双模成像系统

摘要

本发明公开了一种双模成像系统，包括激光生成装置、激光预处理装置、三维扫描装置、物镜、微型超声换能器、水箱、数据采集卡、荧光信号分离装置、荧光信号处理装置、计算机、分光镜以及第一光电探测器。其中激光预处理装置用于对激光进行预处理；三维扫描装置用于控制激光光路；物镜用于聚焦激光；微型超声换能器用于将光声信号转换为第一电信号；物镜与微型超声换能器均放置于水箱中；数据采集卡用于采集第一电信号；荧光信号分离装置用于分离荧光信号与反射激光；荧光信号处理装置用于将所述荧光信号转换为第二电信号；计算机用于将第一电信号与第二信号转换为光声图像与荧光图像。本发明能提高光声-荧光双模成像精度至亚微米级别。

权利要求

1.一种双模成像系统，用于生物体样品成像，包括：激光生成装置、激光预处理装置、三维扫描装置、物镜、微型超声换能器、水箱、数据采集卡、荧光信号分离装置、荧光信号处理装置、计算机、分光镜以及第一光电探测器，其中，所述激光生成装置用于生成激光；

所述激光预处理装置用于对所述激光进行预处理；

所述三维扫描装置用于控制所述激光的光路，以对所述样品进行三维光学扫描；

所述物镜用于对所述激光进行聚焦，所述激光经所述物镜聚焦后照射在所述样品上激发出光声信号以及荧光信号,并产生反射激光；

所述微型超声换能器位于所述物镜出射端，所述微型超声换能器具有信号接收端，该信号接收端呈平面或凹形弧面，用于接收所述光声信号，所述微型超声换能器用于将所述光声信号转换为第一电信号；

所述水箱盛有水，用于耦合所述光声信号，所述物镜与所述微型超声换能器均放置于所述水箱中；

所述数据采集卡用于采集所述第一电信号；

所述荧光信号分离装置用于将所述荧光信号与所述反射激光进行分离；

所述荧光信号处理装置用于接收所述荧光信号，并将所述荧光信号转换为第二电信号；

所述计算机用于处理所述第一电信号，并将所述第一电信号转化为所述样品的光声图像；

所述计算机还用于处理所述第二电信号，并将所述第二电信号转化为所述样品的荧光图像；

所述分光镜用于将一部分所述经过预处理的激光反射至所述第一光电探测器；

所述第一光电探测器用于将一部分所述经过预处理的激光转换为第三电信号，所述计算机根据所述第三电信号监测所述经过预处理的激光能量的变化，实时记录所述经过预处理的激光的强度，以在成像时消除所述样品对所述经过预处理的激光吸收程度的误差。

2.如权利要求1所述的双模成像系统，其特征在于，所述激光预处理装置包括：光阑、第一聚光透镜、第一针孔装置、第二聚光透镜、衰减片以及反射镜，其中，所述光阑用于控制所述激光的光束宽度；

所述第一聚光透镜用于将所述激光聚焦至所述第一针孔装置上；

第一针孔装置用于对所述激光进行空间滤波；

所述第二聚光透镜用于将所述激光准直；

所述衰减片用于对所述激光的强度进行衰减；

所述反射镜用于将所述激光反射至所述三维扫描装置。

3.如权利要求1所述的双模成像系统，其特征在于，所述荧光信号分离装置为二向色镜。

4.如权利要求1所述的双模成像系统，其特征在于，所述荧光信号处理装置包括：滤光片、第三聚光透镜、第二针孔装置以及第二光电探测器，其中，所述滤光片用于对所述荧光信号进行滤光；

所述第三聚光透镜用于将所述荧光信号聚焦至所述第二针孔装置上；

所述第二光电探测器用于将所述荧光信号转换为所述第二电信号。

5.如权利要求1所述的双模成像系统，其特征在于，所述双模成像系统还包括升降台，所述样品放置于所述升降台上，所述升降台用于调节所述样品与所述物镜之间的距离。

6.如权利要求1所述的双模成像系统，其特征在于，所述三维扫描装置还包括高精度位移平台，所述高精度位移平台用于精确控制所述样品与所述物镜之间的距离。

7.如权利要求1所述的双模成像系统，其特征在于，所述水箱底部贴有光学透明膜，所述光学透明膜用于透射所述激光与所述光声信号。

8.如权利要求1所述的双模成像系统，其特征在于，所述双模成像系统还包括信号放大器，所述信号放大器用于对所述第一电信号进行信号放大。

说明书

双模成像系统

技术领域

[0001] 本发明涉及生物医学成像技术，尤其涉及一种双模成像系统。

背景技术

[0002] 生物医学成像领域中的光声成像技术利用生物体组织的光学吸收特性为对比机制，可以获得生物体的化学组分以及生理功能特性。荧光共聚焦成像技术借助荧光分子靶
向对生物体组织分子的分布、结构和功能提供特异性成像。由于光声成像技术与荧光共聚
焦成像技术都具有较高的分辨率，并且在一个数量级，因此将光声成像技术与荧光共聚焦
成像技术两者结合起来，可以获得更多的生物体组织信息，从而进一步提高医疗诊断及治
疗效率。此外，实现亚微米级的横向空间分辨率，对生物体细胞和亚细胞层面的生物活动进行在体成像具有极其重要的意义。

