一种基于布里渊-光学相干-散斑的多模态弹性检测装置

1.本发明涉及成像装置技术领域，尤其涉及一种基于布里渊-光学相干-散斑的多模态弹性检测装置。


背景技术：

2.本发明作为一种弹性测量装置，主要是通过将布里渊散射弹性成像(bse)、光学相干弹性成像(oce)和散斑弹性成像(lse)三种技术相结合，用于检测生物组织的弹性分布。发明思想在于病变组织如恶性肿瘤、脑损伤、皮肤癌等，在疾病早期阶段结构图像不能完全确定疾病的发展。组织的生物力学特性对评估组织功能和状态具有重要意义，为临床疾病预防、诊断和监测提供了独特的信息。由于分子、细胞和组织水平的结构和相互作用的变化，生物力学特性的差异已在传统的临床实践中得到评估。如触诊是评估生物力学特性变化的经典方法，已被广泛用于发现乳腺癌、评估腹部器官功能和诊断皮肤疾病。然而，触诊只能根据组织硬度来定性评估疾病的发展状况，依赖于个人经验，缺乏临床标准。因此，研究一种新的技术获取生物组织的弹性信息对于人类健康和疾病诊断具有重要的应用价值和意义。
3.弹性成像技术中，布里渊散射是一种非弹性散射过程，其光谱特性与介质的属性(如密度、粘度、弹性模量等)密切相关，因此可采用布里渊散射弹性成像(bse)技术通过计算布里渊频移测量生物组织的体弹性模量。光学相干弹性成像技术(oce)是一种基于光学相干层析成像技术的新型弹性测量手段，通过检测生物组织内部弹性波传播信息来量化生物组织的弹性模量(如剪切模量、杨氏模量)，实现高分辨和非侵入性对生物组织的生物力学性能的评估。散斑弹性成像(lse)是指组织表面的散射粒子会使入射光发生背向散射，由于不同散射光到达相机成像面的光程差不同，不同散射光之间会在像面上形成随机干涉现象，在空间分布上表现为明暗变化的颗粒图样。成像时，通过外部激励装置产生样品振动，通过散斑衬比成像系统追踪瑞利波的传播，进而计算出被测样本的弹性系数和粘度系数。
4.因此，采用bse-oce-lse多模态弹性成像系统装置能够原位同步测量病变组织的生物力学特性，从而为疾病的预防和诊断提供科学依据。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决现有技术中存在的技术问题，提供一种弹性检测的多模态成像装置。
6.为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种基于布里渊-光学相干-散斑的多模态弹性检测装置，包括布里渊-光学相干弹性成像共路扫描单元、布里渊散射弹性成像系统、光学相干弹性成像系统、散斑弹性成像系统和时序控制器，所述布里渊散射弹性成像系统和所述光学相干弹性成像系统共用布里渊-光学相干弹性成像共路扫描单元；所述布里渊-光学相干弹性成像共路扫描单元由二向色镜、扫描振镜、第一关学快门和物镜组成；
7.所述布里渊散射弹性成像系统包括布里渊信号激发单元和布里渊信号采集单元，
所述布里渊信号激发单元用于激发布里渊散射信号；所述布里渊信号采集单元用于采集布里渊光谱信号，以计算体弹性模量；
8.所述光学相干弹性成像系统包括光学相干层析成像单元和声辐射力激励单元，所述光学相干层析成像单元，用于收集样品内部产生的干涉信号；所述声辐射力激励单元，用于对样品产生振动，以生成波传播；
9.所述散斑弹性成像包括散斑信号激发单元和散斑信号采集单元；所述散斑信号激发单元用于激发样品表面产生的宽视场散斑信号；所述散斑信号采集单元用于收集样品表面产生的宽视场散斑信号，以生成弹性信息；
10.所述时序控制器主要用于布里渊散射弹性成像系统、光学相干弹性成像系统和散斑弹性成像的分步运行。
