基于摆动音圈电机的弧面光声显微成像装置及成像方法与流程

1.本发明涉及光声显微成像的研究领域，特别涉及一种基于摆动音圈电机的高速高分辨的弧面光声显微成像装置及成像方法。


背景技术：

2.光声成像技术是一种新的混合的生物医学成像模式，基于光声效应，当脉冲激光照射生物组织，由于组织吸收热量，吸光区域热膨胀产生超声波，以超声的形式传递信号，进而可以反应组织内部的光吸收分布情况。光声成像技术是将光学成像的高对比度和光谱特异性与超声成像的高空间分辨率相结合。其对比度不依赖于组织的机械和弹性特性，而是依赖于组织的光学特性，特别是光学吸收特性。通过光声成像可得到高分辨率和高对比度的组织图像。目前光声成像技术在显微成像领域得到快速发展。
3.光声显微成像由于其光束聚焦程度高，聚焦的光斑尺寸小，从而得到高分辨率的成像。但是由于光斑聚焦程度与焦深的权衡关系，往往高分辨率的成像都是需要平整度高的成像面，也就是所需成像的区域水平高度一致才可以获得均匀分辨率的成像。然而在实际对于生物样品进行成像时，成像面具有弧度不在统一水平高度，导致成像的可用信息面积大大减少且成像质量较差。为了解决这一问题，现有技术采用液态透镜进行动态调焦的方式进行光声显微成像，采用动态调节控制液态透镜的曲率，实现液态透镜焦距的改变的方式适应成像面高度的变化，但其需要不断重复扫描，无法快速成像。还有技术利用贝塞尔光束变化延长焦深获得更长的焦点区域，但是旁瓣产生的伪影影响分辨率且焦深延长的长度有限，无法做到半球形弧面的大尺度高速高分辨成像。另外，还有光声断层技术的开发具有较大的穿透深度，可以对较大体积进行成像，从而忽略表面不平整的而存在的离焦问题，但是其成像受限于超声的分辨率，存在成像分辨率不高的问题。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种基于摆动音圈电机的弧面光声显微成像装置，因摆动音圈电机的扫描轨道为弧形摆动，且摆动速度快，定位精度高，将其应用于半球型弧面样品的显微成像领域，能够在一个较大的弧度改变范围内保持高速高分辨率，使分辨率更加均匀，成像有效视野更大，提高了检测的灵敏度。
5.本发明的另一目的在于提供运用上述显微成像装置的成像方法，本发明首次将摆动音圈电机设计结构应用到光声显微成像领域，解决了半球型弧面的生物样品的完整成像问题，实现了高分辨，大作距离和高速工作能力的弧面光声显微成像系统，提升了大弧面生物样品的显微成像能力。
6.为了达到上述第一目的，本发明采用以下技术方案：
7.基于摆动音圈电机的弧面光声显微成像装置，其特征在于，包括弧形摆动控制系统、激发光系统、声采集系统、信号处理及图像重建系统；
8.所述弧形摆动控制系统包括：弧形摆动音圈电机、直线电机、电机驱动器、编码器、
fpga数字处理器以及钢性连接件；所述弧形摆动音圈电机包括动子和弧形的磁钢定子，通过磁钢定子通电后在弧形区域的磁场中产生弧线切向的洛伦兹力，实现大角度摆动；所述直线音圈电机用于带动摆动音圈电机直线运动，实现三维扫描；所述电机驱动器用于控制电机运动和改变运动方式；所述编码器用于进行位置和速度反馈；所述fpga数字处理器用于编码进入电机驱动器的波形，控制弧形摆动音圈电机进行摆动；所述钢性连接件固定于弧形摆动音圈电机的摆动轴上；
9.所述激发光系统包括：脉冲激光器、光纤耦合器、单模光纤、光纤准直器、聚焦透镜以及反射镜；所述光纤耦合器安装在脉冲激光器上，所述单模光纤的一端连接在光纤耦合器上，单模光纤的另一端连接在光纤准直器上；所述光纤准直器和聚焦透镜安装在弧形摆动控制系统的钢性连接件中，脉冲光束经过单模光纤进入准直器，出射平行光，经过聚焦透镜实现光束聚焦，照射在半球型弧面样品上；
10.所述声采集系统包括：透光反声镜、超声换能器、放大器、滤波器和采集卡；所述透光反声镜固定于钢性连接件中，用于透射脉冲激光及反射超声信号；所述超声换能器固定于钢性连接件中，将反射到其表面的超声信号转换为电信号输出；所述滤波器将超声换能器输出的信号进行滤波；所述放大器将输出的信号进行信号放大；所述采集卡将超声信号进行采集，输入计算机处理；所述超声换能器、放大器、滤波器和采集卡依次按顺序连接处理信号；
