關聯層析方法和裝置製造方法
2023-07-09 00:05:36 4
關聯層析方法和裝置製造方法
【專利摘要】一種關聯層析方法和裝置，該方法包括下列步驟：①固定樣品；②雷射器發出一束雷射照射到樣品上，超聲波發射器發出的超聲也作用到樣品上；③從熱光源或贗熱光源出射的一束物光經過位相共軛鏡反射後照射到樣品上，經樣品內傳播後再出射，出射光用光強探測器探測，獲得第一組信號光；④從熱光源或者贗熱源發出的另一束參考光由空間分辨能力的探測器探測獲得第二組信號光；或者根據已知的贗熱源統計分布計算獲得第二組信號光；⑤兩組信號進行關聯運算給出關聯層析圖像。本發明可以得到超聲焦點處的關聯成像。關聯層析可以動態無損地獲取生物軟組織內部光學解析度的光學成像。
【專利說明】關聯層析方法和裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及光學成像，特別是一種關聯層析方法和裝置。
【背景技術】
[0002]時間反演超聲輔助光學聚焦方法首次實現了動態、無損地匯聚光到生物軟組織內。用該方法進行生物組織內的光學層析也受到了廣泛的關注，一些文章和專利披露了相關的研究工作進展。在此我們以專利US8450674B2「Acoustic assisted phase conjugateoptical tomography (超聲輔助位相共軛光學層析)」為例簡要分析一下現有技術方案存在的問題。
[0003]專利US8450674B2披露了一種對內部埋藏有一個或多個螢光媒介的樣品進行層析的光學顯微鏡方法和系統，該系統的特徵在於，包含一個被測樣品和一臺雷射器，雷射器發出的雷射照射到樣品上；一個超聲源，超聲源向樣品發射超聲並在其內部形成一個超聲焦點，在此焦點處，超聲會調製穿過的光的頻率，從而產生一個頻率調製過的光束；一個數字位相共軛鏡，可以反射從雷射器發出的參考光束而產生頻率調製光波的位相共軛波前；還有一個探測器，用於探測共軛波前匯聚到樣品內而激發的螢光信號進行成像。該發明的基本結構和原理如圖1所示。入射雷射401 (例如，Crystal Laser Rubicon,波長532nm,脈寬20ns,重複頻率IkHz,又或者是SpectraPhysics Navigator,波長範圍532_533nm，當波長選擇532nm時，脈寬7ns，重複頻率20kHz)照射到樣品I上。樣品是由兩層生物組織模體102夾著螢光目標物體101(例如，一種螢光燃料，激發/發射峰是532/554nm)組成。同時，脈衝超聲(例如，焦斑寬100微米)發射到樣品I上，調節螢光物質到超聲焦點201處。脈衝轉換器 204(例如，Olympus V313-SM, 15MHz,或者 Olympus V3330, 50MHz)由函數發生器202和信號放大器203驅動，PC計算機控制雷射脈衝和超聲脈衝的同步以及數字式位相共軛鏡3對波前的記錄和反演。位相共軛波前聚焦到超聲焦點而激發出的螢光405從樣品出射，出射光經過濾波收集到達探測器5，給出採集信號。其中，數字式位相共軛鏡的基本結構如圖2所示。
[0004]從樣品出射的散射波前403和從雷射器出射光束分離出來的一束參考光束406在CCD上形成穩定的幹涉圖案，讀取幹涉圖案並計算提取散射波前。空間光調製器(spatiallight modulator,簡稱為SLM)與電荷稱合兀件相機(charge-coupled device,簡稱為CCD)之間滿足嚴格的鏡像對稱，調節SLM的像素使之和計算得到的CCD上的波前分布同樣滿足鏡像對稱。空白光照射SLM，反射波前404就是光學位相共軛輸出。
[0005]這一方法可以突破散射限制，在生物軟組織的彌散區域內進行光學成像，並且成像深度動態可調，無損傷，可以實現生物軟組織內的螢光成像。存在的問題是成像的解析度是超聲解析度。
