041]相比于現(xiàn)有技術，本發(fā)明可探測弱吸收強散射樣品的散射光聲信號，彌補了傳遞光聲探測技術只針對強吸收樣品的缺陷；同時，可實現(xiàn)與通用激光掃描顯微鏡無縫對接，可探測樣品任意點的散射光聲信號，重建樣品的散射光聲顯微圖像，具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、體積小、靈敏度高和使用方便等特點，可廣泛應用于臨床醫(yī)療診斷等領域，提供一種新的表征手段。
[0042]以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出的是，上述優(yōu)選實施方式不應視為對本發(fā)明的限制，本發(fā)明的保護范圍應當以權利要求所限定的范圍為準。對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種散射光聲探測器，其特征在于:包括光源、樣品室和聲傳感器；該樣品室的四周側(cè)壁的內(nèi)壁涂覆有吸光材料層；光源設置在樣品室底面一側(cè)的外部照射樣品室，該聲傳感器與樣品室的側(cè)壁連通。
2.根據(jù)權利要求1所述的光聲探測器，其特征在于:還包括一對聲波進行放大的耦合腔，該耦合腔的輸入端與樣品室的側(cè)壁連通，輸出端與聲傳感器連接。
3.根據(jù)權利要求2所述的光聲探測器，其特征在于:還包括一導聲通道，該導聲通道的一端與樣品室的側(cè)壁連通，另一端與耦合腔的輸入端連通。
4.根據(jù)權利要求3所述的光聲探測器，其特征在于:所述吸光材料層為黑色氧化鐵層。
5.根據(jù)權利要求4所述的光聲探測器，其特征在于:所述聲傳感器為壓電式聲傳感器，包括壓電薄膜和外圍電路，該壓電薄膜設置在耦合腔的輸出端以將聲波信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，該外圍電路的輸入端分別連接該壓電薄膜的兩極，并對其產(chǎn)生的電壓信號進行放大和濾波。
6.根據(jù)權利要求5所述的光聲探測器，其特征在于:該壓電薄膜為PVDF薄膜。
7.根據(jù)權利要求6所述的光聲探測器，其特征在于:該外圍電路包括依序串接的電荷放大器、帶通濾波器、電壓放大器以及低通濾波器。
8.一種散射光聲探測方法，其特征在于:使激光照射弱吸收的目標樣品產(chǎn)生散射光，使散射光照射至吸光材料，該吸光材料吸收光子并產(chǎn)生相應的聲波,再通過檢測該聲波獲得目標樣品的圖像。
9.根據(jù)權利要求8所述的散射光聲探測方法，其特征在于:該吸光材料為黑色的氧化鐵。
【文檔編號】G01N21/51GK104007089SQ201410223375
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月23日 優(yōu)先權日:2014年5月23日
【發(fā)明者】吳泳波, 唐志列, 吳麗如, 黃敏芳 申請人:華南師范大學