[发明专利]一种光声双模成像系统及其成像方法

说明书

本发明公开了一种光声双模成像系统及其成像方法。本发明巧妙设计容器的形状，容器的一个侧壁为竖直平面作为光学窗口面，另一部分的侧壁为圆柱体的部分侧壁作为光声接收侧壁，超声探测阵列采用部分环形，设置在光声接收侧壁的顶部；荧光激发光从光学窗口面进入至容器内照射成像物体产生荧光，同时脉冲激光器发出脉冲激光形成圆环形的光束照射在成像物体上，产生光声信号由超声探测阵列接收，从而同步获得荧光图像和光声图像；本发明基于这种巧妙的结构设计，能够实时的进行光声断层成像和荧光成像，并且能够实现采集双模图像的帧同步。

技术领域

本发明涉及样品成像技术，具体涉及一种光声双模成像系统及其成像方法。

背景技术

光声成像是本世纪发展起来的一种强大的混合成像方法，它结合光学的高对比度和超声探测的穿透性与分辨率，有效地克服了高分辨率光学成像在活体散射介质中成像深度的桎梏。该方法可以利用活体组织中内源性组织成分(如血红蛋白、转基因表达的特定蛋白等)或外源性造影剂(染料或纳米粒子)吸收漫散射的光子，局部组织温度瞬时升高(千分之几度范围)通过热弹性膨胀产生向外传播的超声波，再结合超声探测和重建方法获得吸收体的定量和定位信息。该方法继承了光学成像的安全性和高对比度，又保留了超声成像的穿透深度。正是由于这些特点和优势，光声成像在小动物成像和临床应用上都取得了巨大进展。

光声信号原理：物体吸收电磁辐射能量，吸收的能量转化为热量导致物体的温度升高，发生热膨胀，并在介质中产生声压。光声成像的主要实现方式包括两大类：光声显微成像(PAM)和光声计算层析成像(PACT)。其中光声显微成像类似于基于空间扫描的光学显微成像，同样受限于组织光散射，其成像研究对象主要是表皮层的循环系统(血氧饱和度、流速等)进行高分辨的无标记成像。而深层成像则基于光声计算层析成像(PACT)。PACT使用超声阵列采集光声信号,利用计算机算法进行图像重建，从而实现深层组织的PACT成像。一般采用红色或近红外的脉冲激光照射，且能量低于安全阈值，成像过程完全可以不损伤组织。

荧光成像可以提供深入光学扩散区域的高分辨率光学图像。同时，荧光成像由于其高灵敏度和高特异性的优点，在生命科学和医学研究领域的活体动物研究中发挥着重要作用。基于不同的光学对比机制，荧光成像和光声成像可以相互提供重要的互补信息。荧光成像原理：荧光物质在受到能量(光能等)激发后，原子核周围的电子从基态能级跃迁到能量较高的激发态，激发态的电子处于高能量状态，不稳定，通常会通过非辐射跃迁的方式快速降落在最低振动能级，随后由最低振动能级回到基态，以光子辐射的形式释放出能量，具有这种性质的出射光称为荧光。在实际应用中，同一种荧光物质有对应的激发光频率和发射光频率。通常选用对应激发光频率的窄带光源产生激发光照射荧光物质，用发射光频率对应的窄带滤光片滤除杂光，并用相机进行采集。

中国专利“一种集成光声与荧光双模态的成像系统及成像方法”(公开号CN101785662A)公开一种光声显微成像(PAM)技术和荧光成像技术融合系统通过扫描光路系统，将光声显微成像子系统和荧光显微成像子系统集成于一体；但是，此申请中的光声成像子系统是一种光声显微成像(PAM)技术,受限于组织光散射限制，其成像深度较浅，大约几毫米，只能看到组织表层信号，无法达到断层成像的效果。光声显微成像技术和荧光成像采用逐点扫描的方法进行成像，采集一幅图像时间较长，至少几秒钟。尤其，在活体实验成像过程中，呼吸和心跳运动伪影的影响会导致成像分辨率明显下降。

中国专利“光声与荧光双模一体断层成像系统及成像方法”(公开号CN102499645A)中，通过采集64阵元空气耦合超声换能阵列接收光声信号，对成像对象进行旋转，以完成多角度数据采集。通过振镜改变激光在成像对象上的激发位置，实现光声成像；但是，此申请中的光声采集采用64阵元线性空气耦合超声换能阵列，其接收角度有限，需要对成像对象进行360度旋转扫描。而且每次旋转扫描需要改变激光在成像对象上的激发位置，多次360度数据采集才能完成一次成像，导致其成像时间较长，并且不具有实时光声成像能力。