一种基于微振镜扫描仪的光声成像系统发明专利

专利名称：一种基于微振镜扫描仪的光声成像系统

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202211024419.1

专利申请（专利权）人：苏州大学
权利人地址：江苏省苏州市相城区济学路8号

专利发明（设计）人：李相鹏,胡杰,周江霞,张明奎,张玲,陈岳,陈宣翰

专利摘要：本发明公开了一种基于微振镜扫描仪的光声成像系统，其包括：激光发生器、光路整形器、微振镜扫描仪、超声波换能器、放大器；其中，所述微振镜扫描仪包括一中空的框架，所述框架内可旋转地设置一第一反射板和第二反射板，一电磁铁通过吸附或排斥所述永磁体来驱动所述第一反射板绕X轴或第二反射板绕Y轴旋转。本发明的有益效果是：通过电磁控制的微振镜扫描仪，可以实现快速成像、宽扫描范围，并由于使用廉价的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和微磁体，因而成本较低；微振镜扫描仪尺寸小，占地面积小；光‑声都通过微振镜扫描仪反射，具有同轴共焦的特点，信噪比较高。

主权利要求：
1.一种基于微振镜扫描仪的光声成像系统，其特征在于，其包括：
激光发生器，用以产生脉冲激光；
光路整形器，用以对脉冲激光进行整形成准直光；
微振镜扫描仪，用以将整形后的脉冲激光反射到样本上；
超声波换能器，用以接收所述脉冲激光照射到样本上后由所述样本发出的超声波并将其转换为数字信号，所述超声波经过所述微振镜扫描仪反射后送入所述超声波换能器；
放大器，连接所述超声波换能器以接收所述数字信号并放大后输送给后台系统，所述后台系统通过将所述数字信号通过希尔伯特变换转换为光声图像；
其中，所述微振镜扫描仪包括一中空的框架，所述框架内可沿X轴方向旋转地设置一第一反射板，所述第一反射板上设置一贯穿的安装孔，所述安装孔内可沿Y轴方向旋转地设置一第二反射板，所述X轴和Y轴相互垂直，所述第一反射板和第二反射板上均设置有可反射激光和超时波的反射层，所述反射层外涂敷有绝缘层；所述第一反射板上以所述X轴为对称轴设置有两个永磁体，所述第二反射板上以所述Y轴为对称轴设置有两个永磁体；
还包括一通过吸附或排斥所述永磁体来驱动所述第一反射板绕所述X轴或第二反射板绕Y轴旋转的电磁铁；所述后台系统连接所述电磁铁以通过所述电磁铁控制所述第一反射板和第一反射板周期性摆动。
2.根据权利要求1所述的基于微振镜扫描仪的光声成像系统，其特征在于：还包括一分束器，所述激光发生器产生的脉冲激光经过所述分束器后一部分被送入所述光路整形器，另一部分被送入光电二极管，所述光电二极管连接一数据采集卡，所述数据采集卡连接所述放大器和后台系统；所述光电二极管在接收到所述脉冲激光后，给所述数据采集卡发送启动信号，在接收到所述启动信号后，所述数据采集卡启动并采集所述放大器输送的数字信号，并将其输送给所述后台系统。
3.根据权利要求1所述的基于微振镜扫描仪的光声成像系统，其特征在于：所述超声波换能器处设置一光声束组合器，所述光声束组合器包括一校正透镜、一个镀铝棱镜、一个无涂层棱镜和一个声透镜，所述镀铝棱镜和无涂层棱镜均为横截面为等腰直角三角形，所述镀铝棱镜和无涂层棱镜组合成一横截面为正方形的棱镜，所述校正透镜设置在所述脉冲激光的入射方向，所述声透镜设置在所述超声波的入射方向；所述校正透镜、镀铝棱镜、无涂层棱镜和声透镜均通过光学粘合剂粘接在一起；所述超声波换能器、光声束组合器和声透镜同轴设置。
4.根据权利要求3所述的基于微振镜扫描仪的光声成像系统，其特征在于：所述光路整形器包括一光学透镜以及波束合成器。
5.根据权利要求1所述的基于微振镜扫描仪的光声成像系统，其特征在于：所述框架是由PDMS制成，所述框架的长宽高分别为15mm、15mm和3mm。
6.根据权利要求1所述的基于微振镜扫描仪的光声成像系统，其特征在于：所述第一反射板和第二反射板的摆动频率分别为50Hz和30Hz。
7.根据权利要求1所述的基于微振镜扫描仪的光声成像系统，其特征在于：所述激光发生器产生二次谐波波长为532nm、输出功率为13W、脉冲能量为20μJ的脉冲激光。
