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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201610850278.7 (22)申请日 2016.09.26 (71)申请人 华南师范大学 地址 510631 广东省广州市天河区石牌中 山大道西55号 (72)发明人 杨思华 马海钢 邢达 (74)专利代理机构 广州市华学知识产权代理有 限公司 44245 代理人 裘晖 (51)Int.Cl. A61B 5/00(2006.01) A61B 8/00(2006.01) G01N 21/17(2006.01) (54)发明名称 一种多尺度光声显微成像装置及其方法 (57)摘。
2、要 本发明涉及一种多尺度光声显微成像装置， 光纤耦合器安装在脉冲激光器上， 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； 所述的光纤准直器、 二维扫描 振镜、 光学电控调焦透镜安装在电控调节平台 上， 平场扫描透镜安装在光学电控调焦透镜的下 端， 多焦点高频探测器安装在平场扫描透镜的下 端。 本发明避免光声显微成像激光束扫描时的光 焦点漂移的现象， 能实现在同一位置不同深度上 的多焦点光声共焦成像， 获取一定范围内高的、 均匀的图像分辨率及对比度。 本发明还涉及一种 利用多尺度光声显微成像装置进行成像的方法， 属于光声显微成像技术领域。 权利要求书2页 说明书8。
3、页 附图4页 CN 106333650 A 2017.01.18 CN 106333650 A 1.一种多尺度光声显微成像装置， 其特征在于： 包括计算机系统、 电控调节平台、 三维 移动台、 脉冲激光器、 光纤耦合器、 单模光纤、 光纤准直器、 二维扫描振镜、 光学电控调焦透 镜、 平场扫描透镜、 多焦点高频探测器、 信号放大模块、 电控调节平台控制器、 二维扫描振镜 控制器； 所述的脉冲激光器、 光学电控调焦透镜均与计算机系统信号连接； 所述二维扫描振镜 的扫描振镜电机与二维扫描振镜控制器信号连接， 二维扫描振镜控制器与计算机系统信号 连接； 所述的电控调节平台与电控调节平台控制器信号连接。
4、， 电控调节平台控制器与计算 机系统信号连接； 所述的多焦点高频探测器与信号放大模块信号连接， 信号放大模块与计 算机系统信号连接； 所述的光纤耦合器安装在脉冲激光器上， 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； 所述的光纤准直器、 二维扫描振镜、 光学电控调焦透镜 安装在电控调节平台上， 平场扫描透镜安装在光学电控调焦透镜的下端， 多焦点高频探测 器安装在平场扫描透镜的下端； 所述的光纤准直器的射出方向朝向二维扫描振镜的反射 镜， 反射镜的反射方向朝向光学电控调焦透镜； 所述的三维移动台的上端设有样品台， 所述 的多焦点高频探测器位于样品台的上方。 2.按照。
5、权利要求1所述的一种多尺度光声显微成像装置， 其特征在于： 所述的电控调节 平台上设有横纵移动台， 横纵移动台的端部设有支臂固定架， 所述的扫描振镜电机包括扫 描振镜垂向电机和扫描振镜横向电机， 光纤准直器安装在支臂固定架的左侧， 扫描振镜横 向电机安装在支臂固定架的右侧， 扫描振镜垂向电机安装在支臂固定架中部的上侧， 反射 镜位于光纤准直器的右侧， 位于反射镜下方的光学电控调焦透镜安装在支臂固定架上。 3.按照权利要求1所述的一种多尺度光声显微成像装置， 其特征在于： 所述的光学电控 调焦透镜的下端设有内螺纹， 平场扫描透镜的上端和下端均设有外螺纹， 多焦点高频探测 器的上端设有内螺纹。 4。
6、.按照权利要求1所述的一种多尺度光声显微成像装置， 其特征在于： 所述的多焦点高 频探测器包括外壳、 聚焦声透镜、 置于外壳内的环形高频超声探测器； 设有通光孔的环形高 频超声探测器安装在外壳的内壁上， 位于环形高频超声探测器下方的聚焦声透镜安装在外 壳内壁的下部； 所述的环形高频超声探测器、 聚焦声透镜、 外壳的内壁围成容腔， 所述的外 壳上设有与容腔相通的注水孔和排水孔； 所述的聚焦声透镜上设有凹槽， 该凹槽包括圆柱 形凹槽和多个依次相接的不同半径的球面凹槽， 多个球面凹槽的半径由上往下逐渐变小， 圆柱形凹槽位于最小半径的球面凹槽的下方； 所述的环形高频超声探测器通过信号线与信 号放大模块。
