基于光纖邁克爾遜干涉儀的非接觸光聲成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

周紅仙，王 毅，胡瀛心，梁麗勤

(東北大學(xué)秦皇島分校 a.實(shí)驗(yàn)教育中心; b.控制工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

0 引 言

傳統(tǒng)的光學(xué)成像技術(shù)無法用于散射介質(zhì)中的高分辨率成像，為了解決散射介質(zhì)中的成像問題，人們提出了多種方法，如采用時(shí)間門[1]、空間門[2]、角度門[3]、相干門[4]，偏振門[5]，以及通過數(shù)學(xué)模型進(jìn)行逆向求解[6]。基于光聲效應(yīng)的光聲成像(Photoacoustic Imaging，PAI)是近十幾年逐漸發(fā)展成熟的一種新的生物組織成像技術(shù)[7-8]，PAI結(jié)合了光學(xué)成像的高對(duì)比度和超聲成像的高分辨率、高穿透深度等優(yōu)點(diǎn)，可以用于生物組織的結(jié)構(gòu)及功能成像，為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供了一種新的成像工具。

PAI的物理基礎(chǔ)為光聲效應(yīng)，當(dāng)用短脈沖激光照射吸收體時(shí)，吸收體吸收光能，導(dǎo)致局部溫升發(fā)生熱彈性膨脹，從而產(chǎn)生超聲波，光聲信號(hào)的產(chǎn)生過程是“光能-熱能-機(jī)械能”的轉(zhuǎn)化過程。PAI主要分為光聲層析成像(Photoacoustic Tomography，PAT)和光聲顯微成像(Photoacoustic Microscopy，PAM)，PAT用經(jīng)擴(kuò)束的脈沖激光均勻照射樣品，沿不同方向采集光聲信號(hào)，用濾波反投影等算法重建組織中的光吸收分布；PAM使用聚焦的激發(fā)光或聚焦探頭，只采集焦點(diǎn)區(qū)域的光聲信號(hào)，通過二維掃描成像，由于使用了光聚焦或聲聚焦，PAM具有較高的分辨率。

PAI包括光聲信號(hào)的激發(fā)、光聲信號(hào)的探測(cè)及光吸收重建3個(gè)步驟，其中光聲信號(hào)的探測(cè)是光聲成像的關(guān)鍵。目前，大多數(shù)PAI系統(tǒng)是利用壓電超聲換能器探測(cè)光聲信號(hào)，由于超聲波在兩種聲阻抗不同的介質(zhì)界面上會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射，且超聲波在空氣中的衰減較為嚴(yán)重，因此在使用超聲換能器進(jìn)行光聲信號(hào)探測(cè)時(shí)，超聲換能器必須通過水或其他耦合劑與樣品接觸，這種接觸探測(cè)方式限制了PAI在許多方面的應(yīng)用。為了消除PAI接觸檢測(cè)的限制，近幾年，非接觸光聲成像的研究得到了極大的關(guān)注，Deán-Ben等[9]使用空氣耦合超聲換能器進(jìn)行非接觸光聲成像，但是空氣耦合超聲換能器的靈敏度較低。光學(xué)檢測(cè)技術(shù)也被用于光聲成像，使用高靈敏的光學(xué)干涉法，非接觸探測(cè)光聲效應(yīng)導(dǎo)致的樣品表面位移或振動(dòng)，如使用零差干涉法、外插干涉法、雙波混頻干涉法及共焦F-P干涉儀[10-11]。聚合物膜F-P超聲探測(cè)器、基于CCD和微環(huán)諧振腔的壓力探測(cè)器也被用于PAI[12-15]，這幾種方法也屬于光學(xué)檢測(cè)方法，但是測(cè)量的是聲壓造成的F-P干涉儀和光纖的變形，仍需要使用聲耦合介質(zhì)。