[0006]專利US8450674B2的核心技術是時間反演超聲調製光學聚焦((Hongl inLiu*, Xiao Xu*)and Lihong V.Wang.Time-reversed ultrasonically encoded opticalfocusing into turbid media.Nature Photonics, 5，154-157 (2011).),即利用超聲調製散射光的頻率，在超聲的焦點位置創造一個頻率調製光的虛擬源，在樣品外記錄該虛擬源所發出的散射光的波前，位相共軛散射波前回到虛擬源位置實現了光在散射體內的聚焦。專利US8450674B2把這一技術應用到對軟組織內的螢光團物質進行成像。顯然，時間反演超聲調製光學聚焦技術對虛擬源和位相共軛鏡之間的頻率調製光的散射過程可以追溯而使之透明化。但從虛擬源再出射時，光又將經歷一個隨機散射過程，丟失所攜帶的位置信息，從而失去定位功能，只能給出螢光的強度信息，且解析度由超聲焦點決定。必須掃描超聲焦點記錄對應的螢光強度，掃描強度的變化中反映了結構和/或成分的變化。
[0007]在經典熱光源後者贗熱光源的關聯成像裝置中，入射的(贗)熱光源被分為兩束，物體放置在其中一束物光路，用沒有空間分辨能力的一個點或者面探測器收集經過物體衍射的光，另一束光參考光照射在有空間分辨能力的探測器，例如CCD上，對兩組信號做關聯運算可以得到物體的相干成像。已經證明關聯成像具有散射抑制作用(ffenlin Gong and Shensheng Han.Correlated imaging in scattering media, OpticsLetters, 36，394(2011).)，即，經物體衍射後的光在到達探測器前所經歷的散射不會明顯地降低關聯成像的成像質量。但光在到達目標區域前所經歷的散射過程會削弱物光路和參考光之間的關聯性，從而降低成像質量。換言之，關聯成像抑制了後續散射，等效透明了後續散射介質。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是要解決生物軟組織內光學成像深度和解析度受限於散射的問題，提供一種關聯層析裝置和方法，以實現生物軟組織內，尤其是在散射彌散區域內的光學分辨成像，並且要求該成像方法是無損的。
[0009]本發明的技術解決方案如下:
[0010]一種關聯層析方法，特點在於該方法包括下列步驟:
[0011]①固定樣品；
[0012]②雷射器發出一束雷射照射到樣品上，同時，超聲波發射器發出的超聲也作用到樣品上，位相共軛鏡記錄從樣品出射的經過光聲調製的散射光波前；
[0013]③從熱光源或贗熱光源出射的一束物光經過位相共軛鏡反射後照射到樣品上，經樣品內傳播後再出射，出射光用光強探測器探測，獲得第一組信號光；
[0014]④從熱光源或者贗熱源發出的另一束參考光用一個有空間分辨能力的探測器探測獲得第二組信號光；或者根據已知的贗熱源統計分布計算獲得第二組信號光；
[0015]⑤兩組信號進行關聯運算給出關聯層析圖像。
[0016]用於上述的關聯層析方法的關聯層析裝置，特點在於其構成包括超聲波發射器、位相共軛鏡、雷射器、光強探測器、空間分辨能力的探測器、熱光源或贗熱光源和強度關聯運算器，所述的雷射器發出的雷射照射到樣品上，所述的超聲波發射器發出的超聲也作用到樣品上，在樣品內超聲焦點處超聲和散射的雷射發生聲光相互作用，調製光的頻率獲得頻率調製光，從樣品出射的頻率調製光照射到位相共軛鏡上，所述的熱光源或者贗熱源發出的光被分束器分為透射光和反射光，在所述的透射光方向是所述的空間分辨能力的探測器，所述的反射光束方向是所述的位相共軛鏡，在所述的樣品外還有光強探測器，所述的光強探測器和空間分辨能力的探測器的輸出端與關聯運算器的輸入端相連。
[0017]所述的雷射波長範圍包含可見光和近紅外。
[0018]所述的熱光或者贗熱光的波長與頻率調製光相同。
[0019]所述的超聲波的波長範圍在1ΜΗζ-150ΜΗζ之間，超聲波發射器的出射埠，即超聲轉換器的口徑和焦長可以選擇。
[0020]所述的雷射、超聲、熱光源或者贗熱光源分別有連續和脈衝兩種模式可選，根據需要進行組合，選擇脈衝方式時，需要考慮儀器間的同步問題。