7、信号连接， 所述的外壳上设有用于信号线通过的出线孔。 5.按照权利要求4所述的一种多尺度光声显微成像装置， 其特征在于： 所述的环形高频 超声探测器包括由上往下依次布置的玻璃纤维吸声板、 环氧树脂背衬材料、 环形压电阵元； 所述的环形压电阵元的外径与最大球面凹槽的半径相等， 所述外壳的内壁上设有环形凸 台， 所述的玻璃纤维吸声板置于环形凸台上， 所述的环形压电阵元通过信号线与信号放大 模块信号连接。 6.按照权利要求1所述的一种多尺度光声显微成像装置， 其特征在于： 成像装置还包括 底座、 固定台； 所述的三维移动台通过转接板安装在底座上， 位于三维移动台后方的电控调 节平台安装在底座上， 位。
8、于电控调节平台右侧的固定台安装在底座上， 所述的电控调节平 权 利 要 求 书 1/2 页 2 CN 106333650 A 2 台控制器和二维扫描振镜控制器位于固定台的下方； 所述的三维移动台上设有垂向调节旋 钮、 横向调节旋钮和纵向调节旋钮。 7.按照权利要求1所述的一种多尺度光声显微成像装置， 其特征在于： 所述的计算机系 统包括驱动电路、 信号采集电路、 控制系统； 所述的驱动电路和信号采集电路均与控制系统 信号连接， 所述的信号放大模块与信号采集电路信号连接， 所述的脉冲激光器、 光学电控调 焦透镜、 电控调节平台控制器、 二维扫描振镜控制器均与驱动电路信号连接。 8.按照权利要求1。
9、所述的一种多尺度光声显微成像装置， 其特征在于： 所述的环形高频 超声探测器的主频范围为40MHz70MHZ、 带宽为80110、 灵敏度的范围为-30dB- 50dB； 所述的聚焦声透镜由光学聚丙乙烯材料制成， 透光率92， 透声率95。 9.一种应用上述任意一项权利要求所述的成像装置进行成像的方法， 其特征在于： 包 括以下步骤： (1)根据惠更斯原理， 利用亥姆霍兹-基尔霍夫积分定理计算出设有多个不同半径的球 面凹槽的多焦点高频探测器的声场分布， ， 求出在不同半径的球面凹槽情况下的声焦长、 焦 斑直径、 焦深， 从而计算出多焦点高频探测器的声焦点分布情况； (2)用注射泵把水从多焦点高。
10、频探测器的注水孔注入多焦点高频探测器的容腔， 使水 充满整个容腔， 直至水从多焦点高频探测器的排水孔溢出为止； (3)将样品置于样品台上， 计算机系统控制脉冲激光器发出脉冲激光， 脉冲激光经光纤 耦合器耦合进单模光纤， 脉冲激光再经单模光纤传输入光纤准直器， 光纤准直器将脉冲激 光入射到二维扫描振镜的反射镜， 反射镜将脉冲激光反射到光学电控调焦透镜内， 脉冲激 光经光学电控调焦透镜后进入平场扫描透镜， 脉冲激光经光学电控调焦透镜和平场扫描透 镜聚焦后进入多焦点高频探测器， 脉冲激光经过多焦点高频探测器后到达样品， 样品激发 出的超声波被多焦点高频探测器所探测到， 多焦点高频探测器将探测到的超声。
11、波转化为电 信号并传输到信号放大模块， 信号放大模块将光声信号传输至计算机系统， 计算机系统将 光声信号用于图像重建； (4)计算机系统通过二维扫描振镜控制器控制扫描振镜电机， 扫描振镜电机驱动反射 镜转动， 进而实现脉冲激光的点扫描； (5)根据步骤(1)的声焦点分布的计算情况， 通过计算机系统调节光学电控调焦透镜的 电压或者电流， 实现光学电控调焦透镜焦距的改变， 并与多焦点高频探测器配合使用， 不断 地调整脉冲激光光焦点的扫描位置的深度， 重复步骤(4)； (6)用计算机系统重建多个不同深度的光焦点扫描的光声信号图像。 10.按照权利要求9所述的成像方法， 其特征在于： 步骤(5)中所述。
12、的调整脉冲激光光焦 点的扫描位置的深度采用以下方法进行： 通过计算机系统改变光学电控调焦透镜的焦距， 光焦点每次调节范围为1 m50 m， 记录光声信号出现的最大值。 权 利 要 求 书 2/2 页 3 CN 106333650 A 3 一种多尺度光声显微成像装置及其方法 技术领域 0001 本发明属于光声显微成像技术领域， 具体涉及一种多尺度光声显微成像装置及其 方法。 背景技术 0002 光声显微成像(Photoacoustic Microscopy， PAM)是在PAI的基础上发展起来的高 分辨率无损显微成像方法， 通过将入射的激光进行光学聚焦， 利用聚焦后的点光源来激发 组织产生高频光。
