一种多重散射光子探测增强的显微成像医疗系统技术方案

本发明专利技术提出了一种多重散射光子探测增强的显微成像医疗系统，采用同轴配置的长焦深的入射光和长焦深的自弯曲的检测光去实现光学显微镜成像

【技术实现步骤摘要】
一种多重散射光子探测增强的显微成像医疗系统


[0001]本专利技术涉及一种显微成像
，特别是涉及一种多重散射光子探测增强的显微成像医疗系统
。

技术介绍

[0002]光学相干断层扫描（
OCT
）的形态成像在过去几十年中取得了重大进展
。OCT
依赖于从样品反向散射的光的相干性，干扰起着门控的重要作用，可以准确确定检索信号的空间原点
。
当折射率不匹配时，就会发生反向散射，通常由样品微观结构中存在的次分辨率散射体产生
。
虽然
OCT
的进步是惊人的，但其深度解析能力存在重大缺陷
。
强散射介质会导致入射场的多次散射，从而导致像差，在图像中产生漫射背景雾，并阻碍从深度提取信息
。
为了解决这个问题，
2010
年代初引入了使用双轴架构的相干成像
。
传统的
OCT
成像依赖于检测弹道光子或来自特定目标层的单向背散射光子，以提供近衍射极限的分辨率
。
然而，弹道信号呈指数衰减，使得深层组织成像极其困难
。
此外，单反向散射模型提供了对相干光束在组织中传播的不完整描述，并且通过成像层的光子中有很大一部分仅经历小角度前向散射
。
虽然这些低阶散射事件只对光子的传播轨迹造成微小的变化，从而保留了它们携带的基本结构组织信息，但传统的
OCT
无法收集这些光子
。
可以收集倍增前向散射光子的新型成像几何形状能够扩展干涉成像系统的深度穿透
。
[0003]因此，双轴
OCT
被提出，（
Zhao Y, Eldridge W J, Maher J R, et al. Dual
‑
axis optical coherence tomography for deep tissue imaging[J]. Optics letters, 2017, 42(12): 2302
‑
2305.
）其利用独特的离轴扫描方法优先检测多个前向散射光子，以对深层地下形态进行成像
。
然而，由于双轴架构自身缺点，双轴
OCT
的成像系统的景深受到影响，导致景深比传统
OCT
降低9倍
。
[0004]CN113092381A
专利技术公开了一种适用于光声显微成像大景深探测的声光耦合棱镜，其利用一种特殊的声透镜产生贝塞尔声束，超声换能器发出的声束在声透镜作用下形成贝塞尔声束，实现光与声的共焦耦合，最终实现了扩展焦深的特点，但是不能解决深层信号检测效率低的问题
。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种多重散射光子探测增强的显微成像医疗系统
。
[0006]为了实现本专利技术的上述目的，本专利技术提供了一种多重散射光子探测增强的显微成像医疗系统，采用同轴配置的长焦深的入射光和长焦深的自弯曲的检测光去实现光学显微镜成像
。
[0007]在本专利技术的一种优选实施方式中，包括扫频激光器，光纤耦合器，光纤准直器，第一光场调制模块，位移滑台，偏振控制器，可变光程差延迟线，均分光纤耦合器，光电平衡探测器，数据采集模块，脉冲激光器，起偏器，半波片，第二光场调制模块，第一锥透镜和第二
