本發(fā)明屬于超聲成像。更具體地，本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生光聲或光聲圖像的裝置、系統(tǒng)和方法，其允許生成存在于優(yōu)選地為生物來源的各種組織或樣本中的物質(zhì)或結(jié)構(gòu)的功能、分子和解剖圖像。

背景技術(shù)：

1、光聲效應(yīng)描述了在先前用通常由激光源產(chǎn)生的高強(qiáng)度短光脈沖(被理解為光束)照射的組織中產(chǎn)生超聲。這些脈沖(持續(xù)時間在納秒范圍內(nèi)，頻率在可見或近紅外波段內(nèi))撞擊的組織分子吸收部分光脈沖能量，并將其轉(zhuǎn)化為一系列快速熱彈性膨脹，從而產(chǎn)生超聲范圍內(nèi)的聲壓波。

2、在獲得組織圖像(優(yōu)選生物組織圖像)中使用這種效應(yīng)在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的。近年來，這已經(jīng)允許開發(fā)各種技術(shù)來以非侵入方式獲得功能、分子和解剖學(xué)圖像，因為它不是基于電離輻射的使用，這在活組織的研究的情況下是特別有利的。

3、同樣，為了觀察用合適的對比度照射的樣本的特定區(qū)域，需要調(diào)節(jié)光頻率，以便將其調(diào)節(jié)到其中存在的發(fā)色團(tuán)(西班牙語：cromóforos，其存在于某些物質(zhì)的分子中的區(qū)域，其中分子軌道之間的能量差在可見或紅外光譜范圍內(nèi))的吸收帶。對于該頻率，能夠再發(fā)射在超聲波中吸收的輻射的這些區(qū)域具有比周圍物質(zhì)更大的光學(xué)吸收，并且因此在最終圖像中呈現(xiàn)更高水平的對比度。所用的發(fā)色團(tuán)通常是內(nèi)源的，即它們天然存在于所研究的組織中。這種類型的物質(zhì)的實例包括血管中的血紅蛋白、負(fù)責(zé)表皮色素沉著的黑色素、脂肪組織中的一些脂質(zhì)、以及結(jié)締組織中的膠原蛋白和彈性蛋白。這些物質(zhì)是待研究樣本的天然部分的事實允許在不使用外部化學(xué)試劑的情況下觀察組織分子的功能響應(yīng)，這與其它技術(shù)形成對比，所述其它技術(shù)例如僅提供解剖學(xué)圖像的傳統(tǒng)超聲，或需要外部造影劑(例如微泡)以能夠進(jìn)行樣本的功能研究的更先進(jìn)的功能超聲成像方法(稱為fus)，并且其主要通過使用多普勒效應(yīng)測量血流來進(jìn)行。

4、盡管內(nèi)源性發(fā)色團(tuán)具有優(yōu)點，但在某些情況下也可使用外源性發(fā)色團(tuán)，它們是為了改善其光聲性質(zhì)而從外部引入樣本中的那些發(fā)色團(tuán)。這些化合物的實例是基于金納米顆?；蚬矁r有機(jī)框架(cof)的光敏造影劑，其具有波長可調(diào)的優(yōu)點，具有高度的生物相容性，并且能夠通過與某些有機(jī)分子結(jié)合而被特別感興趣的組織消耗，如在惡性腫瘤研究中的葡萄糖的情況下。

5、關(guān)于用于激發(fā)組織并使它們能夠發(fā)射超聲的光束，現(xiàn)有技術(shù)中最常見的方法是使用具有足夠的每單位面積能量(光學(xué)通量)的短持續(xù)時間激光脈沖，因為這能夠產(chǎn)生峰值壓力與生物組織中吸收的光學(xué)通量成比例的寬帶超聲波。用于光聲成像技術(shù)的最佳激光脈沖是具有幾納秒到一百納秒之間的脈沖寬度和在10-100mj/cm2范圍內(nèi)的通量的那些激光脈沖，考慮到通量被限制到低于最大允許曝光的那些值，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化以避免對生物組織的損傷。

