技术摘要：
本发明涉及一种用于以光学分辨率成像样本中的次表面结构的相干门控光声遥感系统可以包括：激发光束源，该激发光束源配置成生成激发光束，该激发光束在激发位置感生超声信号到样本中；探询光束源，该探询光束源配置成生成在探询位置入射到样本上的探询光束，该探询光束  全部
背景技术：
本文提出的美国专利和专利公布的全文通过引用明确并入本文。 光声成像是一种新兴的混合成像技术，可提供具有高空间分辨率的光学对比度。 射入组织中的纳秒或皮秒激光脉冲发射热弹性感应声波，对其进行探测并重建形成高分辨 率图像。 光声成像已研发出多种实施方案，主要包括光声层析成像(PAT)、光声显微成像 (PAM)(有时称为声学分辨率光声显微成像(AR-PAM))和光学分辨率光声显微成像(OR- PAM)。在PAT中，从多个换能器位置收集信号并以类似于超声(US)或X射线计算机断层扫描 (CT)的方式重建形成断层图像。PAT与另外两种模式的区别之一在于，须对样本做出假定， 以便进行重建；这通常涉及假定样本内的声传播速度。在PAM中，通常使用单元件聚焦的高 频超声换能器来收集提供声聚焦的光声信号。该换能器连同激发光束可以在样本周围横向 扫描以执行体积成像。PAT和PAM通常都使用未聚焦的激发光束来实施。这两种模式都提供 了声波限制下的分辨率，并且穿透深度受限于表面光暴露极限和声波衰减。OR-PAM通常同 时利用光聚焦和声聚焦，提供了进一步增高的分辨率(～3μm)，而穿透深度(～1mm)受限于 基本光传输而进一步减小，即能够合理地保持光聚焦的距离。在所有这三种实施方案中，通 常通过声耦换能器或其他声波或声光谐振器来收集声信号。在任何情形下，都能记录各种 位置的光声信号，以形成2D或3D光声图像，该图像表示样本在激发波长下的光吸收。所记录 的各种峰值振幅暗示局部光吸收，并且相对时延从声传播所需的时间推断出深度。 光声显微成像在大血管到微血管的血管结构成像方面展现巨大潜力。这对于功能 和分子成像而言，包括纳米粒子造影剂成像和基因表达成像，也展示了广阔前景。通过使用 公知的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白摩尔消光光谱，使用多波长光声成像来进行光谱解 混，诸如绘制血氧饱和度图。常规的光声成像需要声耦到样本，因此该技术不适合许多临床 应用，诸如创面修复、烧伤诊断、外科手术和许多内窥镜术。在此情形下，物理接触、耦合或 浸没不合需要或不切实际。现有技术中报道过一些非接触式光声检测策略。 但迄今为止，尚无任何技术示范以共焦分辨率和光吸收作为对比机制的反射模式 实际用于非接触式体内显微成像。早前的多数方法都是用干涉法检测表面振荡，这类方法 的灵敏度较差，并且无力于高质量的体内成像。例如，Gurton等人的美国专利公布US2014/ 0185055提出一种用于感测光声信号的低相干干涉法，该方法结合了光学相干层析成像 5 CN 111742210 A 说　明　书 2/17 页 (OCT)系统，可产生30μm的横向分辨率。Rousseau等人的美国专利公布US2012/0200845(名 称为“生物组织检查方法和系统”)揭示另一种系统，其中描述了用于体内或离体的非接触 式成像生物组织而无需偶联剂的非接触式光声成像系统。其他系统使用具有光学放大作用 的基于光纤的干涉仪来检测光声信号并以声学(而非光学)分辨率形成体模的光声图像。但 这类系统的信噪比不佳。此外，未曾示范体内成像，也未示范光学分辨率激发。 一种近期报道的光声技术称为光声遥感(PARS)显微成像(Haji  Reza等人的美国 专利公布US2016/0113507以及Haji  Reza等人的美国专利公布US2017/0215738)，通过其检 测机制能够解决许多此类灵敏度问题。PARS利用到弹光效应，其中较大的光声初始压力会 在材料的局部折射率中产生非平凡调制。