13、声信号进行成像。 采用光学聚焦模式激发， 拥有高对比度及高分辨率； 采用 高频超声接收， 在保证分辨率的同时其成像深度可以达到10mm。 常用的传统的活体高分辨 光学成像技术多光子显微成像和光学相干层析成像(OCT)由于光在生物组织中传播时 的散射特性， 其成像深度很难超过光学成像的 “软极限” 。 荧光分子层析成像(FMT)和散射光 断层成像(DOT)虽然可实现10mm深度的活体内分子成像， 但其成像空间分辨率不高(仅毫米 级)， 光声显微成像还可以在毫米-厘米深度范围内实现微米量级分辨率的技术， 这是目前 其他所有医学成像所不具备的， 也是此技术不可替代的优势。 这也使得PAM在临床医学诊。
14、断 方面具有广泛的应用前景， 近年光声成像(PAI)的迅速发展， 标志着生物医学影像领域的一 次重大技术革新。 0003 目前的光声显微成像技术中都是采用单一焦点的超声探测器进行成像的， 由于单 一焦点的超声探测器的焦距、 焦深及焦斑直径唯一， 这就导致了在生物组织的同一位置上 很难获取丰富的深度信息， 难以达到在深度方向实现多层次、 多尺度的成像效果； 同时目前 的光声显微成像系统中一般采用球面聚焦透镜进行光学聚焦， 但在激光光束进行扫描运动 时， 一个球面聚焦透镜只能在圆形平面上成像， 即光焦点不能够保持在同一平面上， 会有离 焦现象； 虽然目前光声显微技术中也有一些变焦扫描的光声显微成像。
15、装置， 但一般是采用 机械式变焦， 操作不便， 而且变焦的精度也不够精确， 难以精准的配合多焦点高频探测器实 现多焦点光声共焦成像， 因而影响了光声显微影像技术的实际应用效果。 发明内容 0004 针对现有技术中存在的技术问题， 本发明的目的是： 提供一种多尺度光声显微成 像装置， 能实现在同一位置不同深度上的多焦点光声共焦成像， 获取一定范围内高的、 均匀 的图像分辨率及对比度， 同时提高了检测灵敏度。 0005 本发明的另一个目的在于提供运用上述多尺度光声显微成像装置的成像方法。 实 现了光声显微成像的动态聚焦成像和多尺度成像， 保证了图像的高分辨率与对比度， 同时 能够提取深度方向更多的。
16、生理信息。 0006 为了达到上述目的， 本发明采用如下技术方案： 0007 一种多尺度光声显微成像装置， 包括计算机系统、 电控调节平台、 三维移动台、 脉 冲激光器、 光纤耦合器、 单模光纤、 光纤准直器、 二维扫描振镜、 光学电控调焦透镜、 平场扫 描透镜、 多焦点高频探测器、 信号放大模块、 电控调节平台控制器、 二维扫描振镜控制器； 说 明 书 1/8 页 4 CN 106333650 A 4 0008 所述的脉冲激光器、 光学电控调焦透镜均与计算机系统信号连接； 所述二维扫描 振镜的扫描振镜电机与二维扫描振镜控制器信号连接， 二维扫描振镜控制器与计算机系统 信号连接； 所述的电控调。
17、节平台与电控调节平台控制器信号连接， 电控调节平台控制器与 计算机系统信号连接； 所述的多焦点高频探测器与信号放大模块信号连接， 信号放大模块 与计算机系统信号连接； 0009 所述的光纤耦合器安装在脉冲激光器上， 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； 所述的光纤准直器、 二维扫描振镜、 光学电控调焦 透镜安装在电控调节平台上， 平场扫描透镜安装在光学电控调焦透镜的下端， 多焦点高频 探测器安装在平场扫描透镜的下端； 所述的光纤准直器的射出方向朝向二维扫描振镜的反 射镜， 反射镜的反射方向朝向光学电控调焦透镜； 所述的三维移动台的上端设有样品台， 所 述的多。
18、焦点高频探测器位于样品台的上方。 0010 进一步的是： 所述的电控调节平台上设有横纵移动台， 横纵移动台的端部设有支 臂固定架， 所述的扫描振镜电机包括扫描振镜垂向电机和扫描振镜横向电机， 光纤准直器 安装在支臂固定架的左侧， 扫描振镜横向电机安装在支臂固定架的右侧， 扫描振镜垂向电 机安装在支臂固定架中部的上侧， 反射镜位于光纤准直器的右侧， 位于反射镜下方的光学 电控调焦透镜安装在支臂固定架上。 设置了支臂固定架， 能方便地合理地安装各个零部件， 使相关零部件配合起来， 完成光声成像。 0011 进一步的是： 所述的光学电控调焦透镜的下端设有内螺纹， 平场扫描透镜的上端 和下端均设有外螺。