11.所述信号处理及图像重建系统包括：计算机，所述计算机连接采集卡，将输入信号进行弧线投影运算和三维图像重建工作，所述计算机同时连接fpga控制器，触发控制弧形摆动控制系统、激发光系统、声采集系统。
12.作为优选的技术方案，所述fpga数字处理器输出四路信号，其中两路方波信号同步触发脉冲激光器和采集卡，重复频率为10khz～100khz；一路信号输出脉冲波控制弧形摆动音圈电机的摆动周期，重复频率为1hz～25hz；一路信号输出方波控制直线电机前进，复频率为1hz～25hz。
13.作为优选的技术方案，所述弧形摆动音圈电机实现0～120
°
弧形扫描控制，左右摇摆一次为两次采集；
14.所述直线电机为直线步进电机或者直线音圈电机，配合弧形摆动音圈电机实现三维扫描，弧形摆动电机采集一次数据，直线电机行进一次。
15.作为优选的技术方案，所述钢性连接件的内部设计结构在固定摆动点与磁钢定子之间，扫描弧度与磁钢定子平行。
16.作为优选的技术方案，所述光纤耦合器、反射镜、聚焦透镜、透光反声镜固定于钢性连接件的预先设计的卡槽内，光束通过光纤耦合器、反射镜、聚焦透镜、透光反声镜的中心轴，所述反射镜和透光反声镜分别为45
°
和135
°
设置。
17.作为优选的技术方案，所述编码器采用光栅编码器或线性编码器；所述编码器反馈弧形摆动音圈电机的实时角度或者位置信息给电机驱动器，电机驱动器根据反馈角或者位置和预设角度或者位置进行伺服控制。
18.作为优选的技术方案，所述聚焦透镜为定焦透镜，用于实现平行光聚焦，聚焦焦距和聚焦程度可根据样品调节，更换透镜参数；或者所述聚焦透镜为轴锥镜或者变焦透镜，自适应成像样品焦点。
19.作为优选的技术方案，所述电机驱动器包括弧形摆动电机驱动器和直线电机驱动器；电机驱动器接受脉冲信号，通过摆动电机驱动器控制系统x方向高速摆动，通过直线驱动器驱动系统y方向前进或者后退，弧形摆动音圈电机与直线电机在一个脉冲周期内交替工作，完成二维扫描，三维成像。
20.为了达到上述另一目的，本发明采用以下技术方案：
21.基于摆动音圈电机的弧面光声显微成像装置的成像方法，包括下述步骤：
22.(1)激发：脉冲激光通过光纤耦合器入射到单模光纤中，经光纤准直器后产生平行出射激光，平行激光束入射聚焦透镜，聚焦光穿过透光反声镜，照射在生物样品上；产生的超声波被透光反声镜反射到聚焦换能器上，超声信号被聚焦换能器转变为电信号传输；
23.(2)摆动控制：fpga数字处理器分别输出脉冲波信号传到摆动电机驱动器和直线电机驱动器，摆动电机驱动器产生弧形摆动音圈电机左右摆动的周期变化电流，实时反馈直线电机驱动器产生控制直线电机的前进的时序控制电流；电机运动过程中通过编码器，根据要求的精度形成闭环反馈，实时反馈角度或者位置信息，进行精准定位；fpga数字处理器通过交替触发信号摆动电机和直线电机运动实现二维扫描，三维成像；
24.(3)数据采集：聚焦超声换能器所探测的信号通过采集信号线传递，依次进入滤波器进行降噪处理和放大器进行信号放大处理，传输到数据采集卡，由信号采集电路上的ac/dc转换模块进行信号转换，最后将信号传输储到计算机中；
25.(4)图像重建及显示：计算机将采集到的数据存储并处理，完成光声图像的三维全视野重建。
26.本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
27.(1)本发明采用弧形摆动扫描方式，很好的适应具有弧度的生物样品的成像，避免弧度过大导致的焦点严重偏离，造成的信息缺失问题。该扫描方式可以实现一次完整的弧形扫描，避免拼接问题，从而保证弧形样品的完整均匀高分辨率成像。
28.(2)本发明采用弧形摆动音圈电机，噪声低，提高了成像的信噪比，可以得到更高质量的光声显微图像，成像速度快，运动精度高，非常适合高分辨率成像，同时可以实现更多的全区域功能信息获取，实现高速高灵的敏度检测。
29.(3)本发明提供的光声显微成像装置结构简单紧凑，体积小，操作灵活。本发明搭配直线电机，可以获取三维高速高分辨图像。
附图说明
30.图1是本发明弧形摆动光声显微镜置的结构示意图。