通过将连续波探询光束与激发光斑共焦，探询光 束的背向反射时变强度会编码有关该弹光调制的信息，这又暗示所产生的光声初始压力的 量值，这直接关系到样本在激发光斑处的局部光吸收。迄今为止，与常规基于接触的OR-PAM 相比，PARS的灵敏度和分辨率特性得以改善，共焦显微成像具有同等的横向分辨率(～ 600nm)。而在某些实例中，可能提高深度灵敏度。PARS可能仅对激发光斑附近的较大初始光 声压力易感，因此时域信息无法指示深度。记录3D体积时可能需要进行三维光学扫描。在某 些实例中，使用低相干超发光二极管(SLD)作为检测源来实施PARS，因此通过实施低相干干 涉仪可以获得某些优势。 光学相干层析成像(OCT)提供了从样本中捕集深度分辨的光学散射信息的手段。 这一手段通常通过使用低相干干涉测量来实现。该技术的两种常见实施方案涉及时域法 (称为时域光学相干层析成像(TD-OCT))和频域法(称为频域光学相干层析成像(FD-OCT)或 谱域光学相干层析成像(SD-OCT))。TD-OCT通常利用单宽带连续波探询源来实施，该探询源 分成采样路径和参考路径，其中扫描参考路径的总路径长度，以便沿着采样路径在各种深 度下执行低相干干涉测量。这种模式仍可能需要基于3D体素的扫描来捕集体积。SD-OCT通 常利用宽带源或调制频率源来实施，其中常以固定的参考路径长度执行成像，并通过所收 集的光谱数据的傅立叶变换采集深度信息。在此，使用单个采集事件收集完整的深度分辨 信息，因此仅体积扫描可能需要横向扫描。在OCT领域内已有大量工作来提供光吸收的定量 测量。这是眼科成像界特殊关注的问题，其中需要对眼底进行氧饱和度测量。尽管就此主题 已有几项卓越的工作，但目前的方法仍无法直接进行光吸收测量(不同于光声模式)。反而 必须通过使用可见的探源来推断光吸收，这会极大限制样本的穿透深度。所得的OCT图像适 合提供光吸收的消光曲线。提供改善的光吸收模式在生物医学成像界十分有益。 就此已经进行几种值得注意的尝试来提供基于非PARS的非接触式光声技术和OCT 的多模式实施。它们包括但不限于Wang的美国专利公布US2014/0185055、Johnson等人的美 国专利公布US2014/0275942以及Ode的美国专利US9332553。然而，所有这类工作皆未提供 本发明提出的相同操作方法，它们只是单独提供了非接触式PAT和OCT系统。本发明提出的 方法不应与前述基于OCT的光声检测方法相混淆，后者旨在检测在样本外表面表现为微振 的传播声波。取而代之，本发明提出的方法直接在其次表面始点处局部检测光吸收引起的 初始压力。此外，每个光声分量尤其类似于PAT系统，因为需要横向层析成像重建并提供声 学分辨率。 考虑到PARS与OCT之间的这些互补属性，使用各种相干门控检测机制来增强PARS 将会带来明显的益处。但出于下文进一步讨论的原因，本发明能够解决这些实施方式面临 6 CN 111742210 A 说　明　书 3/17 页 的许多技术挑战。
技术实现要素：
根据一方面，本发明提供一种用于成像样本中的次表面结构的相干门控光声遥感 系统(CG-PARS)，称为相干增强光声遥感(CEPARS)显微镜，其提供了优于常规PARS的显著轴 向分辨率特性。本发明达成上述目的的解决方案为在采样路径与新近包含的参考路径之间 添加低相干干涉仪，其中借助低相干干涉法，拒接与明显长于或短于参考路径长度的路径 长度相关联的信号(与宽带探询源的相干长度相比)。该系统可以包括：激发光束，该激发光 束配置成在激发位置生成超声信号到样本路径中；在激发位置入射到样本上的探询光束， 该探询光束的一部分从样本返回，指示所生成的超声信号；单个参考路径，或可提供各种相 位偏移的多个参考路径，或光学正交检测器；光学合束器，用于将背向反射的样本光束与单 个参考路径进行比较，或多个合束器，用于将背向反射的样本光束与多个参考路径进行比 较；单个或多个检测器，用于收集组合光束；以及处理单元，用于解译收集到的结果。 