19、纹， 多焦点高频探测器的上端设有内螺纹。 三者的中心线在同一直线上， 同轴配置， 是保证实现光声成像目的的关键。 0012 进一步的是： 所述的多焦点高频探测器包括外壳、 聚焦声透镜、 置于外壳内的环形 高频超声探测器； 设有通光孔的环形高频超声探测器安装在外壳的内壁上， 位于环形高频 超声探测器下方的聚焦声透镜安装在外壳内壁的下部； 所述的环形高频超声探测器、 聚焦 声透镜、 外壳的内壁围成容腔， 所述的外壳上设有与容腔相通的注水孔和排水孔； 所述的聚 焦声透镜上设有凹槽， 该凹槽包括圆柱形凹槽和多个依次相接的不同半径的球面凹槽， 多 个球面凹槽的半径由上往下逐渐变小， 圆柱形凹槽位于最小半。
20、径的球面凹槽的下方； 所述 的环形高频超声探测器通过信号线与信号放大模块信号连接， 所述的外壳上设有用于信号 线通过的出线孔。 0013 进一步的是： 所述的环形高频超声探测器包括由上往下依次布置的玻璃纤维吸声 板、 环氧树脂背衬材料、 环形压电阵元； 所述的环形压电阵元的外径与最大球面凹槽的半径 相等， 所述外壳的内壁上设有环形凸台， 所述的玻璃纤维吸声板置于环形凸台上， 所述的环 形压电阵元通过信号线与信号放大模块信号连接。 0014 进一步的是： 成像装置还包括底座、 固定台； 所述的三维移动台通过转接板安装在 底座上， 位于三维移动台后方的电控调节平台安装在底座上， 位于电控调节平台右。
21、侧的固 定台安装在底座上， 所述的电控调节平台控制器和二维扫描振镜控制器位于固定台的下 方； 所述的三维移动台上设有垂向调节旋钮、 横向调节旋钮和纵向调节旋钮。 0015 进一步的是： 所述的计算机系统包括驱动电路、 信号采集电路、 控制系统； 所述的 驱动电路和信号采集电路均与控制系统信号连接， 所述的信号放大模块与信号采集电路信 号连接， 所述的脉冲激光器、 光学电控调焦透镜、 电控调节平台控制器、 二维扫描振镜控制 说 明 书 2/8 页 5 CN 106333650 A 5 器均与驱动电路信号连接。 在光声成像过程中， 能精确地进行控制。 0016 进一步的是： 所述的环形高频超声探测。
22、器的主频范围为40MHz70MHZ、 带宽为 80110、 灵敏度的范围为-30dB-50dB； 所述的聚焦声透镜由光学聚丙乙烯材料制 成， 透光率92， 透声率95。 0017 一种利用多尺度光声显微成像装置进行成像的方法， 包括以下步骤： 0018 (1)根据惠更斯原理， 利用亥姆霍兹-基尔霍夫积分定理计算出设有多个不同半径 的球面凹槽的多焦点高频探测器的声场分布， ， 求出在不同半径的球面凹槽情况下的声焦 长、 焦斑直径、 焦深， 从而计算出多焦点高频探测器的声焦点分布情况； 0019 (2)用注射泵把水从多焦点高频探测器的注水孔注入多焦点高频探测器的容腔， 使水充满整个容腔， 直至水从。
23、多焦点高频探测器的排水孔溢出为止； 0020 (3)将样品置于样品台上， 计算机系统控制脉冲激光器发出脉冲激光， 脉冲激光经 光纤耦合器耦合进单模光纤， 脉冲激光再经单模光纤传输入光纤准直器， 光纤准直器将脉 冲激光入射到二维扫描振镜的反射镜， 反射镜将脉冲激光反射到光学电控调焦透镜内， 脉 冲激光经光学电控调焦透镜后进入平场扫描透镜， 脉冲激光经光学电控调焦透镜和平场扫 描透镜聚焦后进入多焦点高频探测器， 脉冲激光经过多焦点高频探测器后到达样品， 样品 激发出的超声波被多焦点高频探测器所探测到， 多焦点高频探测器将探测到的超声波转化 为电信号并传输到信号放大模块， 信号放大模块将光声信号传输。
24、至计算机系统， 计算机系 统将光声信号用于图像重建； 0021 (4)计算机系统通过二维扫描振镜控制器控制扫描振镜电机， 扫描振镜电机驱动 反射镜转动， 进而实现脉冲激光的点扫描； 0022 (5)根据步骤(1)的声焦点分布的计算情况， 通过计算机系统调节光学电控调焦透 镜的电压或者电流， 实现光学电控调焦透镜焦距的改变， 并与多焦点高频探测器配合使用， 不断地调整脉冲激光光焦点的扫描位置的深度， 重复步骤(4)； 0023 (6)用计算机系统重建多个不同深度的光焦点扫描的光声信号图像。 0024 进一步的是： 步骤(5)中所述的调整脉冲激光光焦点的扫描位置的深度采用以下 方法进行： 通过计算。