11.优选的，所述布里渊散射信号激发单元由窄线宽连续激光器、第一光纤隔离器、光纤延迟线、光纤环形器、第一准直器和分束镜组成；所述布里渊信号采集单元由第五准直器、布里渊光谱仪和第一探测器组成；所述布里渊弹性成像系统中，窄线宽连续激光器发射光束，经第一光纤隔离器、光纤延迟线、光纤环形器的1号口、光纤环形器的2号口和第一准直器后被分束镜分光，反射光经二向色镜、振镜组和第一光学快门后，由物镜聚焦到样品表面，与样品相互作用后产生后向布里渊散射，样品的后向布里渊散射光沿原光路返回，从光纤环形器3号口输出，经第五准直器准直，进入布里渊光谱仪进行鉴频，并由第一探测器接收。
12.优选的，将布里渊散射弹性成像系统、光学相干弹性成像系统和散斑弹性成像系统相融合，通过时序控制器和光纤延迟线使激光器发出的光束同时到达样品进行检测，实现对样品弹性宽视场、高速度和高精度的原位同步测量。
13.优选的，所述光学相干层析成像单元由超宽带发光二极管、第二光纤隔离器、2*2光纤耦合器、第二准直器、参考臂、光栅光谱仪、和线阵ccd21组成；所述声辐射力激励单元由信号发生器、功率放大器和超声换能器组成；所述光学相干弹性成像系统中，超宽带发光二极管发射出光束，经第二光纤隔离器、2*2光纤耦合器和第二准直器准直后，被二向色镜反射，反射光经振镜组和第一光学快门后，由物镜聚焦到待测的样品上，与样品相互作用产生的背向散射光沿原路返回，在2*2光纤耦合器中与参考臂返回的光束产生干涉，进入到光栅光谱仪中，并由线阵ccd采集接收；同时光学相干弹性成像系统产生的触发信号同步信号发生器产生正弦波信号经功率放大器放大后由超声换能器激发样品，使样品产生振动并通过光学相干弹性成像系统中的光学相干层析成像单元采集。
14.优选的，所述超声换能器包括超声发生单元和阻抗匹配耦合剂，所述的阻抗匹配耦合剂主要贴附于超声发生单元用于匹配第三介质以降低空气中传播时声辐射功率的衰减。
15.优选的，所述散斑信号激发单元由窄线宽连续激光器、第一光纤隔离器、光纤延迟线、光纤环形器、第一准直器、分束镜、第二光学快门、第二平面反射镜、扩束镜组成；所述散斑信号采集单元由物镜、翻转反射镜、第二探测器组成，所述散斑检测系统中，窄线宽连续激光器发射出光束，经第一光纤隔离器、光纤延迟线、光纤环形器的1号口、光纤环形器的2号口和第一准直器后被分束镜分光，透射分束镜的光束经第二光学快门、第二平面反射镜和扩束镜，入射到待测样品上，与待测样品相互作用产生散射信号经物镜，被翻转反射镜反
射到第二探测器中，进行检测。
16.优选的，所述散斑信号激发单元和所述布里渊-光学相干弹性成像共路扫描单元通过所述第一光学快门、第二光学快门和翻转反射镜交替使用，从而实现所述散斑信号激发单元和所述布里渊-光学相干弹性成像共路扫描单元的交替使用。
17.优选的，布里渊-光学相干弹性成像共路扫描单元通过振镜组，实现对样品x-y面上的扫描，获得oce三维弹性分布，同时通过调节物镜焦距，实现对样品不同深度处的扫描，获取三维布里渊弹性分布图像。
18.本发明有益效果：
19.本发明利用布里渊散射弹性成像能够高精度检测体弹性模量、光学相干弹性成像能够快速获得整个样品的弹性分布进行三维弹性映射和散斑弹性成像的宽场弹性检测的优势，对病变组织弹性分布的原位同步成像，从而为临床疾病的早期诊断提供科学依据和技术支撑。
附图说明
20.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
21.图1是本发明布里渊散射成像-光学相干弹性成像-散斑弹性成像的多模态弹性检测成像装置。
22.附图标注：
23.1-窄线宽连续激光器2-第一光纤隔离器3-光纤延迟线4-光纤环形器5-第一准直器6-分束镜7-超宽带发光二极管8-第二光纤隔离器9-2*2光纤耦合器10-第二准直器11-二向色镜12-振镜组13-第一光学快门14-物镜15-第三准直器16-衰减器17-第一平面反射镜18-第四准直器19-光栅光谱仪20-平凸透镜21-线阵ccd 22-第五准直器23-布里渊光谱仪24-第一探测器25-第二光学快门26-第二平面反射镜27-扩束镜28-翻转反射镜29-第二探测器30-样品31-时序控制器32-计算机33-信号发生器34-功率放大器35-超声换能器。