根据另一方面，本发明提供一种内窥CEPARS，其可以提供优于常规内窥PARS的显 著轴向分辨率特性。该系统可以包括：光纤光缆，该光纤光缆具有输入端和检测端；耦合到 光纤输入端的输入的激发光束，该激发光束配置成在激发位置生成超声信号到样本路径 中；耦合到光纤输入端并在激发位置入射到样本上的探询光束，该探询光束的一部分沿光 纤从样本返回，指示所生成的超声信号；单个参考路径，或可提供各种相位偏移的多个参考 路径；光学合束器，用于将背向反射的样本光束与单个参考路径进行比较，或多个合束器， 用于将背向反射的样本光束与多个参考路径进行比较；单个或多个检测器，用于收集组合 光束；以及处理单元，用于解译收集到的结果。 根据又一方面，本发明提供一种用于成像样本中的次表面结构的CG-PARS系统，称 为谱域相干门控光声遥感(SDCG-PARS)显微镜，其提供了在单个快速脉冲串内对样本内完 整的深度分辨光吸收成像的能力，与常规PARS和上述CEPARS相比，显著提高成像速度。本发 明达成上述目的的解决方案为添加样本路径与参考路径之间的低相干干涉仪、能够检测组 合参考路径与样本路径的光谱含量的检测器以及添加快速(<100ns)探询机制，诸如脉冲探 询源、快速调制连续波(CW)源、光电二极管阵列、高速颤振等。这样允许在样本经历光声激 发前后立即获取深度分辨的散射分布曲线。这两个散射分布曲线之间的差异指示光吸收。 该系统可以包括：激发光束，该激发光束配置成在激发位置生成超声信号到样本路径中；在 激发位置入射到样本上的探询光束，该探询光束的一部分从样本返回，其中光谱指示所生 成的超声信号；可提供各种相位偏移的参考路径；光学合束器，用于将背向反射的样本光束 与参考光束进行比较；光谱检测器，该光谱检测器凭借其自身或凭借其他组件能够缩短探 询时间(<100ns)；以及处理单元，用于解译收集到的结果。 根据再一方面，本发明提供一种内窥SDCG-PARS，其提供了完整的深度分辨采集。 该系统包括：光纤光缆，该光纤光缆具有输入端和检测端；耦合到光纤输入端的输入的激发 光束，该激发光束配置成在激发位置生成超声信号到样本路径中；耦合到光纤输入端并在 激发位置入射到样本上的探询光束，该探询光束的一部分沿光纤从样本返回，其中光谱指 示所生成的超声信号；可提供各种相位偏移的参考路径；光学合束器，用于将背向反射的样 本光束与参考光束进行比较；光谱检测器，该光谱检测器凭借其自身或凭借其他组件能够 7 CN 111742210 A 说　明　书 4/17 页 缩短探询时间(<100ns)；以及处理单元，用于解译收集到的结果。 对于CEPARS和SDCG-PARS的其他实施方案，激发源可以包括单个或多个脉冲源或 CW和调制源。激发源可以是窄带并且可以覆盖很宽的波长范围，或者是可以单独提供更宽 光谱的宽带。这种激发谱含量的变化提供了一种对样本中的各种靶标物种实施吸收对比光 谱解混的手段。探询源同样可以包括单个或多个脉冲源或CW和调制源。探询源可以是窄带 并且可以覆盖很宽的波长范围，或者是可以单独提供更宽光谱的宽带。这种探询谱含量的 变化提供了一种控制探询光束消光(从而穿透)的手段以及一种控制有效相干长度的手段， 该长度决定设备的轴向分辨率。光学合束器可以包括：光耦合器，诸如用于在体光学实现的 分束立方体或用于基于光纤实现的光纤耦合器；或者某种干涉仪，诸如基于体(bulk)或光 纤的迈克尔逊(Michelson)干涉仪、共光路干涉仪(使用专门设计的干涉仪物镜)、斐索 (Fizeau)干涉仪、拉姆齐(Ramsey)干涉仪、法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪或马赫-曾德 尔(Mach–Zehnder)干涉仪。扫描探询位置可以通过光学扫描(诸如振镜、MEMS镜、共振扫描 仪、多面扫描仪等)或通过使用单轴或多轴线性或旋转模组机械扫描光学器件或样本来执 行。提取相关的信号数据可以采用单独的编程实现方式、对相关基于电路的处理器或通过 这两者的某种组合来执行。 