本文介紹了光聲成像的原理，建立了一種適用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的非接觸光聲成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)用光纖邁克耳孫干涉儀檢測(cè)光聲效應(yīng)導(dǎo)致的樣品表面振動(dòng)，使用多重觸發(fā)使邁克耳孫干涉儀工作于最大靈敏度狀態(tài)，用該成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)光學(xué)分辨率板及小鼠耳朵血管進(jìn)行成像，實(shí)現(xiàn)了非接觸、高靈敏的光聲成像，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有助于學(xué)生了解及掌握非接觸光聲成像這種新的成像技術(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖，主要包括光聲信號(hào)的激發(fā)和探測(cè)兩部分。使用半導(dǎo)體泵浦固體激光器作為光聲激發(fā)光源，工作波長(zhǎng)527 nm，單脈沖脈寬7 ns；使用光纖邁克耳孫干涉儀檢測(cè)光聲效應(yīng)導(dǎo)致的樣品表面振動(dòng)，探測(cè)光源為連續(xù)激光二極管，中心波長(zhǎng)1 310 nm，帶寬0.1 nm，功率4 mW。探測(cè)光經(jīng)光纖環(huán)形器后，進(jìn)入2×2光纖耦合器，經(jīng)耦合器分為參考光和樣品光，耦合器的分光比為50/50，樣品光和激發(fā)光由二色鏡合在一起，然后被一焦距為50 mm的透鏡聚焦，調(diào)節(jié)透鏡1、2的間距，使激發(fā)光和樣品光分別聚焦到樣品內(nèi)部和樣品表面。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置示意圖

當(dāng)樣品臂與參考臂的相位差θ=kπ±π/2(k=0,±1,±2,…)時(shí)，零差干涉儀具有最大靈敏度，然而由于樣品表面的粗糙性及外界的干擾，干涉儀通常會(huì)偏離最大靈敏度狀態(tài)，而處于較低的靈敏度狀態(tài)。本文使用“零點(diǎn)觸發(fā)”方法使該系統(tǒng)工作于最大靈敏度狀態(tài)。如圖1所示，由樣品臂和參考臂返回的樣品光和參考光進(jìn)入光纖耦合器，樣品光和參考光分別經(jīng)耦合器分為兩路，一路樣品光和參考光直接進(jìn)入平衡探測(cè)器；另一路樣品光和參考光經(jīng)環(huán)形器進(jìn)入平衡探測(cè)器，光纖耦合器在兩路干涉信號(hào)中產(chǎn)生π相移，因此由平衡探測(cè)器探測(cè)到的兩路干涉信號(hào)分別為：

(1)

1.2 方 法

假定光聲信號(hào)導(dǎo)致的樣品表面微小位移為Δd，d為樣品光和參考光的固有光程差和外界干擾引入的光程差之和，則總的光程差為(Δd+d)，從平衡探測(cè)器RF端直接得到的信號(hào)為

(2)

由于Δd為納米級(jí)，則式(2)可近似為

(3)

相對(duì)于脈沖光聲信號(hào)，外界干擾是一個(gè)緩變過程，因此經(jīng)過高通濾波器，得到的信號(hào)為

(4)

當(dāng)外界干擾產(chǎn)生的相位差4πd/λ=kπ±π/2，則式(4)中sin項(xiàng)等于1，為最大值，即系統(tǒng)具有最高靈敏度。

首先用電壓比較器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平衡探測(cè)器RF端直接輸出的信號(hào)IRF，當(dāng)IRF為零時(shí)，系統(tǒng)處于最大靈敏度，觸發(fā)完成1個(gè)點(diǎn)的光聲信號(hào)的激發(fā)和采集，由高速采集卡采集經(jīng)過高通濾波器的信號(hào)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從示波器采集的觸發(fā)信號(hào)如圖2所示。圖中黃線表示一個(gè)典型的平衡探測(cè)器直接輸出的干涉信號(hào)IRF，可以看出，由于外界的干擾，IRF隨機(jī)漲落，說明干涉系統(tǒng)的靈敏度是隨機(jī)的；藍(lán)線表示電壓比較器輸出的觸發(fā)信號(hào)1(見圖1)，電壓比較器設(shè)為上升沿觸發(fā)，觸發(fā)電平為零伏；觸發(fā)信號(hào)1使激發(fā)激光器發(fā)出激光，激光器發(fā)出激光的同時(shí)，發(fā)出觸發(fā)信號(hào)2(紫色線所示)觸發(fā)采集卡進(jìn)行光聲信號(hào)的采集。增大示波器采樣頻率后，觸發(fā)信號(hào)1和2之間的延遲如圖2(b)所示，約為400 ns。

圖2 IRF信號(hào)(黃色)、觸發(fā)信號(hào)1(藍(lán)色)和觸發(fā)信號(hào)2(紫色)