具体实施方式
24.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
25.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
26.参照图1，本发明的优选实施例，一种基于布里渊-光学相干-散斑的多模态弹性检测装置，包括布里渊-光学相干弹性成像共路扫描单元、布里渊散射弹性成像系统、光学相干弹性成像系统、散斑弹性成像系统和时序控制器31，所述布里渊散射弹性成像系统和所述光学相干弹性成像系统共用布里渊-光学相干弹性成像共路扫描单元；所述布里渊-光学相干弹性成像共路扫描单元由二向色镜11、扫描振镜12、第一光学快门13和物镜14组成，用
于实现同时获取样品30的布里渊信号和光学干涉信号，具体地，所述布里渊-光学相干弹性成像共路扫描单元通过二向色镜11实现共光路传播和激发，使布里渊散射弹性成像系统和光学相干弹性成像系统实现原位同步检测；
27.所述布里渊散射弹性成像系统包括布里渊信号激发单元和布里渊信号采集单元，所述布里渊信号激发单元用于激发布里渊散射信号；所述布里渊信号采集单元用于采集布里渊光谱信号，以计算体弹性模量；
28.所述光学相干弹性成像系统包括光学相干层析成像单元和声辐射力激励单元，所述光学相干层析成像单元，用于收集样品30内部产生的干涉信号；所述声辐射力激励单元，用于对样品30产生振动，以生成波传播；
29.所述散斑弹性成像包括散斑信号激发单元和采集单元；所述散斑信号激发单元用于激发样品30表面产生的宽视场散斑信号；所述散斑信号采集单元用于收集样品30表面产生的宽视场散斑信号，以生成弹性信息；
30.所述时序控制器31主要用于布里渊散射弹性成像系统、光学相干弹性成像系统和散斑弹性成像的分步运行。
31.作为本发明的优选实施例，其还可具有以下附加技术特征：
32.本实施例中，所述布里渊散射信号激发单元由窄线宽连续激光器1、第一光纤隔离器2、光纤延迟线3、光纤环形器4、第一准直器5和分束镜6组成；所述布里渊信号采集单元由第五准直器22、布里渊光谱仪23和第一探测器24组成；所述布里渊弹性成像系统中，窄线宽连续激光器1发射光束，经第一光纤隔离器2、光纤延迟线3、光纤环形器4的1号口、光纤环形器4的2号口和第一准直器5后被分束镜6分光，反射光经二向色镜11、振镜组12和第一光学快门13后，由物镜14聚焦到样品30表面，与样品30相互作用后产生后向布里渊散射，样品30的后向布里渊散射光沿原光路返回，从光纤环形器4的3号口输出，经第五准直器22准直，进入布里渊光谱仪23进行鉴频，并由第一探测器24接收。
33.本实施例中，所述布里渊散射弹性成像系统、光学相干弹性成像系统和散斑弹性成像系统发出的光束通过所述时序控制器31、光纤延迟线3同时到达样品30进行检测，实现对样品30弹性宽视场、高速度和高精度的原位同步测量。
34.本实施例中，所述光学相干层析成像单元由超宽带发光二极管7、第二光纤隔离器8、2*2光纤耦合器9、第二准直器10、参考臂、光栅光谱仪19、和线阵ccd21组成；所述声辐射力激励单元由信号发生器33、功率放大器34和超声换能器35组成；所述光学相干弹性成像系统中，超宽带发光二极管7发射出光束，经第二光纤隔离器8、2*2光纤耦合器9和第二准直器10准直后，被二向色镜11反射，反射光经振镜组11和第一光学快门13后，由物镜14聚焦到待测的样品30上，与样品30相互作用产生的背向散射光沿原路返回，在2*2光纤耦合器9中与参考臂返回的光束产生干涉，进入到光栅光谱仪19中，并由线阵ccd21采集接收；同时光学相干弹性成像系统产生的触发信号同步信号发生器33产生正弦波信号经功率放大器34放大后由超声换能器34激发样品，使样品30产生振动并通过光学相干弹性成像系统中的光学相干层析成像单元采集。