31.图2是摆动电机的钢性连接件的内部结构图。
32.图3是本发明弧形摆动光声显微镜的主要器件原理图示意图。
33.附图标号说明：1-直线电机，2-弧形摆动音圈电机，3-位移台，4-显微镜基底台，5-钢性连接件，6-光纤准直器，7-超声换能器，8-反射镜，9-聚焦透镜，10-透光反声镜，11-中心固定转轴，12-单模光纤，13-编码器，14-电机驱动器，15-fpga数字处理器，16-光纤耦合器，17-脉冲激光器，18-采集卡，19-计算机，20
–
滤波器，21
–
放大器。
具体实施方式
34.下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式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方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
35.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
37.如图1-图3所示，本发明的一种基于摆动音圈电机的高速高分辨的弧面光声显微成像装置，包括：弧形摆动控制系统、激发光系统、声采集系统、信号处理及图像重建系统；本发明将摆动音圈电机与光声显微成像系统的结构与功能有机融合，利用摇摆音圈电机弧形扫描结合光束变换模块和信号接收模块，实现聚焦光焦深范围覆盖半球型弧面的生物样品的扫描，利用摆动音圈电机的高速摆动和低噪声特点结合直线电机的高速步进，完成生物样品的大尺度高速三维成像，继而实现对生物半球型弧面的生物样品的高速高分辨，大工作距离的三维无创显微成像。
38.如图1所示，所述弧形摆动控制系统包括：直线电机1、弧形摆动音圈电机2、位移台3、钢性连接件5、编码器13、电机驱动器14以及fpga数字处理器15。将直线电机1和弧形摆动音圈电机2分别固定在显微镜基底台4上面，使直线电机1位于摆动电机2的弧形拱桥下并且步进电机位移方向与摆动方向垂直。然后将钢性连接件5固定于弧形摆动音圈电机2的摆动轴上。
39.进一步的，所述弧形摆动音圈电机2包括动子和弧形的磁钢定子，通过磁钢定子通电后在弧形区域的磁场中产生弧线切向的洛伦兹力，动子被中心固定转轴11固定一端，另一端在磁钢定子中，实现大角度摆动；所述直线音圈电机用于带动摆动音圈电机直线运动，实现三维扫描；所述编码器13用于进行位置和速度反馈；所述fpga数字处理器15用于编码输出三角波形进入电机驱动器并控制弧形摆动音圈电机进行摆动。
40.进一步的，分别依次连接电机、编码器13、电机驱动器14、计算机19给fpga数字处理器通讯信号，fpga数字处理器15被编码产生弧形摆动音圈电机和直线电机的脉冲波，通过ad转换器分别输入电机驱动器14，电机驱动器14产生驱动电流控制电机的周期性运动。
41.同时，电机的编码器13通过闭环点电路实时反馈位置信息，进行精准的定位和控制。弧形摆动音圈电机2左右摆动一周为两次扫描，摆动一次为单次扫描，弧形摆动音圈电机摆动一次，直线电机前进一步。通过多次重复交替运动实现xy二维扫描，同时，由于光声成像的成像原理，可以获得z轴信息，所以可以实现xyz三维扫描。
42.更进一步的，所述fpga数字处理器15输出四路信号，其中，两路方波信号同步触发脉冲激光器17和采集卡8，一路信号输出锯齿波控制弧形摆动音圈电机的摆动周期，其重复频率可从1hz～25hz，一路信号输出方波控制直线电机前进，重复频率可从1hz～25hz。
43.更进一步的，编码器13可以为光栅编码器或线性编码器。所述编码器反馈弧形摆动音圈电机的实时角度信息给电机驱动器，电机驱动器根据反馈角和预设角度进行伺服控制。
44.更进一步的，所述钢性连接件5内部结构设计为光激发系统的器件和信号接收系统的器件的固定作用。
45.所述光激发系统包括：脉冲激光器17、光纤耦合器16、单模光纤12、光纤准直器6、聚焦透镜9和反射镜8。所述单模光纤12通过标准光纤连接头分别与脉冲激光器17的光纤耦合器16和光纤准直器6相连，光纤准直器6出射的平行光依次通过聚焦透镜9和透光反声镜10的中心轴后照射到样品上。
