基于锥形环形纤芯光纤内微球谐振的光声内窥成像探头、装置及其成像方法

本发明属于内窥成像的，具体涉及一种基于锥形环形纤芯光纤内微球谐振的光声内窥成像探头、装置及其成像方法。

背景技术：

1、在近年来的医学成像技术发展领域中，光声成像作为一种基于光声效应的新型成像技术，已成为研究者们关注的重点。光声成像技术不仅能够灵敏地反映生物组织的功能信息，还能够利用声波在组织中的良好穿透性，实现深层组织的高空间分辨率与高光学对比度成像。光声内窥成像技术，作为光声成像的一个重要分支，通过将成像探头微型化，能够实现对体内组织和病变区域的非侵入性高分辨率成像。

2、目前，光声内窥成像系统普遍采用传统的压电换能器作为超声信号的接收元件，如申请号分别为202110386427.x、202120312794.0以及202310660241.8的相关专利所示。然而，传统的压电换能器存在一定的局限性：一方面，虽然它们拥有较高的能量转换效率，但由于体积较大，在内窥成像探头中的集成面临着较大的挑战；另一方面，压电换能器的检测带宽与其尺寸成反比，这意味着微型化的压电换能器难以达到超宽带的超声检测性能。此外，小型化还会降低压电换能器的灵敏度，从而影响重建图像的信噪比和分辨率。

3、另一项专利(申请号：202310127542.4，名称：《一种基于光纤传感器的全方位旋转扫描内窥成像装置》)公开了一种采用光纤传感器的高度集成化与小型化的内窥成像装置，能够实现全方位旋转扫描，并有效转换受超声调制的光学信号为电学信号以供传输。不过，该内窥成像探头仍然需要两条光纤——一条用于传输激发光，另一条则负责传输信号光，涉及两种不同波长的光。这在一定程度上增加了系统的复杂性和成本。

4、鉴于上述传统技术的局限性，亟需开发一种新型的光声内窥成像探头，以克服现有技术中的不足，实现更高效、更小型化且具备高性能的光声内窥成像系统。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于锥形环形纤芯光纤内微球谐振的光声内窥成像探头、装置及其成像方法，本发明将环形纤芯光纤与双包层光纤之间的耦合区域不完全塌陷形成圆锥形状，一方面可以保证探测光从双包层光纤到环形纤芯光纤的耦合效率，另一方面可以减少探测光在环形纤芯光纤中形成的法布里-珀罗型反射对光声信号探测过程的影响。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种基于锥形环形纤芯光纤内微球谐振的光声内窥成像探头，包括：基于锥形环形纤芯光纤的微球谐振器，所述微球谐振器由双包层光纤、锥形环形纤芯光纤和固体微球，所述双包层光纤与锥形环形纤芯光纤在过渡区域以尖锐的锥顶角熔接在一起，所述固体微球设置在锥形环形纤芯光纤内，并嵌入锥形区域以保证微球谐振器的稳定性；

4、所述双包层光纤可同时传输两种不同波长的光，用于分别传输光声信号激发光与光声信号探测光；所述环形纤芯光纤具有高折射率的内环形纤芯，用于将光能限制在环形纤芯内，将探测光以倏逝波耦合到固体微球中；所述固体微球用于将达到谐振条件的探测光束缚在微球中，激发回音壁模式，形成微球谐振腔，所述微球谐振腔用于光声信号的接收；所述聚焦透镜用于将激发光进行聚焦，再经过反射镜反射后，通过窗口照射到生物组织表面。

5、作为优选的技术方案，所述双包层光纤包括纤芯、包覆纤芯的内包层以及包覆内包层的外包层，用于实现探测光沿着纤芯在双包层光纤内传播，激发光沿着内包层在双包层光纤中传输。

6、作为优选的技术方案，所述环形纤芯光纤具有低折射率的二氧化硅包层、高折射率的掺杂二氧化硅环形纤芯和空气孔；所述环形纤芯光纤用于将光能限制在几微米内的环形纤芯内以激发倏逝波；所述探测光在环形纤芯光纤内有两条光路，一部分以倏逝波耦合到固体微球中，一部分沿着环形芯传输到端面反射回去；为了解决法布里-珀罗型反射对微球谐振器形成的谐振峰造成的干扰，将双包层光纤与环形纤芯光纤之间的耦合区域变细，形成锥形环形纤芯光纤；控制锥顶角的大小，实现探测光既不会直接传输到空气孔中，也可以保证双包层光纤与环形纤芯光纤之间的耦合效率。

7、作为优选的技术方案，所述固体微球用于将共振波长的探测光束缚在固体微球中，形成回音壁模式谐振腔；所述激发光在生物组织表面激发的光声信号，由固体微球接收之后，固体微球折射率与尺寸发生变化，使得产生共振的探测光波长发生偏移，输出受光声信号调制的探测光。