[0021 ] 所述的位相共軛鏡的選擇範圍包含數字式位相共軛鏡、光折射晶體、光折射聚合物或其他新型材料共軛鏡，
[0022]所述的雷射器和位相共軛鏡在樣品的兩對側或同一側。
[0023]所述的熱光源是統計漲落已知的贗熱源，則所述的空間分辨能力的探測器省去。
[0024]所述的位相共軛鏡和反射強度隨機調製機構在一起。
[0025]本發明的技術效果:
[0026]1、由於非輻射安全並且攜帶生化信息，生物軟組織內的光學成像一直是研究的熱點。但目前主要的技術手段都無法同時在成像深度、解析度和探測效率等方面給出理想的答案。本發明使組織內的成像的解析度達到光學解析度，實現了軟組織內的光學顯微。由於光學信號含有生化信息，關聯層析不僅可以直接對軟組織內部的結構成像，還含有功能信息，可以用於虛擬光學活檢，幫助分辨疾病的生理和病理條件(Chen-Kun Tsai etal.Virtual optical b1psy of human adipocytes with third harmonic generat1nmicroscopy.B1medical Optics Express, 4，178 (2013).)。結合染料、突光團、報告基因等標記物質，更可以對活體生物組織的功能和代謝過程進行研究。
[0027]2、生物軟組織以外，關聯層析也可以應用到膠體物質、渾濁的水體等準穩態散射和湍流介質的研究中，提供了強有力的工具。這種方法不使用有輻射的射線、無輻射危害、成本低廉，在臨床和實驗室有著廣泛的應用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1是超聲輔助位相共軛光學層析原理圖。
[0029]圖2是數字式位相共軛鏡原理，a)波前記錄，b)波前反演。
[0030]圖3是本發明關聯層析裝置示意圖。
[0031]圖4是光敏材料共軛鏡原理，a)波前記錄，b)波前反演。
[0032]圖5是本發明關聯層析方法的流程圖。
[0033]圖6是單臂贗熱源關聯層析原理圖。
[0034]圖7是半反射式關聯層析原理圖。
[0035]圖8是全反射式關聯層析原理圖。
[0036]圖9是波前共軛和贗熱隨機耦合的關聯層析原理圖。
[0037]圖10是透射式關聯層析實施例結構圖。
[0038]圖11是單臂關聯層析實施例結構圖。
[0039]圖中:1 -樣品2 -超聲波發射器201 -超聲焦點202 -函數發生器203 -信號放大器204 -超聲轉換器3 -位相共軛鏡4 -雷射器401 -入射雷射束402 -入射雷射在樣品內的彌散光403 -調製散射光404 -位相共軛光或含位相共軛信息的熱光/贗熱光405 -濾波後的突光406 -參考雷射束5-光強探測器6-有空間分辨能力的光強探測器7-分束器8-統計漲落光源，如熱光源、贗熱源等9-出射光束10-強度關聯運算器11-光折射晶體12-共軛參考光束13-複合共軛和偽隨機反射鏡14-雙色分束器15 —濾波片16 -透鏡
【具體實施方式】
[0040]以下結合附圖和實施例，對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍，關聯層析的基本原理如圖3所示。
[0041]先請參閱圖5，圖5是本發明關聯層析方法的流程圖。由圖可見，本發明關聯
[0042]層析方法，該方法包括下列步驟:
[0043]①固定樣品I ;
[0044]②雷射器4發出一束雷射照射到樣品I上，同時,超聲波發射器2發出的超聲也作用到樣品上，位相共軛鏡3記錄從樣品出射的經過光聲調製的散射光波前；
[0045]③從熱光源或贗熱光源8出射的一束物光經過位相共軛鏡3反射後照射到樣品I上，經樣品I內傳播後再出射，出射光用光強探測器5探測，獲得第一組信號光；
[0046]④從熱光源或者贗熱源發出的另一束參考光用一個有空間分辨能力的探測器6探測獲得第二組信號光；或者根據已知的贗熱源統計分布計算獲得第二組信號光；
[0047]⑤兩組信號經關聯運算給出關聯層析圖像。