46.如图2所示，所述光纤耦合器16、反射镜8、聚焦透镜9、透光反声镜10固定于钢性连接件5的预先设计卡槽内，光束通过各元件中心轴，其中反射镜8和透光反声镜10分别为45
°
和135
°
放置。
47.进一步的，所述脉冲激光器17为ns级别激光脉冲，波长可选择范围从紫外区到红外区，脉冲重复频率覆盖1k-50k。
48.进一步的，所述单模光纤12为适应激光器的脉冲波长，使其可以单模态传输的纤芯直径，可以为4μm或者9μm纤芯直径的单模光纤。所述光纤准直器6使单模光纤出射的光束变为平行光。所述聚焦透镜9可以选择定焦透镜，实现平行光聚焦，聚焦焦距和聚焦程度可以根据样品调节，更换透镜参数；所述聚焦透镜9也可以为轴锥镜或者变焦透镜，自适应成像样品焦点。所述反射镜8为镀金属层的反射镜。
49.所述声采集系统包括：透光反声镜10、超声换能器7、放大器21、滤波器20和采集卡18。所述透光反声镜固定于钢性连接件中，用于透射脉冲激光及反射超声信号；所述超声换能器设计为聚焦换能器，固定于钢性连接件中，将反射到其表面的超声信号转换为电信号输出；所述滤波器将超声换能器输出的信号进行滤波；所述放大器将输出的信号进行信号放大；所述采集卡将超声信号进行采集，输入计算机处理；所述超声换能器、放大器、滤波器和采集卡依次按顺序连接处理信号；
50.进一步的，所述透光反声镜10选择紫外到红外区的高透光率并且具有大声阻抗的材料蓝宝石片，避免聚焦光束透过的能量损失，同时高效率反射超声信号，使成像灵敏度高。
51.进一步的，所述超声换能器7为聚焦超声换能器，使图像的分辨率更高，换能器的主频为1～60mhz，带宽为50～100％，超声换能器固定于钢性连接件5侧壁，透光反声镜10正后侧，高效接收声信号。所述超声换能器7将超声信号转为电信号后通过信号线输出，信号依次经过滤波器20、放大器21后进入采集卡18。
52.进一步的，所述滤波器20的带宽为0～60mhz，中心频率与超声换能器主频相同。放大器放大倍数为0～60db。
53.进一步的，所述采集卡21为单通道采集卡，采样率为100mhz～250mhz。
54.所述信号处理及图像重建系统包括：计算机19。如图3所示，所述计算机19连接采
集卡18，将输入信号进行弧线投影运算和三维图像重建工作，同时连接fpga数字处理器15，触发控制弧形摆动控制系统、激发光系统、声采集系统。所述计算机19分别与驱动控制电路、脉冲激光器、信号采集电路连接。
55.在本技术的另一个实施例中，还提供了一种基于摆动音圈电机的弧面光声显微成像装置的成像方法，以动物全脑成像为例，包括如下步骤：
56.(1)将小鼠术前准备工作完成后，固定于动物颅骨固定器上面，并将固定器固定于步进电机上，启动摆动电机弧面光声显微成像系统，脉冲激光器发射532nm的短脉冲激光通过光纤耦合器耦合进直径4μm单模光纤中，光纤另一端连接到钢性连接件的准直器上，出射平行光；
57.进一步的，脉冲激光的单脉冲能量设置为1uj，脉冲宽度为10ns，重复频率最大为20khz。
58.(2)从光纤准直器出射的平行光经反射镜反射，再经过焦距f＝30mm，数值孔径na＝0.13的非球面聚焦透镜和3mm*3mm*0.1mm的蓝宝石透光反声后，照射到鼠脑上。
59.(3)脑部血管被激发产生的光声信号被蓝宝石片反射进入聚焦超声换能器，然后通过采集信号线将信号传递到滤波器和放大器，信号被滤波和放大后输入到采集卡，最终传输到计算机中进行处理存储；
60.(4)计算机输出指令控制fpga的工作，fpga被触发产生四路信号，其中，两路方波信号同步出发激光器和采集卡，触发频率为10khz，一路信号输出锯齿波控制音圈电机摆动周期，触发频率为25hz，一路信号输出方波控制直线电机前进，重复频率为50hz。将多张光声图像叠加得到三维图像。
61.(5)计算机通过编程重建光声信号图像，将多个不同深度扫描的光声信号图像通过算法叠加，得到高分辨率和高对比度的光声图像.
62.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。