基于光纖邁克爾遜干涉儀的非接觸光聲成像實驗系統

周紅仙，王 毅，胡瀛心，梁麗勤

(東北大學秦皇島分校 a.實驗教育中心; b.控制工程學院，河北 秦皇島 066004)

0 引 言

傳統的光學成像技術無法用于散射介質中的高分辨率成像，為了解決散射介質中的成像問題，人們提出了多種方法，如采用時間門[1]、空間門[2]、角度門[3]、相干門[4]，偏振門[5]，以及通過數學模型進行逆向求解[6]。基于光聲效應的光聲成像(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[7-8]，PAI結合了光學成像的高對比度和超聲成像的高分辨率、高穿透深度等優(yōu)點，可以用于生物組織的結構及功能成像，為生物醫(yī)學領域提供了一種新的成像工具。

PAI的物理基礎為光聲效應，當用短脈沖激光照射吸收體時，吸收體吸收光能，導致局部溫升發(fā)生熱彈性膨脹，從而產生超聲波，光聲信號的產生過程是“光能-熱能-機械能”的轉化過程。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用經擴束的脈沖激光均勻照射樣品，沿不同方向采集光聲信號，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，只采集焦點區(qū)域的光聲信號，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包括光聲信號的激發(fā)、光聲信號的探測及光吸收重建3個步驟，其中光聲信號的探測是光聲成像的關鍵。目前，大多數PAI系統是利用壓電超聲換能器探測光聲信號，由于超聲波在兩種聲阻抗不同的介質界面上會產生強烈的反射，且超聲波在空氣中的衰減較為嚴重，因此在使用超聲換能器進行光聲信號探測時，超聲換能器必須通過水或其他耦合劑與樣品接觸，這種接觸探測方式限制了PAI在許多方面的應用。為了消除PAI接觸檢測的限制，近幾年，非接觸光聲成像的研究得到了極大的關注，Deán-Ben等[9]使用空氣耦合超聲換能器進行非接觸光聲成像，但是空氣耦合超聲換能器的靈敏度較低。光學檢測技術也被用于光聲成像，使用高靈敏的光學干涉法，非接觸探測光聲效應導致的樣品表面位移或振動，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超聲探測器、基于CCD和微環(huán)諧振腔的壓力探測器也被用于PAI[12-15]，這幾種方法也屬于光學檢測方法，但是測量的是聲壓造成的F-P干涉儀和光纖的變形，仍需要使用聲耦合介質。

本文介紹了光聲成像的原理，建立了一種適用于大學物理實驗教學的非接觸光聲成像實驗系統。該系統用光纖邁克耳孫干涉儀檢測光聲效應導致的樣品表面振動，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)，用該成像實驗系統對光學分辨率板及小鼠耳朵血管進行成像，實現了非接觸、高靈敏的光聲成像，該實驗系統有助于學生了解及掌握非接觸光聲成像這種新的成像技術。

1 實驗裝置和方法

1.1 實驗裝置

圖1為實驗系統原理圖，主要包括光聲信號的激發(fā)和探測兩部分。使用半導體泵浦固體激光器作為光聲激發(fā)光源，工作波長527 nm，單脈沖脈寬7 ns；使用光纖邁克耳孫干涉儀檢測光聲效應導致的樣品表面振動，探測光源為連續(xù)激光二極管，中心波長1 310 nm，帶寬0.1 nm，功率4 mW。探測光經光纖環(huán)形器后，進入2×2光纖耦合器，經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部和樣品表面。

圖1 實驗系統裝置示意圖

當樣品臂與參考臂的相位差θ=kπ±π/2(k=0,±1,±2,…)時，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“零點觸發(fā)”方法使該系統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入光纖耦合器，樣品光和參考光分別經耦合器分為兩路，一路樣品光和參考光直接進入平衡探測器；另一路樣品光和參考光經環(huán)形器進入平衡探測器，光纖耦合器在兩路干涉信號中產生π相移，因此由平衡探測器探測到的兩路干涉信號分別為：