[0048]參閱圖3，圖3是本發明關聯層析裝置示意圖。由圖可見，本發明關聯層析裝置，構成包括超聲波發射器2、位相共軛鏡3、雷射器4、光強探測器5、空間分辨能力的探測器6、熱光源或贗熱光源8和強度關聯運算器10，所述的雷射器4發出的雷射照射到樣品I上，所述的超聲波發射器2發出的超聲也作用到樣品I上，在樣品I內超聲焦點201處超聲和散射的雷射發生聲光相互作用，調製光的頻率獲得頻率調製光，從樣品出射的頻率調製光照射到位相共軛鏡3上，所述的熱光源或者贗熱源8發出的光被分束器7分為透射光和反射光，在所述的透射光方向是所述的空間分辨能力的探測器6，所述的反射光束方向是所述的位相共軛鏡3，在所述的樣品I外還有光強探測器5，所述的光強探測器5和空間分辨能力的探測器6的輸出端與關聯運算器10的輸入端相連。
[0049]所述的雷射波長範圍包含可見光和近紅外。
[0050]所述的熱光或者贗熱光的波長與頻率調製光相同。
[0051]所述的超聲波的波長範圍在1ΜΗζ-150ΜΗζ之間，超聲波發射器的出射埠，即超聲轉換器的口徑和焦長可以選擇。
[0052]所述的雷射、超聲、熱光源或者贗熱光源分別有連續和脈衝兩種模式可選，根據需要進行組合，選擇脈衝方式時，需要考慮儀器間的同步問題。
[0053]所述的位相共軛鏡的選擇範圍包含數字式位相共軛鏡、光折射晶體、光折射聚合物或其他新型材料共軛鏡，
[0054]在圖3中，從雷射器4發出的雷射照射到樣品I上，同時從超聲波發射器2發出的超聲也作用到樣品I上。在樣品I內超聲焦點201處超聲和散射的雷射發生聲光相互作用，從而調製光的頻率獲得頻率調製光。從樣品出射的頻率調製光照射到位相共軛鏡3上，從而波前被記錄。隨後，從熱光源或者贗熱源8發出的光被分束器7分為透射光和反射光，所述的透射光(稱為參考束)由有空間分辨能力的探測器6 (如CCD相機)探測得到參考光強信號，所述的反射光束照射到位相共軛鏡3，經過位相共軛鏡3反射後照射到樣品I上。在樣品I外用光強探測器5探測出射光的光強信號，該光強信號與參考光強信號進行關聯運算給出層析圖像。
[0055]其中，入射雷射波長範圍包含可見光和近紅外，熱光或者贗熱光的波長與頻率調製光相同。超聲波的波長範圍在1ΜΗζ-150ΜΗζ之間，超聲波發射器的出射埠，即超聲轉換器的口徑和焦長可以選擇。雷射、超聲和熱光源或者贗熱光源分別有連續和脈衝兩種模式可選，根據需要進行組合。選擇脈衝方式時，需要考慮儀器間的同步問題。位相共軛鏡3的選擇範圍包含數字式位相共軛鏡、光折射晶體、光折射聚合物或其他新型材料共軛鏡，如圖4所示。
[0056]超聲焦點的定位可以藉助超聲掃描樣品所得到的低分辨三維圖像。對比較大的感興趣區層析，可以通過改變樣品和超聲焦點的相對位置，多次重複焦點層析來實現。顯然，掃描超聲焦點，可以實現整個樣品的三維層析。
[0057]採用贗熱源無參考光束結構時，圖3可以簡化為圖6。其中，光源8是統計漲落已知的贗熱源。圖3和圖6中，雷射入射點和位相共軛鏡位於樣品兩側，這是透射式結構，也可採用圖7所示的半反射式結構，即雷射入射點和位相共軛鏡在樣品同一側；或者圖8所示全反射式結構，即所有設備都在樣品的同一側。位相共軛鏡和贗熱源可以進一步整合到一起，例如在位相共軛的SLM上疊加上反射強度隨機調製機構。關聯層析的裝置可以進而簡化為圖9。
[0058]實施例1:
[0059]如圖10，其中，超聲波發射器2由超聲轉換器204、信號發生器202和信號放大器203 構成。脈衝雷射器 4 (例如，Coherent passively Q-switched laser FLARE,波長範圍390nm-800nm)發出的脈衝雷射401和超聲轉換器204發出的脈衝超聲(例如，IMHz的一個或多個周期，1MHz的一個或多個周期，150MHz的一個或多個周期)同時作用到樣品I上，PC或者時延發生器(圖中未標出)控制兩個脈衝信號的時延使雷射和超聲同時到達超聲焦點201 (或者更準確到焦點內的不同位置)。超聲轉換器由函數發生器202和信號放大器203驅動。樣品外，出射的頻率調製光403照射到位相共軛鏡3上被記錄。隨後，熱光源8發出的熱光束9照射位相共軛鏡3，反射光404進入樣品傳播後再出射。探測器5探測從樣品出射的光強，CXD記錄參考臂的光強分布，兩組關聯信號由強度關聯運算器10做關聯運算，從而得到層析圖像。移動超聲轉換器掃描焦點，可以給出整個軟組織樣品的三維光學層析。
