基于光纤迈克尔逊干涉仪的非接触光声成像实验系统

周红仙，王 毅，胡瀛心，梁丽勤

(东北大学秦皇岛分校 a.实验教育中心; b.控制工程学院，河北 秦皇岛 066004)

0 引 言

传统的光学成像技术无法用于散射介质中的高分辨率成像，为了解决散射介质中的成像问题，人们提出了多种方法，如采用时间门[1]、空间门[2]、角度门[3]、相干门[4]，偏振门[5]，以及通过数学模型进行逆向求解[6]。基于光声效应的光声成像(Photoacoustic Imaging，PAI)是近十几年逐渐发展成熟的一种新的生物组织成像技术[7-8]，PAI结合了光学成像的高对比度和超声成像的高分辨率、高穿透深度等优点，可以用于生物组织的结构及功能成像，为生物医学领域提供了一种新的成像工具。

PAI的物理基础为光声效应，当用短脉冲激光照射吸收体时，吸收体吸收光能，导致局部温升发生热弹性膨胀，从而产生超声波，光声信号的产生过程是“光能-热能-机械能”的转化过程。PAI主要分为光声层析成像(Photoacoustic Tomography，PAT)和光声显微成像(Photoacoustic Microscopy，PAM)，PAT用经扩束的脉冲激光均匀照射样品，沿不同方向采集光声信号，用滤波反投影等算法重建组织中的光吸收分布；PAM使用聚焦的激发光或聚焦探头，只采集焦点区域的光声信号，通过二维扫描成像，由于使用了光聚焦或声聚焦，PAM具有较高的分辨率。

PAI包括光声信号的激发、光声信号的探测及光吸收重建3个步骤，其中光声信号的探测是光声成像的关键。目前，大多数PAI系统是利用压电超声换能器探测光声信号，由于超声波在两种声阻抗不同的介质界面上会产生强烈的反射，且超声波在空气中的衰减较为严重，因此在使用超声换能器进行光声信号探测时，超声换能器必须通过水或其他耦合剂与样品接触，这种接触探测方式限制了PAI在许多方面的应用。为了消除PAI接触检测的限制，近几年，非接触光声成像的研究得到了极大的关注，Deán-Ben等[9]使用空气耦合超声换能器进行非接触光声成像，但是空气耦合超声换能器的灵敏度较低。光学检测技术也被用于光声成像，使用高灵敏的光学干涉法，非接触探测光声效应导致的样品表面位移或振动，如使用零差干涉法、外插干涉法、双波混频干涉法及共焦F-P干涉仪[10-11]。聚合物膜F-P超声探测器、基于CCD和微环谐振腔的压力探测器也被用于PAI[12-15]，这几种方法也属于光学检测方法，但是测量的是声压造成的F-P干涉仪和光纤的变形，仍需要使用声耦合介质。

本文介绍了光声成像的原理，建立了一种适用于大学物理实验教学的非接触光声成像实验系统。该系统用光纤迈克耳孙干涉仪检测光声效应导致的样品表面振动，使用多重触发使迈克耳孙干涉仪工作于最大灵敏度状态，用该成像实验系统对光学分辨率板及小鼠耳朵血管进行成像，实现了非接触、高灵敏的光声成像，该实验系统有助于学生了解及掌握非接触光声成像这种新的成像技术。

1 实验装置和方法

1.1 实验装置

图1为实验系统原理图，主要包括光声信号的激发和探测两部分。使用半导体泵浦固体激光器作为光声激发光源，工作波长527 nm，单脉冲脉宽7 ns；使用光纤迈克耳孙干涉仪检测光声效应导致的样品表面振动，探测光源为连续激光二极管，中心波长1 310 nm，带宽0.1 nm，功率4 mW。探测光经光纤环形器后，进入2×2光纤耦合器，经耦合器分为参考光和样品光，耦合器的分光比为50/50，样品光和激发光由二色镜合在一起，然后被一焦距为50 mm的透镜聚焦，调节透镜1、2的间距，使激发光和样品光分别聚焦到样品内部和样品表面。

图1 实验系统装置示意图

当样品臂与参考臂的相位差θ=kπ±π/2(k=0,±1,±2,…)时，零差干涉仪具有最大灵敏度，然而由于样品表面的粗糙性及外界的干扰，干涉仪通常会偏离最大灵敏度状态，而处于较低的灵敏度状态。本文使用“零点触发”方法使该系统工作于最大灵敏度状态。如图1所示，由样品臂和参考臂返回的样品光和参考光进入光纤耦合器，样品光和参考光分别经耦合器分为两路，一路样品光和参考光直接进入平衡探测器；另一路样品光和参考光经环形器进入平衡探测器，光纤耦合器在两路干涉信号中产生π相移，因此由平衡探测器探测到的两路干涉信号分别为：

(1)

