[發明專利]一種光聲信號反演引導的時間反演超聲編碼光聚焦方法

有效

• 申請號: 202011421630.8
• 申請日: 2020-12-08
• 公開（公告）號: CN112741599B
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發明（設計）人: 高飛;張鉅澤;高峰
• 申請（專利權）人: 上海科技大學
• 主分類號: A61B5/00
• 分類號: A61B5/00;A61N5/067;G06V10/26
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 徐俊

本發明公開了一種光聲信號反演引導的時間反演超聲編碼光聚焦方法。與迭代型TRUE聚焦方案不同，本發明設計了一種光聲反演引導(time?reversed?photoacoustic?wave?guided，簡稱TRPA)的時間反演超聲編碼(TRUE)光學聚焦技術，這里將其命名為TRPA?TRUE。本發明提供的方法結合了由時間反演光聲信號引導的超聲聚焦，并通過OPC將被超聲調制的部分散射光進行相位共軛操作，從而將光動態聚焦到散射介質中，并且僅僅需要單快門就可實現動態的光學聚焦。本發明提供的方案可用于增強光聲成像和光動力療法等需要光能聚集的領域，具有重要意義。

技術領域

本發明涉及一種光聲信號的光學聚焦方法，屬于波前整形、光學聚焦技術領域。

背景技術

深層組織中的光學成像是生物醫學成像的主要挑戰。深層組織中的光學聚焦不僅可以增強光學成像系統(例如熒光成像)的輸出信號強度，而且可以提高成像靈敏度。另一方面，它也可以直接應用于光動力操縱、光動力療法、激光燒蝕等需要光能聚焦的領域。能否將更多光能定域在被測樣品的一個特定微小區域內，就成了上述光學技術的一個重要技術指標。

通過對入射光的波前進行整形以抵消散射，波前整形是解決該問題的最佳方法。目前的波前整形的方法根據系統配置和應用領域大致分為三類：基于模型驅動的波前整形，基于反饋式的波前整形和光學時間反轉/光學相位共軛鏡(以下簡稱為OPC)。基于模型驅動的波前整形需要利用雙光子顯微鏡對光的波前進行測量來得到波前畸變，精度低并且價格昂貴。基于反饋式的波前整形需要經歷很多次的迭代優化使得這種方法不適用于多數場景。位相共軛技術，是借助于全息技術生成物光波的共軛波前的技術。位相共軛技術通過對從混濁介質后面或內部的輻射源傳播的散射場的一次測量獲得最佳波前。隨后，通過使用相位共軛鏡回放該場的共軛來形成焦點。與基于反饋的波前整形技術相似，OPC在散射中要求“信標星”來引導波前聚焦。為了解決這個問題，Xu等人提出了一種稱為時間反演超聲編碼(Time-reversed?ultrasonically?encoded，TRUE)光學聚焦術的方案，該實驗方案利用聲光調制效應，在組織體內部的超聲聚焦區對散射光子進行了頻率調制(超聲編碼)，被編碼的光子作為物光，和參考光一起在光折變晶體上記錄下全息圖；全息圖被讀出光再現，恢復出的位相共軛光沿原物光的波前好像被時間反演一般返回到超聲聚焦區；該方案使用了超聲聚焦用作“信標星”，實現了無損的、動態的光學聚焦。光學聚焦技術實質上是對位相共輒型光學聚焦技術的進一步拓展。但是要想使用超聲聚焦作為“信標星”，超聲的聚焦能力就決定了光學聚焦的效果。

早期TRUE技術的分辨率取決于超聲焦點的大小(25-50um)。但是，超聲波的聚焦能力對于確保足夠的局部能量沉積和增加在目標區域中調制的光子數量至關重要。當目標區域位于聲學異質層(例如脂肪組織或骨骼的不規則層)的后面時，聚焦性能成為限制其廣泛應用的主要瓶頸。為解決TRUE分辨率問題而提出的一種可能的解決方案是迭代TRUE，即共軛場和檢測場之間的反饋環路可以通過實驗將焦點大小減小三倍。然而，迭代方案的耗時破壞了TRUE的優勢，并會增加系統的復雜性。近來，本領域技術人員已經提出了在目標產生光聲(PA)?信號來指導超聲聚焦的替代方案，Fink等人已經成功地從實驗驗證了光聲信號時間反演的可行性。

發明內容

本發明的目的是：提出一種將光聲時間反演和OPC結合在一起的方法，從而實現單快照聚焦于在光學和聲學非均質介質中，實現了實時超快2D/3D光學聚焦，可用于增強光聲成像和光動力療法。

為了達到上述目的，本發明的技術方案是提供了一種光聲信號反演引導的時間反演超聲編碼光聚焦方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：將來自激光源的未聚焦光射入介質中，介質的光吸收區域作為聲源，從而產生光聲波；該介質產生的光聲波隨后被超聲換能器檢測到；

步驟2：對超聲換能器接收到的光聲信號執行時間反演操作，以實現超聲聚焦；