6、至于這些脈沖的來源，通常的選擇是使用固態(tài)激光裝置。這些激光器基于調(diào)q技術(shù)，例如nd：yag或類似物質(zhì)在1064nm和532nm兩個固定波長下具有200至500mj或更高的高脈沖能量，但在脈沖重復(fù)率方面受到限制，其在10-100hz左右變化。另外，一些可調(diào)諧激光器，例如光參量振蕩器，也基于nd：yag在第一階段中通常用于在高達(dá)2500nm的可見-近紅外波段中獲得多波長激發(fā)，但是以低得多的每脈沖能量執(zhí)行的代價。然而，由于固態(tài)激光器產(chǎn)生的脈沖的相對高的能量，它們通常優(yōu)選用于光聲層析成像，因為它們可以覆蓋更大的激發(fā)區(qū)域或視場，具有足夠的能量密度以觸發(fā)可檢測的超聲波。

7、另一方面，光聲顯微鏡(pam)掃描儀試圖通過將光束聚焦在非常小的激發(fā)點上并在整個視場區(qū)域內(nèi)逐個像素地掃描光束，以及在所研究的體積內(nèi)的不同焦深處獲得具有高空間分辨率的圖像。特別地，對于光學(xué)分辨光聲技術(shù)，由于光能集中在小點區(qū)域上，所以需要少得多的脈沖能量(微焦耳或更小的量級)來生成可由普通超聲換能器檢測的光聲波。因此，諸如脈沖激光二極管(pld)的低能量源成為這些成像方法的可行替代。與固態(tài)激光器相比，pld提供高得多的脈沖重復(fù)率，高于10khz，因此加速光聲成像，并且更便宜且更緊湊，因此它們可以用于構(gòu)建便攜式且成本有競爭力的設(shè)備。

8、然而，在該領(lǐng)域中使用pld也帶來一些缺點。特別地，由于基于半導(dǎo)體的激光腔發(fā)射器生成高度發(fā)散的光束，因此利用這種類型的源獲得的光束具有較低的質(zhì)量。此外，由于這些源產(chǎn)生的能量通常較低，所以在通常的實踐中使用多個堆疊的發(fā)射器，導(dǎo)致非常寬的發(fā)射區(qū)域和不均勻的強(qiáng)度圖案，因此最終的光束由許多橫向模式組成。因此，光束的多峰性質(zhì)使得聚焦在感興趣的點上非常困難，這通常通過使用高數(shù)值振幅聚焦透鏡來解決。盡管這些透鏡可以幫助將光束聚焦在相關(guān)區(qū)域上，但是它們大大減小了工作距離(wd)。這意味著，通過光聲效應(yīng)在樣本中產(chǎn)生的聲波僅能通過通常使用的光學(xué)裝置在非常短的焦距處產(chǎn)生，因此限制了在組織內(nèi)獲得光聲圖像的深度。這是與更加表面(西班牙語：superficiales)的純光學(xué)成像技術(shù)相比該技術(shù)的基本優(yōu)點之一。

9、另一方面，在基于激光二極管的光聲顯微鏡裝置中，光束的多峰組成導(dǎo)致最終圖像的質(zhì)量劣化，因為在沒有感興趣點上的能量損失的情況下不能降低橫向空間分辨率，這導(dǎo)致較差的信噪比，或者等效地，導(dǎo)致在超聲檢測器中獲得的較低對比度。

10、這些缺點中的一些在專利申請us2009109698a1中以一般方式討論。它描述了一種具有不規(guī)則橫向發(fā)射輪廓的射束的均勻化或平均化方法，該射束通常由使用具有多邊形截面的多模光纖的激光二極管發(fā)射，該方法還提供了將平均化的光束聚焦在用于投影或“顯示”裝置的空間光調(diào)制器中的各種方式。同樣，專利申請jp2003121664a、ep2228674a1和us2013170806a1使用通過正方形、矩形或其它芯的光纖傳輸?shù)南嗤拍?，以解決用于其它應(yīng)用如標(biāo)記、光凝固或半導(dǎo)體光刻的光束通量的平均化。然而，這些參考文獻(xiàn)都沒有涉及光聲成像應(yīng)用。

11、在光聲領(lǐng)域，專利申請cn102854142a提出使用激光二極管作為光聲激發(fā)源，其具有簡單光束聚焦的光學(xué)配置，沒有光纖并且沒有激光二極管光束的平均化。基于使用不同于具有高質(zhì)量高斯射束輪廓和基模的激光二極管型的激光源的申請us2011303015a1和cn101813672a確實提出了光束平均化方法，盡管由于它們不使用光纖而非常不同。在第一種情況下，使用漫射板或全息板來平均地擴(kuò)展照明區(qū)域，盡管不是以聚焦的方式。在第二種方法中，光束成形用于物體的大面積漫射照射和通過深度掃描壓電檢測器陣列的檢測。