[0003] 现有技术中的光声—荧光共聚焦成像系统为反射激光照射在样品上激发产生的光声信号，在物镜与观察样品之间设置了直角棱镜组等装置，使得物镜距离样品的工作距
离在10毫米以上，只能选择较低数值孔径的物镜，因此成像系统的横向分辨率只能达到几
个微米的量级。有的能达到亚微米量级的成像系统中却只采用了光声成像这一种成像技
术。综上所述，现有技术中还没有分辨率达到亚微米量级的光声—荧光双模成像系统。

发明内容

[0004] 本发明旨在解决上述现有技术中存在的问题，提出一种双模成像系统。

[0005] 所述双模成像系统包括：激光生成装置、激光预处理装置、三维扫描装置、物镜、微型超声换能器、水箱、数据采集卡、荧光信号分离装置、荧光信号处理装置、计算机、分光镜以及第一光电探测器。其中，所述激光生成装置用于生成激光；所述激光预处理装置用于对所述激光进行预处理；所述三维扫描装置用于控制所述激光的光路，以对所述样品进行三维扫描；所述物镜用于对所述激光进行聚焦，所述激光经所述物镜聚焦后照射在所述样品
上激发出光声信号以及荧光信号，并产生反射激光；所述微型超声换能器位于所述物镜出
射端，所述微型超声换能器信号接收端呈平面或凹形弧面，用于接收所述光声信号，所述微型超声换能器用于将所述光声信号转换为第一电信号；所述水箱盛有水，用于耦合所述光
声信号，所述物镜与所述微型超声换能器均放置于所述水箱中；所述数据采集卡用于采集
所述第一电信号；所述荧光信号分离装置用于将所述荧光信号与所述反射激光进行分离；
所述荧光信号处理装置用于接收所述荧光信号，并将所述荧光信号转换为第二电信号；所
述计算机用于处理所述第一电信号，并将所述第一电信号转化为所述样品的光声图像；所
述计算机还用于处理所述第二电信号，并将所述第二电信号转化为所述样品的荧光图像。
所述分光镜用于将一部分所述激光反射至所述第一光电探测器；所述第一光电探测器用于
将一部分所述激光转换为第三电信号，所述计算机根据所述第三电信号监测所述激光能量
的变化，从而可实时记录所述激光的强度，以在成像计算时消除所述样品对所述激光吸收
程度的误差。

[0006] 本发明提出的双模成像系统能在获得光声与荧光双模成像信息的同时，将微型超声换能器放置于物镜出射端，一方面减少了光学元器件的使用，节约成本，另一方面使得物镜工作距离可调节至较小值，选择较大数值孔径，从而提高所述双模成像系统的成像精度，成像后的光声图像与荧光图像的分辨率一般可达到亚微米级别。

附图说明

[0007] 图1是本发明一实施例的双模成像系统；

[0008] 图2是本发明一实施例的物镜与微型超声换能器的位置关系图。

具体实施方式

[0009] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附
图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0010] 在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”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而不是要求本发明必须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。

[0011] 图1所示为本发明一实施例的双模成像系统，用于生物体样品成像，所述双模成像系统包括：激光生成装置100、激光预处理装置200、三维扫描装置300、物镜400、微型超声换能器500、水箱600、数据采集卡700、荧光信号分离装置800、荧光信号处理装置900、计算机1000、分光镜1100以及第一光电探测器1200。

[0012] 在本实施例中，所述激光生成装置100为一可调激光光源，用于产生激光，所述激光用作所述双模成像系统的光源。

[0013] 所述激光预处理装置200用于对所述激光进行预处理。优选地，所述激光预处理装置200包括：光阑201、第一聚光透镜202、第一针孔装置203、第二聚光透镜204、衰减片
205以及反射镜206，其中，所述光阑201用于控制由所述激光生成装置100产生激光的光
束宽度；所述第一聚光透镜202用于将所述激光聚焦至所述第一针孔装置203上；所述第
一针孔装置203用于对所述激光进行空间滤波；所述第二聚光透镜204用于将由所述第一
针孔装置203输出的激光准直；所述衰减片205用于对所述激光的强度进行一定程度的衰
减，使得所述激光强度适合所述样品的成像；所述反射镜206用于反射所述激光，从而改变所述激光的光路。