[0060]實施例2:如圖11所示，採用相對簡化的光路和探測，光源8用計算機控制的SLM或者數字微鏡器件DMD (digital micromirror device,簡稱為DMD)反射雷射(可以從入射光光束401分束而來，或者另一臺雷射器發射)取代，根據偽隨機數列調節SLM或者DMD上的像素的分布從而產生贗熱光。出射的贗熱光經過位相共軛鏡3反射，反射光照射樣品
I。探測器5探測從樣品I出射的光，由於贗熱源的偽隨機漲落已知，可以計算得到參考臂的光強分布，兩組數據在計算機做關聯後得到層析圖像。
【權利要求】
1.一種關聯層析方法，特徵在於該方法包括下列步驟: ①固定樣品⑴； ②雷射器(4)發出一束雷射照射到樣品(I)上，同時，超聲波發射器(2)發出的超聲也作用到樣品上，位相共軛鏡(3)記錄從樣品出射的經過光聲調製的散射光波前； ③從熱光源或贗熱光源(8)出射的一束物光經過位相共軛鏡(3)反射後照射到樣品(I)上，經樣品(I)內傳播後再出射，出射光用光強探測器(5)探測，獲得第一組信號光； ④從熱光源或者贗熱源發出的另一束參考光用一個有空間分辨能力的探測器(6)探測獲得第二組信號光；或者根據已知的贗熱源統計分布計算獲得第二組信號光； ⑤兩組信號進行關聯運算給出關聯層析圖像。
2.用於權利要求1所述的關聯層析方法的關聯層析裝置，特徵在於其構成包括超聲波發射器(2)、位相共軛鏡(3)、雷射器(4)、光強探測器(5)、空間分辨能力的探測器(6)、熱光源或贗熱光源(8)和強度關聯運算器(10)，所述的雷射器(4)發出的雷射照射到樣品(I)上，所述的超聲波發射器(2)發出的超聲也作用到樣品(I)上，在樣品(I)內超聲焦點(201)處超聲和散射的雷射發生聲光相互作用，調製光的頻率獲得頻率調製光，從樣品出射的頻率調製光照射到位相共軛鏡(3)上，所述的熱光源或者贗熱源(8)發出的光被分束器(7)分為透射光和反射光，在所述的透射光方向是所述的空間分辨能力的探測器￠)，所述的反射光束方向是所述的位相共軛鏡(3)，在所述的樣品(I)外還有光強探測器(5)，所述的光強探測器(5)和空間分辨能力的探測器￠)的輸出端與所述的關聯運算器(10)的輸入端相連。
3.根據權利要求2所述的關聯層析裝置，其特徵在於所述的雷射波長範圍包含可見光和近紅外。
4.根據權利要求2所述的關聯層析裝置，其特徵在於所述的熱光或者贗熱光的波長與頻率調製光相同。
5.根據權利要求2所述的關聯層析裝置，其特徵在於所述的超聲波的波長範圍在1ΜΗζ-150ΜΗζ之間，超聲波發射器的出射埠，即超聲轉換器的口徑和焦長可以選擇。
6.根據權利要求2所述的關聯層析裝置，其特徵在於所述的雷射、超聲、和熱光源或者贗熱光源分別有連續和脈衝兩種模式可選，根據需要進行組合，選擇脈衝方式時，需要考慮儀器間的同步問題。
7.根據權利要求2所述的關聯層析裝置，其特徵在於所述的位相共軛鏡的選擇範圍包含數字式位相共軛鏡、光折射晶體、光折射聚合物或其他新型材料共軛鏡。
8.根據權利要求2所述的關聯層析裝置，其特徵在於所述的雷射器和位相共軛鏡在樣品(I)的兩對側或同一側。
9.根據權利要求8所述的關聯層析裝置，其特徵在於所述的光源8是統計漲落已知的贗熱源，則所述的空間分辨能力的探測器(6)省去。
10.根據權利要求9所述的關聯層析裝置，其特徵在於所述的位相共軛鏡和反射強度隨機調製機構在一起。
【文檔編號】G01N21/47GK104237134SQ201410458896
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月10日 優先權日:2014年9月10日
【發明者】劉紅林, 韓申生 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所