12、最后，專利申請wo2009055705a2描述了具有若干可能配置的共焦光聲顯微鏡設(shè)備(即聚焦光束)。在所述方法中，單模光纖用作可能的配置，以傳輸由固態(tài)激光源產(chǎn)生的高斯基模光束，所述固態(tài)激光源例如nd：yag。此外，空間濾波是用光闌或針孔執(zhí)行的，執(zhí)行的目的是清除主高斯光束可能包含的高階模式。

13、為了更全面地理解與基于激光二極管的光聲成像相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)，讀者可參考文獻(xiàn)[s.jeon,j.kim,d.lee,jw?bak,c.kim,“review?on?practical?photoacousticmicroscopy”,photoacoustics?15(2019)100141]，[m.erfanzadeh,q.zhu,“photoacousticimaging?with?low-cost?sources；a?review”,photoacoustics?14(2019)1-11]和[q.yao,y.ding,g.liu,l.zeng,“l(fā)ow-cost?photoacoustics?imaging?systems?based?on?laserdiode?and?light?emitting?diode?excitation”,journal?of?innovative?opticalhealth?sciences?vol.10no.4(2017)17300038]。

14、鑒于關(guān)于光聲成像應(yīng)用中激光二極管發(fā)射的射束的標(biāo)準(zhǔn)化所產(chǎn)生的問題，盡管可以在組織內(nèi)部生成所述圖像的工作距離(wd)或深度，本發(fā)明提出了現(xiàn)有技術(shù)中不存在的產(chǎn)生圖像的改進(jìn)方法，其解決了上述問題，允許在光聲顯微鏡技術(shù)中獲得高質(zhì)量圖像。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的限制，本發(fā)明旨在提供一種用于獲得低成本光聲圖像的新方法，其解決了激發(fā)被研究樣本的光束的不均勻性問題，同時允許通過使用低質(zhì)量的光束光源(諸如激光二極管或led)來增加光聲圖像的橫向空間分辨率，而不會導(dǎo)致光束的聚焦距離的減小，并且因此不會減小通過光聲效應(yīng)由所述光束在被研究樣本內(nèi)產(chǎn)生超聲聲波的最大深度。

2、更具體地，本發(fā)明的第一目的涉及一種用于將脈沖光束成形、均勻化、導(dǎo)向和聚焦到材料樣本上的光學(xué)裝置，包括：

3、-光束或脈沖的源；

4、-多模光纖，其具有多邊形橫截面的芯，配置有光入口側(cè)和出口側(cè)；

5、-光學(xué)耦合模塊，其適于將來自所述源的光束或脈沖引導(dǎo)至所述光纖的入口側(cè)；以及

6、-光學(xué)定向模塊，其適于將已成形且均勻化的光束或脈沖從所述光纖的出口側(cè)引導(dǎo)并聚焦到樣本。

7、這樣，在通過光學(xué)耦合模塊和光纖之后，來自源的已經(jīng)成形和均勻化的射束通過光學(xué)方向模塊被引導(dǎo)到焦點以用于光聲激發(fā)，并且可以使用任何已知的準(zhǔn)直和聚焦光學(xué)器件。這些光學(xué)器件負(fù)責(zé)將光纖出口側(cè)的平面與射束的焦平面或聚焦平面光學(xué)地組合，從而再現(xiàn)光纖芯的形狀，或者再現(xiàn)正好位于光纖端部的孔的形狀。所采用的光學(xué)配置的縮放因子或放大率將最終確定光聲裝置的激光激發(fā)焦點橫截面的尺寸的放大或縮小。

8、另外，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，光源是脈沖激光二極管、發(fā)光二極管(led)或其堆疊的陣列。本發(fā)明允許使用所述源來產(chǎn)生高分辨率的光聲圖像，利用它們的優(yōu)點，諸如亮度或低成本，并通過使用本發(fā)明的裝置使光束成形和均勻化來解決它們的限制。

