[发明专利]一种基于轴向调制的用于提升光声显微成像系统轴向分辨率的方法

说明书

一种基于轴向调制的用于提升光声显微成像系统轴向分辨率的方法，首先使用空间频率为k的轴向结构光照射样品调制光声信号，窄带宽的超声换能器接收到的光声信号其频谱信息包含基频、和频和差频三部分信息。获取该空间频率的轴向结构光激发出来的三个相位的光声信号，通过三相位分离法分出这三部分频谱信息，然后信息移位，将错位的高频信息移至正确的位置。逐步增加轴向结构光空间频率，]得的不同频段的光声信号，逆傅里叶变换后即可获得高分辨率图像。可获得的最高轴向分辨率由可产生的轴向结构光空间频率决定。该方法能将轴向分辨率提升至光学衍射极限，实现三维空间分辨率的各向同性，使获得的光声图像能够更加真实地反映生物组织的真实结构。

技术领域

本发明涉及光声显微成像领域，特别涉及一种基于轴向调制的用于提升光声显微成像系统轴向分辨率的方法。

背景技术

在光声显微成像中，由于成像通常是点扫描方式，因此横向分辨率由光焦点与声焦点的尺寸共同决定。然而，在光声显微成像的轴向，无论光焦点的大小如何，空间分辨率都是由探测用的超声换能器的带宽决定的。这是因为在轴向虽然可以通过提高光聚焦的数值孔径来降低光学焦点的大小，但是探测超声信号时使用的是时间分辨的方式而非点探测的方式，所以超声换能器的带宽决定了轴向空间单位脉冲响应的宽度，即轴向分辨率。该问题在光学分辨光声显微成像系统中尤为突出，在光学分辨的光声显微成像中，横向分辨率往往可以达到光学衍射极限的分辨率(百纳米量级)，而轴向分辨率却很难优于10微米，这使得三维成像的结果往往是各向异性的，无法反映生物组织的真实结构。

为提升系统的轴向分辨率，近些年来，世界各国的研究小组们分别从超声探测和光激光两个方面分别进行了一些研究。有研究者在离轴探测模式的声学分辨光声显微系统中通过使用两个正交放置的两个超声换能器提升空间各向同性，同时提升了横向和轴向的分辨率。使用更高带宽的压电超声探头配合维纳解卷积，将轴向分辨率提高到7.6微米。也有研究者则使用Lucy-Richardson解卷积的方法来提高超声传播方向的空间分辨率。用硅油来替代水作为耦合介质来降低声速将轴向分辨率提升至5.8微米。然而一方面超声换能器的制作方法决定了带宽已很难继续提高，另一方面，使用解卷积的方法对分辨率的提升效果有限，因此近几年出现了使用光学的方法来提高轴向分辨的研究。相较于普遍使用的用于超声探测的压电超声换能器，采用光学检测的方式来探测光声信号有助于简便系统、提升轴向分辨率，典型光学检测器件有微环、法布里-铂罗传感器等。微环由于其相对于压电陶瓷等传统换能器具有更大的带宽和更低的噪声，因此获得的光声成像轴向分辨率达到2.21微米,这分辨率已经达到了光学分辨水平，其三维分辨率各向同性对于生物学研究具有重要的意义，能够准确的揭示三维结构。由于微环是非聚焦探测，其对声压比较敏感，但是相对于使用压电超声探头其探测到的图像质量比较低。还有微环为能实现商业化，这对于研究者来说不是很方便。将法布里-铂罗传感器应用于光声信号的探测，获得轴向分辨率优于8微米。近几年来出现了使用光学的方法来从光声信号激发的角度来提高轴向分辨的研究。研究者利用光学漂白的非线性效应，将连续两个脉冲激发后的信号相减，实现了轴向400纳米的分辨率。使用双光子激发来产生光声信号，与双光子显微镜类似的，由于双光子吸收的区域局限性，因此只在很小的区域内产生超声信号，从而实现了光学分辨率的光声轴向分辨能力。热-超声转换效率随局部温度变化而改变这一特性也被用于提升轴向分辨率，使用时间间隔非常短(约100纳秒)的两个激光脉冲进行两次光声激发，通过两次激发之间的差异获得2.3微米的轴向分辨能力。然而，使用光学聚焦的方法多是利用非线性光学来实现轴向的光学分辨率，需要高强度光聚焦(光毒性大)，再加上非线性吸收的光声信号相对较弱，因此这些方法限制了光学分辨光声显微成像系统的使用。

针对这个问题，提出了一种基于轴向调制的方法来大幅度的提升轴向分辨率。通过在轴向上空间频率变化的结构光的调制，使光声信号频谱信息逐步落入超声换能器的频谱响应范围，然后将频谱恢复至正确位置，继而拓宽了系统的频谱响应范围，提升轴向分辨率。该方法同时能够实现利用低频的超声探头获取高频光声频谱。

发明内容