35.具体地，所述参考臂包括第三准直器15、衰减器16、第一平面反射镜17，所述光栅光谱仪19包括第四准直器18、光栅和平凸透镜20。
36.本实施例中，所述超声换能器35包括超声发生单元和阻抗匹配耦合剂，所述的阻
抗匹配耦合剂主要贴附于超声发生单元用于匹配第三介质以降低空气中传播时声辐射功率的衰减。
37.本实施例中，所述散斑信号激发单元由窄线宽连续激光器1、第一光纤隔离器2、光纤延迟线3、光纤环形器4、第一准直器5、分束镜6、第二光学快门25、第二平面反射镜26、扩束镜27组成；所述散斑信号采集单元由物镜14、翻转反射镜28、第二探测器29组成，所述散斑检测系统中，窄线宽连续激光器1发射出光束，经第一光纤隔离器2、光纤延迟线3、光纤环形器4的1号口、光纤环形器4的2号口和第一准直器5后被分束镜6分光，透射分束镜6的光束经第二光学快门25、第二平面反射镜26和扩束镜27，入射到待测样品30上，与待测样品30相互作用产生散射信号经物镜14，被翻转反射镜28反射到第二探测器29中，进行检测。
38.具体地，所述散斑信号接收单元通过翻转反射镜28，实现散斑检测系统检测样品30时，反射散斑信号，进行信号采集的目的；散斑检测系统不工作时，再次通过翻转反射镜28，实现布里渊-光学相干弹性成像共路扫描单元探测光的传输。
39.本实施例中，所述散斑信号激发单元和所述布里渊-光学相干弹性成像共路扫描单元通过所述第一光学快门13、第二光学快门25和翻转反射镜28交替使用，从而实现所述散斑信号激发单元和所述布里渊-光学相干弹性成像共路扫描单元的交替使用。
40.本实施例中，布里渊-光学相干弹性成像共路扫描单元通过振镜组11，实现对样品30的x-y面上的扫描，获得oce三维弹性分布，同时通过调节物镜14焦距，实现对样品30不同深度处的扫描，获取三维布里渊弹性分布图像。
41.具体地，对生物组织进行检测时，主要分为八步：
42.第一步，开启光学相干层析成像系统；不包含声辐射力激发单元的光学相干弹性成像系统，可近似看作光学相干层析成像系统，以检测组织结构，关闭第二光学快门25，阻断光束进入散斑信号激发单元，打开第一光学快门13，翻转反射镜28旋转离光路，使振镜组12后的光束能通过第一光学快门13后入射到物镜14中。
43.第二步，光学相干层析成像系统进行组织结构检测；具体地，光学相干弹性成像系统中光学相干层析成像单元，由超宽带发光二极管7释放的850nm的激发光，经第二光纤隔离器8和2*2光纤耦合器9后，用第二准直器10进行准直，进入到布里渊-光学相干弹性成像共路扫描单元，原路返回的后向散射信号被二向色镜11反射，经第二准直器10，进入到2*2光纤耦合器9中，由第四准直器18输出，输出的散射信号经光栅光谱仪19分光后，由平凸透镜20聚焦至线阵ccd21中采集信号，并使用计算机32对采集到的信号进行处理，获得生物组织结构信息。
44.第三步，转换系统，开启散斑检测系统；打开第二光学快门25，光束进入散斑信号激发单元，关闭第一光学快门13，翻转反射镜28将光束入射进散斑弹性成像系统的采集光路。
45.第四步，开启声辐射力激发单元，产生低频超声信号，声辐射力系统对样品30进行施加外部作用力，使样品30中产生弹性波的传播，具体细节如下：
46.①
时序控制器31产生外部触发信号经连接线至信号发生器33产生正弦波调制信号，经功率放大器34放大后驱动超声换能器35产生激发力。
47.②
超声换能器35中阻抗匹配耦合剂主要贴附于超声发生单元用于匹配第三介质以降低空气中传播时声辐射功率的衰减。
48.第五步，散斑弹性成像系统对样品30进行宽场弹性成像，检测宽视场范围内组织中弹性波的传播过程。具体细节如下：