CEPARS可能使用单个参考路径来实现，其中相位变化包含在偏振态(例如圆偏振) 之内，或者可能需要执行多次采集，或者可能使用多个参考路径来实现，这些参考路径通过 使用不同的路径长度来固有地提供相位变化。检测各种组合光束可以通过某种方式的光强 检测器来执行，诸如光电二极管、平衡光电二极管、雪崩光电二极管等、CCD、EMCD、iCCD、 CMOS等或者上述检测器的阵列。 使用某种形式的采样保持检测器阵列(诸如CCD、EMCD、iCCD等)时，SDCG-PARS探询 可以使用脉冲源或经调制的CW源来实现，或者使用某种形式的快速光学切换(诸如快门或 光学开关)时，或使用带宽更高的检测器阵列(诸如光电二极管、平衡光电二极管、雪崩光电 二极管等)时，SDCG-PARS探询可以使用CW源来实现。 CEPARS与时域光学相干层析成像(TD-OCT)的区别在于：(1)可能包括使用脉冲激 发激光器，以及(2)可能对光吸收对比易感。CEPARS可能需要使用至少两路光束，以便一路 光束用来激发样本，而另一路光束用来检测样本中的扰动。CEPARS系统与PARS的区别在于 可能包括：(1)一个或多个参考路径，(2)分离同相光束(无延迟参考的样本)和正交光束(有 延迟参考的样本)的机构，以及(3)检测这些光束中的至少两路光束的机构。 SDCG-PARS与谱域光学相干层析成像(SD-OCT)和PARS的区别在于可能包括：(1)使 用脉冲激发激光器；(2)使用脉冲探询激光器、快速调制连续波激光器或连续波激光器，以 及使用门控相机曝光在足够短的时间范围内检测信号，以至于声传播可忽略不计；(3)减去 激励脉冲之前和紧接其后的深度分辨的散射体分布的系统，以及可能需要(4)每个采集位 置至少两个不同的探询事件，以便采集之间的差异推断出深度分辨的光吸收分布。SDCG- PARS可能需要使用至少两路光束，以便一路光束用来激发样本，而另一路光束用来检测样 本中的扰动。 参阅下述内容和权利要求，其他方面将显而易见。在其他方面，本领域技术人员将 认识到，本文所述的各方面能够以任何合理的组合方式组合在一起。 一种用于以光学分辨率成像样本中的次表面结构的相干门控光声遥感系统可以 8 CN 111742210 A 说　明　书 5/17 页 包括：激发光束源，该激发光束源配置成生成激发光束，该激发光束在激发位置感生超声信 号到样本中；探询光束源，该探询光束源配置成生成在探询位置入射到样本上的探询光束， 该探询光束的一部分从样本返回，指示所生成的超声信号，该探询光束是低相干光束；光学 系统，该光学系统在激发位置将激发光束聚焦到样本上并在探询位置将探询光束聚焦到样 本上，该探询位置至少在样本表面之下且在样本之内；以及低相干干涉仪，该低相干干涉仪 隔离与样本的探询事件相对应的探询光束的返回部分。 该系统可以包括参考光束源，该参考光束源配置成生成沿参考路径传播的参考光 束，且其中，低相干干涉仪使用参考光束来隔离返回部分。参考光束源配置成生成相对于参 考光束相位偏移的一个或多个附加参考光束，且其中，低相干干涉仪使用参考光束和一个 或多个附加参考光束来隔离返回部分。一个或多个附加参考光束通过不同的路径长度、一 个或多个波片以及一个或多个环行器之中的至少一个而发生相位偏移。与参考光束并行或 串行地检测一个或多个附加参考光束。激发光束和探询光束经受脉冲或强度调制。激发位 置和探询位置均位于样本表面之下和样本之内。激发位置和探询位置中的至少一个位置位 于样本表面的1mm之内。激发位置和探询位置中的至少一个位置位于样本表面下方超过1μ m。激发位置和探询位置是至少部分重叠的焦点。该系统包括处理器，该处理器基于探询光 束的返回部分来计算样本的图像。探询光束的脉冲足够短，以至于声传播可忽略不计。对于 每个检测位置，该系统施加具有一个以上频率、带宽、相位偏移或其组合的激发光束。该光 学系统在非激发状态下且在激发光束激发样本之后探询样本的每个探询位置。