基于光纤激光超声传感器的光声显微成像研究

摘要

光声成像是近年来迅速发展起来的医学成像方法。这种成像方式采用“光学激发、声学探测”的工作方式，不仅具有组织纯光学成像的高分辨率，同时具有组织纯声学成像的强穿透能力，从而为活体内部深处的生理、病理过程的观测提供了强有力的技术手段。光声成像以非侵入式、无损伤的方式观测生物体中的血管等组织结构以及血液流动、血红细胞的氧结合等生理过程，这对于研究人体和生物体的生理病理过程以及癌症等重大疾病的早期诊断具有重要意义。 光声成像以脉冲激光在活体内激发出的微弱、宽带超声信号作为空间位置信息的载体，因此超声探头的性能对成像质量具有决定性作用。传统上光声成像采用压电超声探头对光致超声信号进行探测，这种超声传感器能够提供较高的超声灵敏度，但通常需要采用聚焦的工作方式，严重牺牲了视野面积；对于光声显微成像来说，系统不得不使用长工作距离的镜头，同时需要对声波信号进行扫描，极大地限制了成像速度；探头尺寸较大且光学不透明，这限制了成像系统构成方式的灵活性，且无法满足内窥、可穿戴等场合的需要。压电超声传感器的这些缺点，成为限制光声成像技术的进一步发展的瓶颈问题。光声成像对超声传感器的性能提出了新的要求，需要我们研制高灵敏度、宽工作带宽、结构小巧、光学透明的新型超声传感器。本文提出以正交双频光纤激光器为超声传感器件，研制了高灵敏度的超声传感系统，并将其用于光声成像，突破了传统压电探头对系统性能的限制，实现了快速、大视野面积的光声显微成像。主要研究工作如下： 1.低噪声、抗干扰光纤激光传感系统的研制。我们研究了超声敏感单元——正交双频光纤激光器的噪声机理，并有针对性地通过泵浦光偏振态稳定、削弱端面光反馈等方式进行降噪，使得激光输出的长期拍频频率浮动降低到5kHz，在典型频率10kHz处的相位噪声降低到-102dBc。同时我们研究了信号采集及解调系统的噪声，最后通过提高输入光功率来提高拍频信号的信噪比，降低了整个系统的噪声，这一噪声水平能提供在50MHz带宽下80kHz左右的频率分辨能力。系统具有较强的抗环境干扰的能力，在10mm/s的扫描速度下仍然能够不借助任何锁定方式提供稳定的超声探测的能力。这为光声信号的探测和光声成像的实现提供了基础。 2.光纤激光敏感单元的超声响应研究。以刚性圆柱体的声学散射模型为基础，研究了单模光纤与超声波之间的相互作用。在散射作用下超声波在光纤内建立起一定的应力应变分布，在22MHz、39.5MHz等力学共振频率处其效果最强。另一方面，研究了光栅间隔，光栅反射率等激光腔内参数，发现通过缩短腔长能够有效提升光声信号的探测能力。实验研究表明，我们研制的超声传感器工作带宽20MHz以上，最小可探测声压为40Pa，轴向敏感区域宽度2mm以上，角向敏感角度为60度。 3.基于光纤激光超声传感器实现了快速、大视野光声显微成像系统。我们利用光纤激光传感器敏感区域大、无需光声共聚焦这一特点，将机械扫描装置从水中解放出来。将光纤超声传感器靠近样品固定放置，采用光学二维扫描的方式，实现了快速、大视野光声显微成像系统。系统横向空间分辨率为3.2μm，轴向空间分辨率48μm，视野达到2mm×2mm以上，成像帧速度为4Hz。采用这一系统对小鼠进行了活体成像，能够清晰观察到其耳部的毛细血管，同时观察到了血管内的动态事件。 4.针对快速光声功能成像需求，研制了2MHz重频、波长可切换的多波长激发光源。以1MHz重复频率的532nm激光器为种子源，将光束一分为二，一束利用拉曼效应产生558nm的新波长；另一束注入光纤进行光学延迟。最终实现了重复频率达到了2MHz、切换时间为220ns的多波长（558nm和545nm/532nm）激发光源，这是已报道的最快光声功能成像用多波长激发光源。我们利用这一光源对小鼠耳部进行活体功能成像，观测到完整的毛细血管内氧气的释放过程。

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