[0014] 所述三维扫描装置300用于控制所述激光的光路，从而对所述样品进行三维方向上的扫描。优选地，所述三维扫描装置300还包括高精度位移平台，所述高精度位移平台用于精确控制所述样品与所述物镜400之间的距离。

[0015] 所述物镜400用于对所述三维扫描装置300输出的激光进行聚焦，所述激光经所述物镜400聚焦后照射在所述样品1500上激发出光声信号以及荧光信号，并产生一定量的
反射激光。

[0016] 如图2所示，所述微型超声换能器500位于所述物镜400的出射端，虚线箭头表示激光。在本实施例中，所述微型超声换能器500长约0.6毫米、宽约0.6毫米、厚约0.25毫
米。由于所述微型超声换能器500体积较小，且物镜400与所述样品1500之间除放置所述
微型超声换能器500之外未放置其它任何光学元器件，因此所述物镜400与所述样品1500
之间的距离可调节至较小值，使得所述物镜400的数值孔径可设置为1或者1以上，提高
了所述双模成像系统的精度，成像后的光声图像与荧光图像的分辨率一般可达到亚微米级
别。所述微型超声换能器500由背衬层、压电材料层以及匹配层构成。在本实施例中，所述超声换能器的信号接收端呈平面或凹形弧面，可通过自然聚焦或凹面聚焦有效地接收所述
光声信号。所述压电材料用于将所述光声信号转换为第一电信号，所述匹配层可以使所述
光声信号尽可能多地透射至所述压电材料层。

[0017] 由于所述光声信号在空气中会很快衰减，因此需要水作为所述光声信号的耦合介质，以防止所述光声信号的快速衰减。在本实施例中，所述水箱600盛有水，所述物镜400
与所述微型超声换能器500均放置于所述水箱600中。优选地，所述水箱600底部贴有光
学透明膜(图未示)，所述光学透明膜用于透射所述激光与所述光声信号。

[0018] 所述数据采集卡700用于采集所述第一电信号。优选地，所述数据采集卡700采集所述第一电信号之前，所述第一电信号先经过所述信号放大器1400，所述信号放大器1400
用于对所述第一电信号进行信号放大。

[0019] 所述荧光信号分离装置800用于将所述荧光信号与所述反射激光进行分离，优选地，所述荧光信号分离装置800为二向色镜。本领域的技术人员应能理解，除二向色镜外的任何能将所述荧光信号与所述反射激光进行分离的装置均可应用于本发明实施例中。

[0020] 经过所述荧光信号分离装置800分离的所述荧光信号通过所述荧光信号处理装置900。所述荧光信号处理装置900用于接收所述荧光信号，并将所述荧光信号转换为第二
电信号。优选地，所述荧光信号处理装置900包括：滤光片901、第三聚光透镜902、第二针孔装置903以及第二光电探测器904。其中，所述滤光片901用于对所述荧光信号进行滤
光；所述第三聚光透镜902用于将所述荧光信号聚焦至所述第二针孔装置903上；所述第
二光电探测器904用于将所述荧光信号转换为所述第二电信号。

[0021] 所述计算机1000用于处理所述第一电信号，并通过处理软件将所述第一电信号转化为所述样品的光声图像，同时所述计算机还用于处理所述第二电信号，并通过软件处
理将所述第二电信号转化为所述样品的荧光图像。

[0022] 所述分光镜1100用于将一部分所述激光反射至所述第一光电探测器1200；所述第一光电探测器1200用于将一部分所述激光转换为第三电信号，所述计算机1000根据所
述第三电信号监测所述激光能量的变化，从而实现可实时记录所述激光的强度，在成像计
算中以消除所述样品1500对所述激光吸收程度的误差。

[0023] 优选地，所述双模成像系统还包括升降台1300，所述样品1500放置于所述升降台1300上，所述升降台1300用于调节所述样品1500与所述物镜400之间的距离，从而实现粗
略调焦。

[0024] 优选地，所述三维扫描装置300还包括高精度位移平台(图未示)，所述高精度位移平台用于精确控制所述样品1500与所述物镜400之间的距离，从而实现精确调焦。

[0025] 本发明提出的双模成像系统能在获得光声与荧光双模成像信息的同时，将所述微型超声换能器500放置于所述物镜400出射端，一方面减少了光学元器件的使用，节约成
本，另一方面使得所述物镜400工作距离可调节至较小值，从而提高所述双模成像系统的
成像精度，成像后的光声图像与荧光图像的分辨率一般可达到亚微米(小于1微米)级别。

[0026] 虽然本发明参照当前的较佳实施方式进行了描述，但本领域的技术人员应能理解，上述较佳实施方式仅用来说明本发明，并非用来限定本发明的保护范围，任何在本发明的精神和原则范围之内，所做的任何修饰、等效替换、改进等，均应包含在本发明的权利保护范围之内。