8.根据权利要求1所述的基于微振镜扫描仪的光声成像系统，其特征在于：所述反射层为镀铝涂层。 说明书 : 一种基于微振镜扫描仪的光声成像系统技术领域[0001] 本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种基于微振镜扫描仪的光声成像系统。背景技术[0002] 光声显微镜(PAM)是一种提供高微米级横向空间分辨率的成像技术，可通过光学吸收对比度可视化活体表面结构。根据超声聚焦与光学聚焦的大小，光声显微系统中可分为声学分辨的光声显微成像(AR‑PAM)系统和光学分辨的光声显微成像(OR‑PAM)系统。[0003] 光学分辨率光声显微镜(OR‑PAM)的最大时间分辨率在理论上受到生成的光声(PA)波在组织中的传播速度的限制。然而，从技术上讲，成像速度取决于激光的脉冲重复率(PRR)和系统的扫描机制。现在已有的几种快速激光系统来实现理论上的时间分辨率，但已开发的保持高信噪比和共焦对准这种扫描机制，尚未达到其最佳扫描条件。基于机械扫描的典型OR‑PAM系统横截面的B扫描速率为1Hz/mm，横向分辨率为2.5μm，扫描范围为3mm，激光充满率为5kHz，这样的参数指标因为成像速度太慢不适用于临床应用。为了克服这一时间分辨率低的问题，又开发了几种使用快速音圈级、微机电系统(MEMS)扫描仪、六角镜扫描仪和检流计扫描仪的扫描机制。尽管音圈光声显微镜(PAM)在1mm的范围内将B扫描速率提高到40Hz，但扫描速率仍然受到音圈级的质量、驱动力和振动的限制。因此，使用机械扫描很难进一步提高扫描速度。而水浸式MEMS扫描仪在不使用任何机械扫描的情况下，将单轴的B扫描速率提高到400Hz，将两轴的B扫描速率提高到100Hz。然而，这些浸水式MEMS扫描仪在长期使用过程中变得脆弱，并且由于扫描模式不稳定，获取的PA图像非常失真。六角镜扫描仪在12mm的范围内实现900Hz的B扫描速率。由于步长较宽，以900Hz的B扫描速率拍摄的图像质量相对不好。发明内容[0004] 本发明的目的在于提供一种快速成像、宽扫描范围的基于微振镜扫描仪的光声成像系统。[0005] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：[0006] 一种基于微振镜扫描仪的光声成像系统，其包括：[0007] 激光发生器，用以产生脉冲激光；[0008] 光路整形器，用以对脉冲激光进行整形成准直光；[0009] 微振镜扫描仪，用以将整形后的脉冲激光反射到样本上；[0010] 超声波换能器，用以接收所述脉冲激光照射到样本上后由所述样本发出的超声波并将其转换为数字信号，所述超声波经过所述微振镜扫描仪反射后送入所述超声波换能器；[0011] 放大器，连接所述超声波换能器以接收所述数字信号并放大后输送给后台系统，所述后台系统通过将所述数字信号通过希尔伯特变换转换为光声图像；[0012] 其中，所述微振镜扫描仪包括一中空的框架，所述框架内可沿X轴方向旋转地设置一第一反射板，所述第一反射板上设置一贯穿的安装孔，所述安装孔内可沿Y轴方向旋转地设置一第二反射板，所述X轴和Y轴相互垂直，所述第一反射板和第二反射板上均设置有可反射激光和超时波的反射层，所述反射层外涂敷有绝缘层；所述第一反射板上以所述X轴为对称轴设置有两个永磁体，所述第二反射板上以所述Y轴为对称轴设置有两个永磁体；[0013] 还包括一通过吸附或排斥所述永磁体来驱动所述第一反射板绕所述X轴或第二反射板绕Y轴旋转的电磁铁；所述后台系统连接所述电磁铁以通过所述电磁铁控制所述第一反射板和第一反射板周期性摆动。[0014] 优选的，还包括一分束器，所述激光发生器产生的脉冲激光经过所述分束器后一部分被送入所述光路整形器，另一部分被送入光电二极管，所述光电二极管连接一数据采集卡，所述数据采集卡连接所述放大器和后台系统；所述光电二极管在接收到所述脉冲激光后，给所述数据采集卡发送启动信号，在接收到所述启动信号后，所述数据采集卡启动并采集所述放大器输送的数字信号，并将其输送给所述后台系统。[0015] 优选的，所述超声波换能器处设置一光声束组合器，所述光声束组合器包括一校正透镜、一个镀铝棱镜、一个无涂层棱镜和一个声透镜，所述镀铝棱镜和无涂层棱镜均为横截面为等腰直角三角形，所述镀铝棱镜和无涂层棱镜组合成一横截面为正方形的棱镜，所述校正透镜设置在所述脉冲激光的入射方向，所述声透镜设置在所述超声波的入射方向；所述校正透镜、镀铝棱镜、无涂层棱镜和声透镜均通过光学粘合剂粘接在一起；所述超声波换能器、光声束组合器和声透镜同轴设置。[0016] 优选的，所述光路整形器包括一光学透镜以及波束合成器。[0017] 优选的，所述框架是由PDMS制成，所述框架的长宽高分别为15mm、15mm和3mm。[0018] 优选的，所述第一反射板和第二反射板的摆动频率分别为50Hz和30Hz。[0019] 优选的，所述激光发生器产生二次谐波波长为532nm、输出功率为13W、脉冲能量为20μJ的脉冲激光。[0020] 优选的，所述反射层为镀铝涂层。[0021] 本发明的有益效果是：[0022] 通过电磁控制的微振镜扫描仪，可以实现快速成像、宽扫描范围，并由于使用廉价的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和微磁体，因而成本较低；微振镜扫描仪尺寸小，占地面积小；光‑声都通过微振镜扫描仪反射，具有同轴共焦的特点，信噪比较高。