锥透镜，位移台，二项色镜，物镜，样品，扫描台，电脑；脉冲激光器输出的激发光束传至起偏器，起偏器输出的激发光束传至半波片，半波片输出的激发光束传至第二光场调制模块，第二光场调制模块输出的激发光束传至二项色镜的透射面；扫频激光器输出的光进入光纤耦合器的第一端口，光纤耦合器将光一分为二，一部分用作参考臂，另一部分用于样品臂；参考臂部分的光束从光纤耦合器的第三端口输出至可变光程差延迟线，可变光程差延迟线输出的光进入均分光纤耦合器；样品臂部分的检测光束从光纤耦合器的第二端口输出至光纤准直器，准直后的检测光束传至第一光场调制模块，第一光场调制模块输出的检测光束传至二项色镜的反射面，与激发光束在此合束为同轴光束；同轴的检测光束和激发光束一起经过物镜聚焦在样品上；样品被置于扫描台上，扫描台用于控制样品三维运动；样品被激发光束照射后，产生光声效应，产生光声信号，引起样品发生高频振动；样品返回的散射光被物镜接收，然后被二项色镜反射，反向通过第一光场调制模块和光纤准直器，进入光纤耦合器的第二端口后又从光纤耦合器的第四端口输出至偏振控制器，最后也进入均分光纤耦合器；在均分光纤耦合器中，样品返回的散射光与参考臂光束发生干涉，干涉信号被均分光纤耦合器一分为二传至光电平衡探测器，光电平衡探测器对输入的光信号进行差分放大，得到
OCT
信号
S1
，
S1
通过射频线缆传至数据采集模块，数据采集模块根据电脑的指令选择性的传输数据给电脑，电脑得到数据后进行数据重建，最终得到
OCT
图像和光声图像
。
[0008]在本专利技术的一种优选实施方式中，所述的脉冲激光器的脉冲频率小于
5MHz
，脉宽小于
1ms
；所述的脉冲激光器和扫频激光器1的波长不相同；所述的扫频激光器的工作频率大于等于脉冲激光器的工作频率；且扫频激光器的工作频率大于等于脉冲激光器激励产生的光声信号的中心频率；所述的扫频激光器输出的光场是
TEM00
模式的高斯光；所述的脉冲激光器输出的光场是
TEM00
模式的高斯光；所述的第一光场调制模块将
TEM00
模式的高斯光变为长焦深的自弯曲的光场；或者所述的第一光场调制模块是具有立方相位因子的相位板，将
TEM00
模式的高斯光变为长焦深的自弯曲的艾里光束；所述的第二光场调制模块将
TEM00
模式的高斯光变为长焦深的光场
。
[0009]在本专利技术的一种优选实施方式中，所述的第二光场调制模块包含第一锥透镜和第二锥透；所述的第一锥透镜和第二锥透镜完全一样，且相对摆放；所述的第一锥透镜和第二锥透镜之间的距离通过位移台灵活调整，从而改变第二光场调制模块输出光场的参数；所述的第二光场调制模块与物镜之间的距离等于第二光场调制模块与物镜的焦距之和
。
[0010]在本专利技术的一种优选实施方式中，所述的长焦深的光场是相对与传统的高斯光经
过物镜聚焦后的光场的焦深，一束标准高斯光是
TEM00
模式，其经过物镜聚焦后，焦点处的光斑直径是
0.61
λ
/NA
，其中
λ
是在入射光束的波长，
NA
是物镜的数值孔径；焦点直径扩大21/2
倍对应的长度被认为是焦深，焦深计算公式为2λ
/(
π
NA2)
；所述的长焦深光场是本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种多重散射光子探测增强的显微成像医疗系统，其特征在于，采用同轴配置的长焦深的入射光和长焦深的自弯曲的检测光去实现光学显微镜成像
。2.
根据权利要求1所述的多重散射光子探测增强的显微成像医疗系统，其特征在于，包括扫频激光器，光纤耦合器，光纤准直器，第一光场调制模块，位移滑台，偏振控制器，可变光程差延迟线，均分光纤耦合器，光电平衡探测器，数据采集模块，脉冲激光器，起偏器，半波片，第二光场调制模块，第一锥透镜和第二锥透镜，位移台，二项色镜，物镜，样品，扫描台，电脑；脉冲激光器输出的激发光束传至起偏器，起偏器输出的激发光束传至半波片，半波片输出的激发光束传至第二光场调制模块，第二光场调制模块输出的激发光束传至二项色镜的透射面；扫频激光器输出的光进入光纤耦合器的第一端口，光纤耦合器将光一分为二，一部分用作参考臂，另一部分用于样品臂；参考臂部分的光束从光纤耦合器的第三端口输出至可变光程差延迟线，可变光程差延迟线输出的光进入均分光纤耦合器；样品臂部分的检测光束从光纤耦合器的第