1.2 方 法

假定光声信号导致的样品表面微小位移为Δd，d为样品光和参考光的固有光程差和外界干扰引入的光程差之和，则总的光程差为(Δd+d)，从平衡探测器RF端直接得到的信号为

(2)

由于Δd为纳米级，则式(2)可近似为

(3)

相对于脉冲光声信号，外界干扰是一个缓变过程，因此经过高通滤波器，得到的信号为

(4)

当外界干扰产生的相位差4πd/λ=kπ±π/2，则式(4)中sin项等于1，为最大值，即系统具有最高灵敏度。

首先用电压比较器实时监测平衡探测器RF端直接输出的信号IRF，当IRF为零时，系统处于最大灵敏度，触发完成1个点的光声信号的激发和采集，由高速采集卡采集经过高通滤波器的信号

2 实验结果

从示波器采集的触发信号如图2所示。图中黄线表示一个典型的平衡探测器直接输出的干涉信号IRF，可以看出，由于外界的干扰，IRF随机涨落，说明干涉系统的灵敏度是随机的；蓝线表示电压比较器输出的触发信号1(见图1)，电压比较器设为上升沿触发，触发电平为零伏；触发信号1使激发激光器发出激光，激光器发出激光的同时，发出触发信号2(紫色线所示)触发采集卡进行光声信号的采集。增大示波器采样频率后，触发信号1和2之间的延迟如图2(b)所示，约为400 ns。

图2 IRF信号(黄色)、触发信号1(蓝色)和触发信号2(紫色)

为了验证光声系统的成像性能，用USAF1951分辨率板为样品，用该系统对其进行光声成像，分辨率板是在玻璃上通过蒸镀铬而形成不同宽度的明暗条纹，产生不同的吸收分布，成像结果如图3(a)所示，成像结果和分辨率板的结构一致，成像范围为1 mm×1 mm，采样点为400×400，步长为2.5 μm。使用该系统对小鼠耳朵血管进行在体成像，以验证其对生物组织成像的能力。该实验中使用的小鼠为9周大雌性鼠，经东北大学动物伦理委员会批准，所有实验都是根据国家动物实验护理和使用指南进行。用氯胺酮(80 mg∕kg)和甲苯噻嗪(6 mg∕kg)的混合物通过腹腔注射麻醉小鼠，将小鼠耳朵上的毛发褪去，成像结果如图3(b)所示，可以清楚地显示小鼠耳朵微血管分布，表明本系统可用于高对比度的在体血管成像。该系统的横向分辨率由透镜3决定(见图1)，本系统使用的是普通的双胶合透镜，如果使用高分辨率的显微物镜，可以进一步提高其横向分辨。

3 讨 论

光学干涉具有高灵敏度和非接触的优点，非常适合于光声信号探测，但是其灵敏度易受外界干扰，这是光学干涉法用于光声成像存在的主要问题。和目前的外插干涉法、双波混频干涉法及共焦F-P干涉仪相比，本文介绍的系统结构简单，在迈克耳孙干涉仪的基础上，使用两次触发，使系统工作于最大灵敏度。本系统的优点是不受外界干扰，抗干扰能力强，如图2所示，干扰使干涉信号产生随机涨落，当零点出现时，系统处于最大灵敏度状态，系统被触发，完成光声信号的激发和采集，因此，“零点触发”使系统始终工作于灵敏度最大状态。外界干扰使干涉信号过零点的快慢决定了系统的采集速度，当外界干扰较大时，过零点的频率更高，采集速度较快。为了进一步提高系统的采集速度，可以人为地给该系统增加干扰。在该系统中，电压比较器只使用上升沿触发，如果同时使用下降沿触发和上升沿触发，则采集速度可以提高1倍。

传统的光学成像只能用于透明及半透明样品的内部成像，无法对散射介质内部成像，散射会降低成像分辨率，生物组织为强散射介质，为了消除散射光的影响，光学相干层析(Optical Coherence Tomography，OCT)使用低相干光干涉消除散射光的影响，仅仅对弹道光成像，可以用于组织成像，是目前应用广泛的组织成像技术。OCT是利用背向散射光成像，而PAI是吸收成像，利用PAI这一特性，可以对组织的血氧饱和度进行成像，可以反应组织的新陈代谢，这是PAI的优点。

4 结 语

PAI是近年来发展起来的一种新的成像技术，本文介绍了PAM的成像原理，建立了一种基于迈克耳孙干涉仪的非接触光声成像实验系统，和目前的基于压电换能器光声信号检测方法相比，这种方法不用耦合介质，消除了接触测量的限制。为了消除外界干扰，系统实时检测干涉信号，使用零点触发方法，使系统工作于最大灵敏度，该干涉系统结构简单，灵敏度高，抗干扰能力强。本实验系统用LabVIEW进行系统控制及信号采集，成本较低，物理思想清晰，所以该项目非常适合于在物理实验迈克尔逊干涉仪的基础上，作为综合设计性物理实验项目。