(1)

1.2 方 法

假定光聲信號導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)，從平衡探測器RF端直接得到的信號為

(2)

由于Δd為納米級，則式(2)可近似為

(3)

相對于脈沖光聲信號，外界干擾是一個緩變過程，因此經過高通濾波器，得到的信號為

(4)

當外界干擾產生的相位差4πd/λ=kπ±π/2，則式(4)中sin項等于1，為最大值，即系統具有最高靈敏度。

首先用電壓比較器實時監(jiān)測平衡探測器RF端直接輸出的信號IRF，當IRF為零時，系統處于最大靈敏度，觸發(fā)完成1個點的光聲信號的激發(fā)和采集，由高速采集卡采集經過高通濾波器的信號

2 實驗結果

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

圖2 IRF信號(黃色)、觸發(fā)信號1(藍色)和觸發(fā)信號2(紫色)

為了驗證光聲系統的成像性能，用USAF1951分辨率板為樣品，用該系統對其進行光聲成像，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，產生不同的吸收分布，成像結果如圖3(a)所示，成像結果和分辨率板的結構一致，成像范圍為1 mm×1 mm，采樣點為400×400，步長為2.5 μm。使用該系統對小鼠耳朵血管進行在體成像，以驗證其對生物組織成像的能力。該實驗中使用的小鼠為9周大雌性鼠，經東北大學動物倫理委員會批準，所有實驗都是根據國家動物實驗護理和使用指南進行。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，表明本系統可用于高對比度的在體血管成像。該系統的橫向分辨率由透鏡3決定(見圖1)，本系統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，可以進一步提高其橫向分辨。

3 討 論

光學干涉具有高靈敏度和非接觸的優(yōu)點，非常適合于光聲信號探測，但是其靈敏度易受外界干擾，這是光學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，本文介紹的系統結構簡單，在邁克耳孫干涉儀的基礎上，使用兩次觸發(fā)，使系統工作于最大靈敏度。本系統的優(yōu)點是不受外界干擾，抗干擾能力強，如圖2所示，干擾使干涉信號產生隨機漲落，當零點出現時，系統處于最大靈敏度狀態(tài)，系統被觸發(fā)，完成光聲信號的激發(fā)和采集，因此，“零點觸發(fā)”使系統始終工作于靈敏度最大狀態(tài)。外界干擾使干涉信號過零點的快慢決定了系統的采集速度，當外界干擾較大時，過零點的頻率更高，采集速度較快。為了進一步提高系統的采集速度，可以人為地給該系統增加干擾。在該系統中，電壓比較器只使用上升沿觸發(fā)，如果同時使用下降沿觸發(fā)和上升沿觸發(fā)，則采集速度可以提高1倍。

傳統的光學成像只能用于透明及半透明樣品的內部成像，無法對散射介質內部成像，散射會降低成像分辨率，生物組織為強散射介質，為了消除散射光的影響，光學相干層析(Optical Coherence Tomography，OCT)使用低相干光干涉消除散射光的影響，僅僅對彈道光成像，可以用于組織成像，是目前應用廣泛的組織成像技術。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，可以對組織的血氧飽和度進行成像，可以反應組織的新陳代謝，這是PAI的優(yōu)點。

4 結 語

PAI是近年來發(fā)展起來的一種新的成像技術，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驗系統，和目前的基于壓電換能器光聲信號檢測方法相比，這種方法不用耦合介質，消除了接觸測量的限制。為了消除外界干擾，系統實時檢測干涉信號，使用零點觸發(fā)方法，使系統工作于最大靈敏度，該干涉系統結構簡單，靈敏度高，抗干擾能力強。本實驗系統用LabVIEW進行系統控制及信號采集，成本較低，物理思想清晰，所以該項目非常適合于在物理實驗邁克爾遜干涉儀的基礎上，作為綜合設計性物理實驗項目。