25、机系统改变光学电控调焦透镜的焦距， 光焦点每次调节范围为1 m50 m， 记录光声信号出现的最大值。 0025 总的说来， 本发明具有如下优点： 0026 (1)本发明能实现在同一位置不同深度上的多焦点光声共焦成像， 获取一定范围 内高的、 均匀的图像分辨率及对比度， 同时提高了检测灵敏度， 光焦点和声焦点共焦时， 多 焦点高频探测器获取的光声信号最大， 探测灵敏度最高。 0027 (2)本发明采用多焦点高频探测器进行成像， 实现了多焦点高频探测器声轴上有 多个声焦点， 多焦点高频探测器焦距、 焦深及焦斑直径的多样性。 在生物组织的同一位置上 能够获取丰富的深度信息， 便于达到在深度方向实现多。
26、层次、 多结构、 多尺度的成像效果。 0028 (3)本发明采用了平场扫描透镜， 在脉冲激光光束进行扫描运动时， 使得光焦点能 够保证在同一平面上扫描， 避免了球面聚焦透镜产生的光学焦点离焦现象。 0029 (4)本发明采用光学电控调焦透镜， 使光焦点只在多焦点高频探测器的声场焦腰 上进行扫描， 通过微移动光焦点， 实现在一定范围内高的、 均匀的图像分辨率及对比度， 提 高了探测灵敏度。 说 明 书 3/8 页 6 CN 106333650 A 6 0030 (5)本发明采用多焦点高频探测器与光学电控调焦透镜配合， 实现同位置深度方 向上多焦点光声共焦成像， 同时修正了单层焦点扫描时光声成像图。
27、像分辨率严重不均匀的 现象， 保证了同分辨率下的深层组织的光声显微成像。 0031 (6)本发明提供的多尺度光声显微成像装置的结构简单， 操控方便， 有利于推广及 应用。 0032 (7)本发明首次将多焦点高频探测器和平场扫描透镜技术应用到光声显微成像领 域， 修正了光声显微成像激光束扫描时的光焦点漂移的现象。 0033 (8)本发明可广泛应用于生物医学影像领域。 附图说明 0034 图1是本发明多尺度光声显微成像装置的结构示意图。 0035 图2是多焦点高频探测器的剖面示意图。 0036 图3是多焦点高频探测器的声学原理示意图。 0037 图4是通过改变球面凹槽半径R、 超声阵元直径D的大小。
28、， 计算得到的声焦距f的变 化规律折线图。 0038 图5是通过改变球面凹槽半径R、 超声阵元直径D的大小， 计算得到的声焦斑直径d 的变化规律折线图。 0039 图6是通过改变球面凹槽半径R、 超声阵元直径D的大小， 计算得到的声焦深L的变 化规律折线图。 0040 其中： 1底座、 2转接板、 3三维移动台、 4样品台、 5多焦点高频探测器、 6平场扫描透 镜、 7光学电控调焦透镜、 8光纤准直器、 9单模光纤、 10反射镜、 11电控调节平台、 12信号放大 模块、 13电控调节平台控制器、 14固定台、 15聚焦光束、 16半径为6mm的球面凹槽的声聚焦焦 点、 17半径为5mm的球面。
29、凹槽的声聚焦焦点、 18半径为4mm的球面凹槽的声聚焦焦点、 19半径 为3mm的球面凹槽的声聚焦焦点、 20计算机系统、 21光纤耦合器、 22脉冲激光器、 23扫描振镜 垂向电机、 24扫描振镜横向电机、 25二维扫描振镜控制器。 0041 3-1三维移动台上的横向调节旋钮、 3-2三维移动台上的垂向调节旋钮、 3-3三维移 动台上的纵向调节旋钮、 5-1信号线、 5-2出线孔、 5-3容腔、 5-4聚焦声透镜、 5-5外壳、 5-6通 光孔、 5-7玻璃纤维吸声板、 5-8环氧树脂背衬材料、 5-9环形压电阵元、 5-10注水孔、 5-11排 水孔、 5-12半径为6mm的球面凹槽、 5。
30、-13半径为5mm的球面凹槽、 5-14半径为4mm的球面凹槽、 5-15半径为3mm的球面凹槽、 5-16圆柱形凹槽、 5-17聚焦声透镜的侧表面、 11-1电控调节平 台上的升降轴、 11-2电控调节平台上的横纵移动台。 具体实施方式 0042 下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。 0043 为叙述方便， 下文所说的上下左右前后方向举例规定如下： 多焦点高频探测器位 于三维移动台的上方， 电控调节平台位于三维移动台的后方， 固定台位于电控调节平台的 右边； 下文所说的上下方向即垂向方向， 下文所说的左右方向即横向方向， 下文所说的前后 方向即纵向方向。 0044 结合。