9、在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例中，該裝置包括表面，該表面具有設(shè)置在光纖出口側(cè)的開口，所述開口基本上相對于所述光纖的芯對中。這允許光束的空間濾波，這導(dǎo)致樣本上的焦點的尺寸的減小，并且因此導(dǎo)致橫向分辨率的顯著改進(jìn)。另外，開口的孔徑，或者換句話說，開口尺寸，可以是機(jī)械可調(diào)節(jié)的，允許選擇每次使用所需的橫向分辨率。

10、在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，具有多邊形橫截面芯的多模光纖具有高數(shù)值孔徑，這在使用提供非常發(fā)散的光束的光源的情況下是特別有利的，因為高數(shù)值孔徑使得光纖能夠接受來自寬范圍的入射角的光束。

11、在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，光學(xué)耦合模塊和/或光學(xué)定向模塊包括兩個可移動的平凸非球面透鏡，一個用于準(zhǔn)直，另一個用于聚焦。另外，定向模塊還可以包括一個或多個電動掃描鏡(西班牙語：espejos?de?barrido?motorizados)，其允許精確地聚焦在樣本的所需點上，以及掃描樣本以便獲得其完整圖像。

12、在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，光學(xué)裝置是用于產(chǎn)生材料的樣本的光聲圖像的系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)另外包括適于將聲波轉(zhuǎn)換成電信號的超聲接收換能器以及信號采集和處理單元。另外，超聲換能器優(yōu)選地是環(huán)形的并且同軸地圍繞光束的光軸；信號采集和處理單元優(yōu)選地包括前置放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和具有處理能力的諸如可以連接到屏幕或顯示器以用于光聲圖像的實時顯示的計算機(jī)的裝置。

13、所提出的系統(tǒng)導(dǎo)致關(guān)于光聲顯微鏡裝置的性能的三個主要方面的一些技術(shù)優(yōu)點，這將在下面討論。

14、首先，通過預(yù)先將激光束的能量集中在光纖的芯中，獲得焦點處的激光通量的增加，從而產(chǎn)生與所述通量成正比的聲壓振幅。在此，被光纖均勻化的激光束的通量在焦平面的照射區(qū)域中具有幾乎恒定的橫截面分布。因此，對于聲學(xué)分辨率光聲顯微鏡(ar-pam)設(shè)備，可以在限定視場的照射區(qū)域上提供均勻的激光激發(fā)，其中橫向空間分辨率由超聲換能器的焦點確定。

15、其次，在光學(xué)分辨率光聲顯微鏡(or-pam)裝置中獲得二維光聲圖像的橫向空間分辨率的改進(jìn)，這由激光焦點的橫截面面積的大小確定。通過選擇具有較大或較小多邊纖芯區(qū)域(a1)的光纖并將來自激光源光束的或多或少的能量耦合到光纖入口，可以使激光通量(φ)和焦點區(qū)域(a0)適應(yīng)光聲顯微鏡系統(tǒng)的特定要求。因此，在焦點處的平均通量是φ＝e0/a0，其中e0是最終到達(dá)區(qū)域焦點的光束脈沖的能量，該區(qū)域焦點由確定，其中a1是纖芯的橫截面面積以及md是由光學(xué)定向模塊的聚焦光學(xué)器件給出的放大因子確定。例如，對于準(zhǔn)直和聚焦光學(xué)器件的md＝1的增加，焦點區(qū)域?qū)?yīng)于纖芯的橫截面區(qū)域。

16、最后，橫向空間分辨率得到提高，或者換句話說，焦點a0的面積減小，盡管方向光學(xué)器件的焦深或相關(guān)的工作距離確定了激光焦點在組織內(nèi)的不同深度處獲取二維圖像的最大可用位移范圍，從而允許三維或體積光聲掃描和成像。

17、由于所闡述的技術(shù)優(yōu)點，在光學(xué)分辨率光聲顯微鏡應(yīng)用中、在聲學(xué)分辨率光聲顯微鏡應(yīng)用中和/或在光聲層析成像應(yīng)用中使用本發(fā)明的裝置和系統(tǒng)來產(chǎn)生光聲圖像是特別令人感興趣的。