附图说明[0023] 图1为本发明的原理框图；[0024] 图2是微振镜扫描仪的立体结构示意图；[0025] 图3是部分结构的结构示意图。具体实施方式[0026] 下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。[0027] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。[0028] 如图1至图3所示，本发明的一种基于微振镜扫描仪的光声成像系统，其包括：[0029] 激光发生器10，用以产生脉冲激光；[0030] 光路整形器12，用以对脉冲激光进行整形成准直光；[0031] 微振镜扫描仪14，用以将整形后的脉冲激光反射到样本上；[0032] 超声波换能器16，用以接收脉冲激光照射到样本上后由样本发出的超声波并将其转换为数字信号，超声波经过微振镜扫描仪14反射后送入超声波换能器16；[0033] 放大器18，连接超声波换能器16以接收数字信号并放大后输送给后台系统20，后台系统20通过将数字信号通过希尔伯特变换转换为光声图像；[0034] 其中，微振镜扫描仪14包括一中空的框架141，框架141内可沿X轴方向旋转地设置一第一反射板142，第一反射板142上设置一贯穿的安装孔143，安装孔143内可沿Y轴方向旋转地设置一第二反射板144，X轴和Y轴相互垂直，第一反射板142和第二反射板144上均设置有可反射激光和超时波的反射层，反射层外涂敷有绝缘层；第一反射板142上以X轴为对称轴设置有两个永磁体145，第二反射板144上以Y轴为对称轴设置有两个永磁体145；[0035] 还包括一通过吸附或排斥永磁体145来驱动第一反射板142绕X轴或第二反射板144绕Y轴旋转的电磁铁(未图示)；后台系统20连接电磁铁以通过电磁铁控制第一反射板142和第一反射板142周期性摆动。电磁铁可通过机械臂控制位置，来达到上述目的，或其他类似的结构均可。[0036] 还包括一分束器22，激光发生器10产生的脉冲激光经过分束器22后一部分被送入光路整形器12，另一部分被送入光电二极管24，光电二极管24连接一数据采集卡26，数据采集卡26连接放大器18和后台系统20；光电二极管24在接收到脉冲激光后，给数据采集卡26发送启动信号，在接收到启动信号后，数据采集卡26启动并采集放大器18输送的数字信号，并将其输送给后台系统20。[0037] 超声波换能器16处设置一光声束组合器28，光声束组合器28包括一校正透镜281、一个镀铝棱镜282、一个无涂层棱镜283和一个声透镜284，镀铝棱镜282和无涂层棱镜283均为横截面为等腰直角三角形，镀铝棱镜282和无涂层棱镜283组合成一横截面为正方形的棱镜，校正透镜281设置在脉冲激光的入射方向，声透镜284设置在超声波的入射方向；校正透镜281、镀铝棱镜282、无涂层棱镜283和声透镜284均通过光学粘合剂粘接在一起；超声波换能器16、光声束组合器28和声透镜284同轴设置。[0038] 进一步地，光路整形器12包括一光学透镜以及波束合成器。[0039] 进一步地，框架141是由PDMS制成，框架141的长宽高分别为15mm、15mm和3mm。[0040] 进一步地，第一反射板142和第二反射板144的摆动频率分别为50Hz和30Hz。[0041] 进一步地，激光发生器10产生二次谐波波长为532nm、输出功率为13W、脉冲能量为20μJ的脉冲激光。[0042] 进一步地，反射层为镀铝涂层。[0043] 本发明的工作原理是，激光发生器10产生的脉冲激光进入分束器22，分10％的能量进入光电二极管24，同步启动数据采集卡26开始采集；另外的90％经过光路整形器12整形后成准直光，进入光声束组合器28，经过镀铝棱镜282反射后，进入微振镜扫描仪14，由微振镜扫描仪14反射到样品30上。电磁铁控制微振镜扫描仪14的第一反射板142和第二反射板144以特定的频率周期性摆动，以对样品进行扫描。脉冲激光在样品上产生的超声波经过第一反射板142和第二反射板144的反射，由声透镜284聚焦后穿透光声束组合器28进入超声波换能器16，转换为数字信号，通过放大器18放大250倍，然后由数据采集卡26存储，后台系统20读取数据采集卡26中的数据，并通过将数字信号通过希尔伯特变换转换为光声图像，以完成显微成像。[0044] 以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

专利地区：江苏

专利申请日期：2022-08-25

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN115372267B