31、图1所示， 一种多尺度光声显微成像装置， 包括计算机系统、 电控调节平台、 三 说 明 书 4/8 页 7 CN 106333650 A 7 维移动台、 脉冲激光器、 光纤耦合器、 单模光纤、 光纤准直器、 二维扫描振镜、 光学电控调焦 透镜、 平场扫描透镜、 多焦点高频探测器、 信号放大模块、 电控调节平台控制器、 二维扫描振 镜控制器； 二维扫描振镜为二维扫描微振镜， 脉冲激光器为纳秒脉冲激光器， 二维扫描振镜 包括反射镜、 扫描振镜电机。 0045 所述的脉冲激光器、 光学电控调焦透镜均与计算机系统信号连接； 计算机系统可 以控制脉冲激光器， 使脉冲激光器发射激光； 计算机系统可以控制调。
32、节光学电控调焦透镜 的电压或者电流， 从而改变光学电控调焦透镜的焦距。 所述的扫描振镜电机与二维扫描振 镜控制器信号连接， 二维扫描振镜控制器与计算机系统信号连接； 计算机系统通过二维扫 描振镜控制器向扫描振镜电机发送指令， 扫描振镜电机进而驱动反射镜转动， 从而实现脉 冲激光束的扫描。 所述的电控调节平台与电控调节平台控制器信号连接， 电控调节平台控 制器与计算机系统信号连接； 电控调节平台设有升降轴和横纵移动台， 计算机系统通过电 控调节平台控制器向电控调节平台发送指令， 使得电控调节平台的升降轴实现上下升降运 动， 横纵移动台实现横向和纵向的运动。 所述的多焦点高频探测器与信号放大模块信。
33、号连 接， 信号放大模块与计算机系统信号连接； 多焦点高频探测器将探测到的光声信号传输给 信号放大模块， 信号放大模块再将光声信号传输给计算机系统， 计算机系统将光声信号进 行光声成像。 0046 所述的光纤耦合器安装在脉冲激光器上， 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； 所述的光纤准直器、 二维扫描振镜、 光学电控调焦 透镜安装在电控调节平台上， 平场扫描透镜安装在光学电控调焦透镜的下端， 多焦点高频 探测器安装在平场扫描透镜的下端。 所述的光纤准直器的射出方向朝向二维扫描振镜的反 射镜， 即脉冲激光从光纤准直器出来后， 脉冲激光射向反射镜。 反射镜的反射。
34、方向朝向光学 电控调焦透镜， 即反射镜可以改变脉冲激光的传输方向， 脉冲激光被反射镜反射后射入光 学电控调焦透镜内， 通过扫描振镜电机驱动反射镜转动， 能保证反射镜的反射方向始终朝 向光学电控调焦透镜。 所述的三维移动台的上端设有样品台， 所述的多焦点高频探测器位 于样品台的上方。 0047 所述的电控调节平台的上端设有横纵移动台， 横纵移动台的端部(横纵移动台的 前端)设有支臂固定架， 横纵移动台可以实现横向和纵向方向的运动。 所述的扫描振镜电机 包括扫描振镜垂向电机和扫描振镜横向电机， 扫描振镜垂向电机和扫描振镜横向电机可共 同驱动反射镜转动。 光纤准直器安装在支臂固定架的左侧， 扫描振镜。
35、横向电机安装在支臂 固定架的右侧， 扫描振镜垂向电机安装在支臂固定架中部的上侧， 反射镜位于光纤准直器 的右侧， 位于反射镜下方的光学电控调焦透镜安装在支臂固定架上， 支臂固定架的下部设 有一个水平的平板， 光学电控调焦透镜安装在该平板上。 电控调节平台可实现支臂固定架 三维方向的移动。 0048 所述的光学电控调焦透镜的下端设有内螺纹， 平场扫描透镜的上端和下端均设有 外螺纹， 多焦点高频探测器的上端设有内螺纹。 平场扫描透镜上端的外螺纹与光学电控调 焦透镜下端的内螺纹相匹配， 平场扫描透镜下端的外螺纹与多焦点高频探测器上端的内螺 纹相匹配。 即光学电控调焦透镜、 平场扫描透镜、 多焦点高频。
36、探测器三者之间通过螺纹连 接， 安全可靠， 使脉冲激光的传输不受影响。 0049 结合图1、 图2所示， 所述的多焦点高频探测器包括外壳、 聚焦声透镜、 置于外壳内 说 明 书 5/8 页 8 CN 106333650 A 8 的环形高频超声探测器。 设有通光孔的环形高频超声探测器安装在外壳的内壁上， 聚焦声 透镜位于环形高频超声探测器的下方， 聚焦声透镜的上部安装在外壳内壁的下部。 所述的 环形高频超声探测器、 聚焦声透镜、 外壳的内壁围成容腔， 所述的外壳上设有与容腔相通的 注水孔和排水孔， 排水孔位于注水孔的上方。 所述的聚焦声透镜上设有凹槽， 该凹槽包括圆 柱形凹槽和多个依次相接的不同。