18、除了所介紹的允許方便地適應(yīng)應(yīng)用于光聲成像系統(tǒng)中的超聲波的激發(fā)的低質(zhì)量多模脈沖光源的光束的一些方面的裝置和系統(tǒng)之外，還公開了一種用于產(chǎn)生材料的樣本的光聲圖像的方法或過程，包括通過操作如上所述的系統(tǒng)來執(zhí)行以下步驟：

19、a)將光源布置在距所述樣本等于或小于所述光纖的長度的距離處，該光源適于發(fā)射具有在納秒范圍內(nèi)的持續(xù)時間和在可見或近紅外波段內(nèi)的頻率的光束或脈沖；

20、b)通過調(diào)整構(gòu)成光學(xué)耦合模塊的元件的位置，將來自所述源的光束或脈沖引導(dǎo)到具有多邊形截面芯的高數(shù)值孔徑多模光纖的入口側(cè)；

21、c)通過調(diào)整構(gòu)成所述光學(xué)定向模塊的元件的位置，將所述均勻化的光束或脈沖聚焦在所述樣本的一點上；

22、d)將超聲接收換能器布置在樣本的表面上；

23、e)借助于信號采集和處理單元而電子地接收和處理由所述換能器捕獲的信號，獲得光聲圖像。

24、最后，另外地，該方法的步驟c-e可以重復(fù)至少一次，通過構(gòu)成光學(xué)方向模塊的元件的位置的第二調(diào)整來改變聚焦透鏡的焦點的位置，每次生成與垂直于射束方向的平面中的樣本的不同點相對應(yīng)的像素，并且其中根據(jù)與該像素中的每一個相對應(yīng)的樣本的照射位置來執(zhí)行組裝所述像素的后續(xù)步驟，從而獲得樣本的二維圖像。如果依次重復(fù)用于獲得二維圖像的相同方法，使得在每次重復(fù)中，聚焦透鏡相對于超聲換能器的位置沿著射束方向變化，則每次將在射束方向的縱向方向上生成樣本的不同平面的光聲圖像，從而使得在根據(jù)與它們中的每一個相對應(yīng)的樣本的照射位置執(zhí)行組裝所述圖像的后續(xù)步驟之后，能夠獲得樣本的三維圖像。

25、本發(fā)明描述了一種用于通過使用脈沖激光二極管或其堆疊的陣列來產(chǎn)生高質(zhì)量光聲顯微圖像的方法，所述脈沖激光二極管或其堆疊的陣列的多模光束已被均勻化并成形以呈現(xiàn)以下特性：

26、-光束能量和通量的平坦和均勻分布，提供高圖像對比度；

27、-低至幾微米的高橫向空間分辨率；

28、-厘米范圍內(nèi)的工作距離，使得能夠接近樣本中的寬范圍的軸向激發(fā)深度，并且提供更大的空間來放置超聲檢測器。

29、在本發(fā)明中，通過執(zhí)行兩個主要步驟來實現(xiàn)這些射束特性。首先，使用現(xiàn)有技術(shù)中已知的常規(guī)光學(xué)耦合裝置將光束耦合到具有多邊形截面(例如正方形、矩形、八邊形等)的多模光纖，所述常規(guī)光學(xué)耦合裝置例如：兩個可移動的平凸非球面透鏡，一個用于準(zhǔn)直，另一個用于聚焦，以及光纖入口支撐件，或者甚至通過直接耦合。這樣，由于在光纖內(nèi)通過在其芯壁上的多次全內(nèi)反射實現(xiàn)的原始光束的空間模式的混合，由pld源發(fā)射的通量和強(qiáng)度圖案被均勻化。此外，如果光纖長度等于或大于1m，則獲得更好的光束通量均勻化結(jié)果。這導(dǎo)致在光纖的出口側(cè)具有均勻且平坦或平頂?shù)膹?qiáng)度分布的射束橫截面分布，其中射束的橫截面具有與纖芯相同的形狀，并且其中快(垂直)和慢(水平)模式的非對稱發(fā)散通過光纖的公共數(shù)值幅度對稱。同樣，由于設(shè)置在光纖出口側(cè)的光闌式孔或針孔，橫向分辨率得到提高。

30、本發(fā)明的其它目的涉及本技術(shù)的權(quán)利要求中描述的特定實施例。

31、在本發(fā)明的解釋范圍內(nèi)，術(shù)語“基本上”應(yīng)當(dāng)理解為“相同的”或包括在10％的變化范圍內(nèi)。