二端口输出至光纤准直器，准直后的检测光束传至第一光场调制模块，第一光场调制模块输出的检测光束传至二项色镜的反射面，与激发光束在此合束为同轴光束；同轴的检测光束和激发光束一起经过物镜聚焦在样品上；样品被置于扫描台上，扫描台用于控制样品三维运动；样品被激发光束照射后，产生光声效应，产生光声信号，引起样品发生高频振动；样品返回的散射光被物镜接收，然后被二项色镜反射，反向通过第一光场调制模块和光纤准直器，进入光纤耦合器的第二端口后又从光纤耦合器的第四端口输出至偏振控制器，最后也进入均分光纤耦合器；在均分光纤耦合器中，样品返回的散射光与参考臂光束发生干涉，干涉信号被均分光纤耦合器一分为二传至光电平衡探测器，光电平衡探测器对输入的光信号进行差分放大，得到
OCT
信号
S1
，
S1
通过射频线缆传至数据采集模块，数据采集模块根据电脑的指令选择性的传输数据给电脑，电脑得到数据后进行数据重建，最终得到
OCT
图像和光声图像
。3.
根据权利要求2所述的多重散射光子探测增强的显微成像医疗系统，其特征在于，所述的脉冲激光器的脉冲频率小于
5MHz
，脉宽小于
1ms
；所述的脉冲激光器和扫频激光器1的波长不相同；所述的扫频激光器的工作频率大于等于脉冲激光器的工作频率；且扫频激光器的工作频率大于等于脉冲激光器激励产生的光声信号的中心频率；所述的扫频激光器输出的光场是
TEM00
模式的高斯光；所述的脉冲激光器输出的光场是
TEM00
模式的高斯光；所述的第一光场调制模块将
TEM00
模式的高斯光变为长焦深的自弯曲的光场；或者所述的第一光场调制模块是具有立方相位因子的相位板，将
TEM00
模式的高斯光变为长焦深的自弯曲的艾里光束；所述的第二光场调制模块将
TEM00
模式的高斯光变为长焦深的光场
。4.
根据权利要求2所述的多重散射光子探测增强的显微成像医疗系统，其特征在于，所述的第二光场调制模块包含第一锥透镜和第二锥透；
所述的第一锥透镜和第二锥透镜完全一样，且相对摆放；所述的第一锥透镜和第二锥透镜之间的距离通过位移台灵活调整，从而改变第二光场调制模块输出光场的参数；所述的第二光场调制模块与物镜之间的距离等于第二光场调制模块与物镜的焦距之和
。5.
根据权利要求2所述的多重散射光子探测增强的显微成像医疗系统，其特征在于，所述的长焦深的光场是相对与传统的高斯光经过物镜聚焦后的光场的焦深，一束标准高斯光是
TEM00
模式，其经过物镜聚焦后，焦点处的光斑直径是
0.61
λ
/NA
，其中
λ
是在入射光束的波长，
NA
是物镜的数值孔径；焦点直径扩大21/2
倍对应的长度被认为是焦深，焦深计算公式为2λ
/(
π
NA2)
；所述的长焦深光场是在保持焦点处的光斑直径不变的情况下，扩展焦深，实现长焦深的特点
。6.
根据权利要求2所述的多重散射光子探测增强的显微成像医疗系统，其特征在于，所述的长焦深的自弯曲的光场是指相对于传统的高斯光经过物镜聚焦后的光场，其焦深得到了扩展加长，同时光场传播方向也会发生横向偏移，即逐渐偏离入射高斯光束的传播方向；所述的长焦深的自弯曲的光场的横向偏移量
x0
是传播深度
z
的函数，且满足
x0=k1*exp(k2*z+k3)+k4
，其中
k1、k2、k3、k4
都是常数，即随着传播深度
z
的增加，横向偏移量
x0
呈指数增加
。7.
根据权利要求2所述的多重散射光子探测增强的显微成像医疗系统，其特征在于，还包括成像模式选择，成像模式选择包括通过电脑选择成像模式：模式一是
OCT
成像，模式二是光声成像；模式一，
OCT
成像：电脑输出控制信号<...

【专利技术属性】
技术研发人员：任秋实，胡毅成，黄智宇，冯豫韬，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：