37、半径的球面凹槽， 即上面的球面凹槽与下面的球面凹槽无 缝过渡相接， 多个球面凹槽的半径由上往下逐渐变小， 圆柱形凹槽位于最小半径的球面凹 槽的下方； 从形状上看， 球面凹槽呈不完成的球形， 为完整球形的一部分； 本发明中， 有4个 不同半径的球面凹槽。 所述的环形高频超声探测器通过信号线与信号放大模块信号连接， 所述的外壳上设有用于信号线通过的出线孔。 所述的外壳大体呈圆管状， 聚焦声透镜的外 部轮廓由圆柱状和圆台状组成， 圆台状位于圆柱状的下端。 0050 所述的环形高频超声探测器包括由上往下依次布置的玻璃纤维吸声板、 环氧树脂 背衬材料、 环形压电阵元； 环形压电阵元、 玻璃纤维吸声板、 。
38、环氧树脂背衬材料、 环形压电阵 元均呈短圆柱状， 三者之间用光学环氧树脂胶水固定在一起； 玻璃纤维吸声板的直径大于 环氧树脂背衬材料的直径， 环氧树脂背衬材料的直径大于环形压电阵元的直径， 环氧树脂 背衬材料与外壳的内壁有一定空间。 所述的环形压电阵元的外径与最大球面凹槽的半径相 等， 这样能使所有的光声信号被环形压电阵元所探测到， 所述外壳的内壁上设有环形凸台， 所述的玻璃纤维吸声板置于环形凸台上， 所述的环形压电阵元通过信号线与信号放大模块 信号连接。 0051 成像装置还包括底座、 固定台； 所述的三维移动台通过转接板安装在底座上， 位于 三维移动台后方的电控调节平台安装在底座上， 位于。
39、电控调节平台右侧的固定台安装在底 座上， 所述的电控调节平台控制器和二维扫描振镜控制器位于固定台的下方； 所述的三维 移动台上设有垂向调节旋钮、 横向调节旋钮和纵向调节旋钮。 0052 所述的计算机系统包括驱动电路、 信号采集电路、 控制系统； 所述的驱动电路和信 号采集电路均与控制系统信号连接， 所述的信号放大模块与信号采集电路信号连接， 所述 的脉冲激光器、 光学电控调焦透镜、 电控调节平台控制器、 二维扫描振镜控制器均与驱动电 路信号连接。 控制系统通过驱动电路发送或接收信号， 从而脉冲激光器、 光学电控调焦透 镜、 电控调节平台控制器、 二维扫描振镜控制器处于精确的工作状态。 0053。
40、 驱动电路、 信号采集电路、 控制系统、 电控调节平台、 三维移动台、 脉冲激光器、 光 纤耦合器、 单模光纤、 光纤准直器、 二维扫描振镜、 光学电控调焦透镜、 平场扫描透镜、 信号 放大模块、 电控调节平台控制器、 二维扫描振镜控制器； 以上的零部件均属于现有的成熟的 技术。 三维移动台型号： MBT602， 生产厂商： Thorlabs(索雷博光电科技有限公司)； 二维扫描 振镜型号： M3-RS， 生产厂商： New Scale； 平场扫描透镜型号： SL-532-60-30Q， 生产厂商： Sino-Galvo(金海创科技发展有限公司)； 光学电控调焦透镜型号： EL-10-30， 。
41、生产厂商： Optotune。 脉冲激光器采用高能量激光位片， 其脉冲能量优选为1.76 j,平均功率优选为 35mw， 脉冲宽度优选为8ns， 重复频率最大优选为30KHz。 0054 光纤耦合器设有三维可调结构， 自带有消色差透镜(能传输不同波长的脉冲激 光)， 接头采用FC/PC型接口模式， 与单模光纤连接。 0055 光纤准直器带有消色差透镜(能传输不同波长的脉冲激光)， 单模光纤与光纤准直 器通过FC接口连接在一起。 说 明 书 6/8 页 9 CN 106333650 A 9 0056 多焦点高频探测器的圆管状外壳采用钢质材料制成， 不易变形、 生锈， 具有噪声屏 蔽作用。 005。
42、7 光学电控调焦透镜的焦点调节范围1 m5cm。 光学电控调焦透镜能对脉冲激光进 行聚焦。 0058 平场扫描透镜的焦距为25mm、 扫描角度为20 ， 扫描范围为10X10mm、 均斑为2 m。 平场扫描透镜也能对脉冲激光进行聚焦， 起到进一步聚焦的作用， 同时平场扫描透镜能使 得光焦点在同一平面上扫描。 0059 环形高频超声探测器由厚度9 m的环形PVDF(聚偏氟乙烯)环形压电阵元、 厚度2mm 的环氧树脂背衬材料、 厚度3mm的环形玻璃纤维吸声板及正负电极的导电银丝组成， 环形高 频超声探测器的通光孔的内径为3mm， 环形压电阵元的外径为12m， 主频范围为40MHz 70MHZ、 带。