激发光束源 配置成生成以多个频率、多个带宽或其组合激发样本的一个或多个激发光束。 一种使用该系统的方法可以包括：脑外科手术期间的功能性成像；内出血评定和 烧灼检验；器官和器官移植的灌注充盈度成像；胰岛移植周围的血管再生成像；皮肤移植成 像；用于评估血管形成和/或免疫排斥的组织支架和生物材料成像；显微外科辅助成像；或 者用于避免切断关键血管和神经的指导程序。一种使用权利要求所述的系统的方法可以与 荧光显微成像、双光子共焦荧光显微成像、相干反斯托克斯拉曼显微成像、拉曼显微成像或 光学相干层析成像相结合。 该方法可以包括使用该系统执行微循环成像或执行血氧参数成像。 一种内窥镜可以包括该系统。 一种手术显微镜可以包括该系统。 一种遥感样本的方法可以包括以下步骤：提供相干门控光声遥感系统，其包括激 发光束和探询光束，该探询光束是低相干光束；促使激发光束在激发位置感生超声信号到 样本中；促使探询光束在探询位置探询样本，其中，探询光束的一部分从样本返回，指示所 产生的超声信号，该探询位置位于样本表面之下和样本之内；使用低相干干涉仪来隔离探 询光束的返回部分，以达成样本的探询事件。 该方法进一步包括：提供沿参考路径传播的参考光束，且其中，低相干干涉仪使用 参考光束来隔离返回部分。该方法进一步包括以下步骤：提供相对于参考光束相位偏移的 一个或多个附加参考光束，且其中，低相干干涉仪使用参考光束和一个或多个附加参考光 束来隔离返回部分。一个或多个附加参考光束通过不同的路径长度、一个或多个波片以及 一个或多个环行器之中的至少一个而发生相位偏移。与参考光束并行或串行地检测一个或 多个附加参考光束。激发光束和探询光束经受脉冲或强度调制。激发位置和探询位置均位 9 CN 111742210 A 说　明　书 6/17 页 于样本表面之下和样本之内。激发位置和探询位置中的至少一个位置位于样本表面的1mm 之内。激发位置和探询位置中的至少一个位置位于样本表面下方超过1μm。激发位置和探询 位置是至少部分重叠的焦点。该方法进一步包括以下步骤：基于探询光束的返回部分，计算 样本的图像。探询光束的脉冲足够短，以至于声传播可忽略不计。对于每个检测位置，激发 光束操作成提供一个以上频率、带宽、相位偏移或其组合。该方法进一步包括以下步骤：在 非激发状态下且在激发光束激发样本之后，探询每个探询位置。该激发光束包括以多个频 率、多个带宽或其组合激发样本的一个或多个激发光束。 附图说明 参照下述附图说明，上述及其他特征将显而易见，附图仅出于说明目的，而绝非旨 在进行限制，其中： 在本专利文件中，用词“包括”就其非限制性意义而言表示该词之后的各项包括在 内，但不排除未具体提及的各项。用不定冠词引用某一元素不要求存在一个且仅一个元素。 所附权利要求的范围不应受限于上述实例和附图中阐明的优选实施方案，而应赋 予符合说明书整体范围的最广义解释。 图1示出激发途径的示意图。 图2示出探询途径的示意图。 图3示出光源的实施方式的示意图。 图4示出光源的又一实施方式的示意图。 图5示出合束器的实施方式的示意图。 图6示出合束器的又一实施方式的示意图。 图7是PARS机制的图形表示。 图8是CEPARS信号的图形表示。 图9示出CEPARS的成像过程流程图。 图10是CEPARS(并行)的示例性系统布局的示意图。 图11是CEPARS(并行)的另一示例性系统布局的示意图。 图12是CEPARS(串行)的又一示例性系统布局的示意图。 图13是CEPARS的示例性内窥系统布局的示意图。 图14是SDCG-PARS检测机制的概览图形表示，主要强调执行关键过程的相对时间。 图15是光声激发前后的SDCG-PARS光谱实例的图形表示和放大图。 图16是SDCG-PARS的成像过程流程图。 图17是SDCG-PARS的示例性系统布局的示意图。 图18是SDCG-PARS的示例性内窥系统布局的示意图。 图19是具有正交干涉仪的CEPARS的系统布局的示意图。