49.①
在散斑弹性成像系统进行宽场扫描时，打开第二光学快门25，开启散斑信号激发单元；翻转反射镜28转至光路中，开启散斑信号接收单元。
50.②
散斑信号激发单元中，分束镜6分出的一束光，通过第二光学快门25后，被第二平面反射镜26反射后入射至扩束镜27扩束，以宽场光斑的形式打在样品30上，与样品30相互作用。
51.③
散斑信号接收单元，在样品30处产生的散斑信号通过物镜14，被翻转反射镜28反射进入探测器29，采集散斑信号，并使用计算机32对采集到的信号进行处理。
52.第六步，转换系统；关闭散斑检测系统，开启布里渊散射弹性成像系统和光学相干弹性成像系统；关闭第二光学快门25，阻断光束进入散斑信号激发单元，打开第一光学快门13，翻转反射镜28旋转离光路，使振镜组12后的光束能通过第一光学快门13后入射到物镜14中。
53.第七步，开启声辐射力激励单元，产生高频超声信号，声辐射力激励单元对样品30进行施加外部作用力，使样品30中产生弹性波的传播。
54.第八步，布里渊散射弹性成像系统和光学相干弹性成像系统同时检测样品30弹性模量时，布里渊散射弹性成像系统高精度获取组织的体弹性模量，光学相干弹性成像系统通过其高速度和高灵敏度的特点快速获取组织弹性分布图像，布里渊弹性成像系统和光学相干弹性成像系统共用布里渊-光学相干弹性成像扫描单元，能实现布里渊弹性成像系统和光学相干弹性成像系统原位同步检测，具体细节如下：
55.①
共用的布里渊-光学相干弹性成像扫描单元主要包括二向色镜11、振镜组12、第一光学快门13和物镜14，二向色镜11透射布里渊散射弹性成像系统中的激发光进入布里渊-光学相干弹性成像共路扫描单元，反射光学相干弹性成像系统中的激发光进入布里渊-光学相干弹性成像系统共路扫描单元，进入到布里渊-光学相干弹性成像系统共路扫描单元的光束最后聚焦到样品30上，与样品30相互作用产生散射信号；
56.②
布里渊散射信号激发单元中，由窄线宽连续激光器1释放出780nm的激发光，经第一光纤隔离器2、光纤延迟线后3进入环形器4的1口，由环形器4的2号口输出的空间光用第一准直器5进行准直，并被分束镜6分束，一部分进入到-光学相干弹性成像系统共路扫描单元；
57.③
光学相干弹性成像系统中的光学相干层析成像单元中，由超宽带发光二极管7释放的850nm的激发光，经第二光纤隔离器8和2*2光纤耦合器9后，用第二准直器10进行准直，进入到布里渊-光学相干弹性成像系统共路扫描单元；
58.④
调节时序控制器31和光纤延迟线3，控制窄线宽连续激光器1和超宽带发光二极管7的时序，保证窄线宽连续激光器1和超宽带发光二极管7输出的光束同时到达二向色镜11；
59.⑤
样品30处产生的信号光从布里渊-光学相干弹性成像共路扫描单元沿原光路返回，并由信号接收单元采集，布里渊散射弹性成像系统与光学相干弹性成像系统具有独立的信号接收单元，其中布里渊散射信号接收单元中，在样品30处产生的后向布里渊散射信号沿原光路返回，经光纤环形器4后由第五准直器22准直，进入布里渊光谱仪23中，由第一
探测器24进行光谱检测，使用计算机32处理采集到的光谱信号；
60.⑥
光学相干弹性成像系统采集单元中，沿着布里渊-光学相干弹性成像共路扫描单元原路返回的后向散射信号被二向色镜11反射，经第二准直器10，进入到2*2光纤耦合器9中，由第四准直器18输出，输出的散射信号经光栅光谱仪19分光后，由平凸透镜20聚焦至线阵ccd21中采集信号，并使用计算机32对采集到的信号进行处理。
61.在不出现冲突的前提下，本领域技术人员可以将上述附加技术特征自由组合以及叠加使用。
62.以上所述仅为本发明的优先实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。