43、宽为80110、 灵敏度的范围为-30dB-50dB； 本发明中环形高频超声探测器 的主频为50MHZ、 带宽为90、 灵敏度为-35dB。 0060 聚焦声透镜由光学PS(聚丙乙烯)材料制作， 具有优越的透光性和透声性， 透光率 92， 透声率95。 光学PS材料的密度为1.05103/m3， 声速为2.39/s， 声阻抗为 2.52106/m3s， 透光率为94， 透声率为96； 聚焦声透镜上的球面凹槽表面光滑， 圆 柱形凹槽的槽底表面平整光滑， 透光性良好。 多功能聚焦声透镜最低端圆平面光滑， 透光性 良好， 多功能聚焦声透镜的侧表面为磨砂表面， 难以透光透声。 由上往下看， 4个球面凹。
44、槽的 半径分别为6mm、 5mm、 4mm及3mm， 圆柱形凹槽的直径为3mm， 深度为1mm； 多功能声透镜圆台状 的最低端圆平面的直径为4mm。 0061 信号放大模块包括信号放大器和噪声滤波器； 信号放大器采用级联放大器， 放大 倍数为80dB， 带宽为1MHz200MHz； 噪声滤波器为带通滤波器， 通频带范围10MHz100MHz。 0062 所述的信号采集电路的采样率为200MHz， 分辨率为16bit。 0063 一种多尺度光声显微成像方法， 包括以下步骤： 0064 (1)根据惠更斯原理， 利用亥姆霍兹-基尔霍夫积分定理计算出设有多个不同半径 的球面凹槽的多焦点高频探测器的声场。
45、分布， ， 求出在不同半径的球面凹槽情况下的声焦 长、 焦斑直径、 焦深， 从而计算出多焦点高频探测器的声焦点分布情况； 0065 (2)用注射泵把水从多焦点高频探测器的注水孔注入多焦点高频探测器的容腔， 使水充满整个容腔， 直至水从多焦点高频探测器的排水孔溢出为止； 0066 (3)结合图1和图3所示， 将样品置于样品台上， 计算机系统控制脉冲激光器发出脉 冲激光， 脉冲激光经光纤耦合器耦合进单模光纤， 脉冲激光再经单模光纤传输入光纤准直 器， 光纤准直器将脉冲激光入射到二维扫描振镜的反射镜， 反射镜将脉冲激光反射到光学 电控调焦透镜内， 脉冲激光经光学电控调焦透镜后进入平场扫描透镜， 脉冲。
46、激光经光学电 控调焦透镜和平场扫描透镜聚焦后进入多焦点高频探测器， 脉冲激光经过多焦点高频探测 器后到达样品， 样品激发出的超声波被多焦点高频探测器所探测到， 多焦点高频探测器将 探测到的超声波转化为电信号并传输到信号放大模块， 信号放大模块将光声信号传输至计 算机系统， 计算机系统将光声信号用于图像重建； 0067 (4)计算机系统通过二维扫描振镜控制器控制扫描振镜电机， 扫描振镜电机驱动 反射镜转动， 进而实现脉冲激光的点扫描； 0068 (5)根据步骤(1)的声焦点分布的估算情况， 通过计算机系统调节光学电控调焦透 说 明 书 7/8 页 10 CN 106333650 A 10 镜的电。
47、压或者电流， 实现光学电控调焦透镜焦距的改变， 并与多焦点高频探测器配合使用， 不断地调整脉冲激光光焦点的扫描位置的深度， 重复步骤(4)； 图4是通过改变球面凹槽半 径R、 超声阵元直径D的大小， 计算得到的声焦距f的变化规律折线图。 图5是通过改变球面凹 槽半径R、 超声阵元直径D的大小， 计算得到的声焦斑直径d的变化规律折线图。 图6是通过改 变球面凹槽半径R、 超声阵元直径D的大小， 计算得到的声焦深L的变化规律折线图。 0069 (6)用计算机系统重建多个不同深度的光焦点扫描的光声信号图像。 计算机系统 可采用LABVIEW程序进行重建多个不同深度的焦点扫描； 0070 步骤(5)中。
48、所述的调整脉冲激光光焦点的扫描位置的深度采用以下方法进行： 通 过计算机系统改变光学电控调焦透镜的焦距， 光焦点每次调节范围为1 m50 m， 记录光声 信号出现的最大值。 0071 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。 说 明 书 8/8 页 11 CN 106333650 A 11 图1 说 明 书 附 图 1/4 页 12 CN 106333650 A 12 图2 说 明 书 附 图 2/4 页 13 CN 106333650 A 13 图3 说 明 书 附 图 3/4 页 14 CN 106333650 A 14 图4 图5 图6 说 明 书 附 图 4/4 页 15 CN 106333650 A 15 。