8、作为优选的技术方案，所述透射出环形纤芯光纤的激发光还需要经过聚焦透镜聚焦，再经过反射镜反射后，通过探头的窗口照射到生物组织表面。

9、第二方面，本发明提供了一种成像装置，包括控制模块、光源模块、光路模块、光声内窥成像探头、数据采集及图像重建模块；

10、所述控制模块，用于产生时序脉冲信号控制激发光源和探测光源；

11、所述光源模块包括激发光源和探测光源，所述控制模块分别与激发光源和探测光源连接；所述激发光源为脉冲激光器，用于产生光声信号激发光，所述探测光源为可调谐二极管激光器，用于产生光声信号探测光；

12、所述光路模块包括光隔离器、单模光纤环形器、二向色镜和聚焦透镜；所述光隔离器用于隔离返回来的杂散光；所述单模光纤环形器用于将输入的探测光信号与输出的调制光信号分离；所述二向色镜为短波通二向色镜，用于透过激发光，反射探测光；所述聚焦透镜用于将探测光与激发光聚焦进入光声内窥成像探头；

13、所述光声内窥成像探头包括基于锥形环形纤芯光纤的微球谐振器、聚焦透镜和反射镜；

14、所述数据采集及图像重建模块包括光电探测器、采集卡和计算机；所述光电探测器用于将受光声信号调制的探测光转换为电信号并进行放大；所述采集卡用于将放大后的电信号采集并传输至计算机；所述计算机用于将采集到的数据进行光声图像的重建。

15、作为优选的技术方案，所述控制模块采用fpga开发板。

16、第三方面，本发明提供了一种成像方法，应用于所述的成像装置，包括下述步骤：

17、产生触发信号：控制模块产生触发信号控制激发光源产生光声信号激发光，探测光源产生光声信号探测光；

18、光声激发与探测：光声信号激发光先后经过光隔离器与二向色镜，光声信号探测光经过单模光纤环形器，再经过二向色镜反射与光声信号激发光完成合束后进入光声内窥成像探头；合束光进入光声内窥成像探头，激发光与探测光在基于锥形环形纤芯光纤的微球谐振器中传输并形成谐振腔，透出环形纤芯光纤端面的混合光，经过聚焦透镜聚焦及反射镜反射，通过窗口最终照射到待成像生物组织表面；

19、数据采集及图像重建：激发光激发的光声信号被基于锥形环形纤芯光纤的微球谐振器接收，输出光声信号调制光，再经过二向色镜与单模光纤环形器，送入光电探测器；光电探测器将调制光信号转换为电信号并进行放大，放大后的电信号由采集卡采集并送入计算机；最后，计算机将采集到的数据用于光声图像的重建。

20、作为优选的技术方案，所述光声探测的具体步骤为：

21、合束光进入光声内窥成像探头，探测光在双包层光纤的纤芯中传输，激发光在内包层中传输，到达双包层光纤与环形纤芯光纤之间的锥形区域，激发光继续沿着二氧化硅包层传输，探测光以倏逝波耦合到固体微球中，激发回音壁模式，将共振波长的光束缚在微球中，沿微球直径传输；探测光耦合出固体微球，返回环形纤芯光纤的纤芯中。

22、作为优选的技术方案，所述数据采集及图像重建的具体步骤为：

23、激发光激发的光声信号被固体微球所接收，光声信号使得微球中的探测光的谐振峰波长发生偏移，输出受光声信号调制的探测光，再经过二向色镜与单模光纤环形器，送入光电探测器；

24、光电探测器将调制光信号转换为电信号并进行放大，放大后的电信号再由采集卡采集并送入计算机；

25、最后，计算机将采集到的数据用于光声图像的重建。

26、本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

27、1、本发明采用环形纤芯光纤将光能限制在极细的环形纤芯内以激发倏逝波，有利于探测光以倏逝波耦合到固体微球中，从而提高探测光的耦合效率。

28、2、本发明采用光纤内微球谐振器作为超声换能器，相比传统压电超声换能器，微球谐振器的尺寸在微米量级，更有利于探头的微型化，同时具有高灵敏度、超宽检测带宽等突出优点。

29、3、本发明首次将光纤内微球谐振器作为光声内窥成像系统的超声换能器，提供了一种基于光学回音壁模式的光声内窥成像方法：激发光声信号，利用环形纤芯光纤内微球谐振将光声信号接收后输出调制光，再利用光电探测器进行光电转换，最后进行数据采集。利用光信号传输可以大大减少受电磁信号的干扰，同时实现超宽带的光声信号探测，从而提高光声图像的信噪比与分辨率。

30、4、本发明采用双包层光纤将激发光与探测光耦合在一根光纤内传输，使得探头尺寸更小、结构更紧凑，更适用于内窥成像。