為了驗(yàn)證光聲系統(tǒng)的成像性能，用USAF1951分辨率板為樣品，用該系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行光聲成像，分辨率板是在玻璃上通過蒸鍍鉻而形成不同寬度的明暗條紋，產(chǎn)生不同的吸收分布，成像結(jié)果如圖3(a)所示，成像結(jié)果和分辨率板的結(jié)構(gòu)一致，成像范圍為1 mm×1 mm，采樣點(diǎn)為400×400，步長(zhǎng)為2.5 μm。使用該系統(tǒng)對(duì)小鼠耳朵血管進(jìn)行在體成像，以驗(yàn)證其對(duì)生物組織成像的能力。該實(shí)驗(yàn)中使用的小鼠為9周大雌性鼠，經(jīng)東北大學(xué)動(dòng)物倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，所有實(shí)驗(yàn)都是根據(jù)國(guó)家動(dòng)物實(shí)驗(yàn)護(hù)理和使用指南進(jìn)行。用氯胺酮(80 mg∕kg)和甲苯噻嗪(6 mg∕kg)的混合物通過腹腔注射麻醉小鼠，將小鼠耳朵上的毛發(fā)褪去，成像結(jié)果如圖3(b)所示，可以清楚地顯示小鼠耳朵微血管分布，表明本系統(tǒng)可用于高對(duì)比度的在體血管成像。該系統(tǒng)的橫向分辨率由透鏡3決定(見圖1)，本系統(tǒng)使用的是普通的雙膠合透鏡，如果使用高分辨率的顯微物鏡，可以進(jìn)一步提高其橫向分辨。

3 討 論

光學(xué)干涉具有高靈敏度和非接觸的優(yōu)點(diǎn)，非常適合于光聲信號(hào)探測(cè)，但是其靈敏度易受外界干擾，這是光學(xué)干涉法用于光聲成像存在的主要問題。和目前的外插干涉法、雙波混頻干涉法及共焦F-P干涉儀相比，本文介紹的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在邁克耳孫干涉儀的基礎(chǔ)上，使用兩次觸發(fā)，使系統(tǒng)工作于最大靈敏度。本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是不受外界干擾，抗干擾能力強(qiáng)，如圖2所示，干擾使干涉信號(hào)產(chǎn)生隨機(jī)漲落，當(dāng)零點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)處于最大靈敏度狀態(tài)，系統(tǒng)被觸發(fā)，完成光聲信號(hào)的激發(fā)和采集，因此，“零點(diǎn)觸發(fā)”使系統(tǒng)始終工作于靈敏度最大狀態(tài)。外界干擾使干涉信號(hào)過零點(diǎn)的快慢決定了系統(tǒng)的采集速度，當(dāng)外界干擾較大時(shí)，過零點(diǎn)的頻率更高，采集速度較快。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的采集速度，可以人為地給該系統(tǒng)增加干擾。在該系統(tǒng)中，電壓比較器只使用上升沿觸發(fā)，如果同時(shí)使用下降沿觸發(fā)和上升沿觸發(fā)，則采集速度可以提高1倍。

傳統(tǒng)的光學(xué)成像只能用于透明及半透明樣品的內(nèi)部成像，無法對(duì)散射介質(zhì)內(nèi)部成像，散射會(huì)降低成像分辨率，生物組織為強(qiáng)散射介質(zhì)，為了消除散射光的影響，光學(xué)相干層析(Optical Coherence Tomography，OCT)使用低相干光干涉消除散射光的影響，僅僅對(duì)彈道光成像，可以用于組織成像，是目前應(yīng)用廣泛的組織成像技術(shù)。OCT是利用背向散射光成像，而PAI是吸收成像，利用PAI這一特性，可以對(duì)組織的血氧飽和度進(jìn)行成像，可以反應(yīng)組織的新陳代謝，這是PAI的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié) 語

PAI是近年來發(fā)展起來的一種新的成像技術(shù)，本文介紹了PAM的成像原理，建立了一種基于邁克耳孫干涉儀的非接觸光聲成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，和目前的基于壓電換能器光聲信號(hào)檢測(cè)方法相比，這種方法不用耦合介質(zhì)，消除了接觸測(cè)量的限制。為了消除外界干擾，系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)干涉信號(hào)，使用零點(diǎn)觸發(fā)方法，使系統(tǒng)工作于最大靈敏度，該干涉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用LabVIEW進(jìn)行系統(tǒng)控制及信號(hào)采集，成本較低，物理思想清晰，所以該項(xiàng)目非常適合于在物理實(shí)驗(yàn)邁克爾遜干涉儀的基礎(chǔ)上，作為綜合設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。