用低相干光干涉法进行非接触光声探测及成像方法的研究

The traditional photoacoustic imaging is achieved by detection of transient ultrasound pressure, and acoustic coupling medium is required for reducing the attenuation of ultrasound in air. The acoustic coupling is difficult for many cases. It results in a limitation on the application of photoacoustic imaging and severe influence on the stability and repeatability. Based on the previous work, we propose noncontact methods for photoacoustic detection and imaging without acoustic coupling medium: (1) We directly measure the displacement of the surface of a sample caused by photoacoustic effect, replacing the traditional detection of the transient ultrasound pressure. The influence of the background is eliminated by use of balanced detection and checking the system sensitivity in real-time. Thus, steady and noncontact photoacoustic detection with high sensitivity is achieved; (2) Based on the proposed noncontact photoacoustic detection method, we develop a new technique for noncontact photoacoustic imaging with high resolution by scanning the sample. And the acoustic coupling is not required by using the new technique; (3) We also develop a new two-mode imaging system that combining the proposed noncontact photoacoustic imaging system and the developed optical coherence tomography. The new system eliminates the dependence on the acoustic coupling medium and results in exact agreement between the imaging results of the two-mode in both time-domain and spatial-domain.

目前的光声成像使用声压探测方法，必须使用声耦合介质进行接触式探测是这种方法的主要缺陷，复杂的声耦合方式使光声成像的应用范围受到限制，并且影响成像的稳定性和重复性。本项目在前期研究工作基础上，研究发展不使用声耦合介质的非接触光声探测及成像方法：（1）用低相干光干涉法非接触地探测光声效应导致的样品表面位移，代替目前的接触式声压探测，通过使用平衡探测法和实时监测干涉系统灵敏度，消除外界干扰，实现稳定、高灵敏的非接触光声探测；（2）以非接触光声探测为基础，结合目前的显微扫描光声成像技术的扫描方式和成像方法，发展一种非接触的高分辨率扫描光声成像方法，解决目前的成像方法使用声耦合介质的缺陷；（3）研究发展全光、非接触的光声成像-光学相干层析双模成像方法，解决目前的双模成像中，使用复杂的声耦合以及两种模式的成像结果在空间和时间上不一致的问题。本项目的研究工作，将为光声成像发展为实用的成像技术奠定基础。

目前的光声成像（Photoacoustic imaging，PAI）以声压探测为基础，必须在样品和探测器之间使用声耦合介质，这种接触检测方式限制了光声成像的使用范围，这是目前限制PAI发展的主要问题，建立非接触的光声成像技术具有十分重要的意义。PAI是一种基于光吸收的成像技术，光学相干层析（Optical Coherence Tomography，OCT）是基于样品的后向散射光成像，这两种成像方法具有光学上的兼容性，PAI-OCT双模成像可以提供更丰富的生物参数，具有重要的应用价值。目前的PAI使用接触式压电换能器检测声压信号，探测器与样品之间必须有耦合介质，而OCT检测的是光信号，两者的检测原理及系统差异较大，在使用中会相互影响，无法达到最优状态，这两种不同的检测方式给PAI-OCT双模成像带来较大影响。本项目围绕非接触光声成像技术及PAI-OCT双模成像技术进行了深入的研究，主要研究成果如下：.（a）建立了基于长相干光干涉的非接触光声探测及成像方法，实现了高灵敏、高分辨率的在体生物血流非接触光声显微成像，克服了传统光声成像需要声耦合的限制，扩大了光声成像的使用范围。.（b）建立了全光非接触光声-光学相干层析双模成像方法，以此为基础，确立了梗塞血管的判断方法，对于脑梗诊断及机理研究提供了一种成像方法。.（c）建立了纳米级精度的光学相干层析成像方法，进行了纳米级表面轮廓成像及细胞定量相位成像，和目前的干涉方法相比，消除了相位模糊的影响，提高相位检测范围，具有一定的应用前景。.（d）建立了基于散斑扰动分析的全场横向流速检测方法，用于微小血管的横向流速，是对传统的多普勒方法的补充，对于视网膜血流流速检测，和多普勒方法相比，横向流速计算不受探测方向和血流方向夹角的影响，预期这种流速检测方法在医学及工业检测等领域有较广泛的应用前景。