本发明属于光学系统的成像领域，具体涉及一种基于结构光照明的超分辨光声显微成像方法及其装置。
背景技术：
1、光声成像技术是近些年发展起来的一种将传统声学成像和传统光学成像进行有机结合的医学成像技术。光声成像基本原理是用脉冲激光照射到生物组织时,组织吸收光通过非辐射跃迁导致热弹性膨胀产生宽带超声波,即光声信号。光声信号传播到组织表面由超声探头检测到,通过超声探头检测得到的原始光声信号,反推生物组织成像区域的光吸收分布,从而得到其光声图像。在显微镜状态下，声波或光束聚焦在样品的表面，光声显微成像的空间分辨率与深度常常不可兼得。在聚焦光束的情况下，光声显微结构被称为光学分辨率光声显微镜。
2、通常光学分辨率光声显微镜由于光束的焦点，横向分辨率非常高，取决于光学衍射极限，但随着深度的增加分辨率会随之变差，能维持高分辨的深度更是仅有数十微米，这主要是由聚焦高斯光束的瑞利距离导致的。为解决穿透深度和高分辨率不可兼得的问题，以聚焦声束的声学分辨率光声显微镜被发明。声学分辨率光声显微镜利用高数值孔径聚焦超声探头对声束进行聚焦，其穿透深度在达到毫米级别的同时，分辨率也能达到声学衍射极限，但其横向分辨率受限于所用超声换能器中声学的横向空间截止频率。为进一步提高深层组织体的横向分辨率，研究一种能够获取组织深层吸收体中声学的横向空间截止频率外的高频信息的成像方法和装置在实际应用中具有重要的意义。
技术实现思路
1、本发明的主要目的在于针对现有技术不足，提供了一种基于结构光照明的超分辨光声显微成像方法及其装置，本发明通过调整特定结构光照明的频率和方向，以多角度、多频率下的结构光照明的脉冲激光作为激发源，通过检测不同频率和不同方向的结构光照明所激发的光声信号获取样品中所用超声换能器中声学的横向空间截止频率外的高频率信息，同时利用结构光滤波组件提高照射样品中结构照明光的对比度，结合对时间具有分辨和深层穿透能力的光声信号提取深度信息，最终实现在深层上的超分辨光声显微成像。为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
2、第一方面，本发明提供了一种基于结构光照明的超分辨光声显微成像方法，包括以下步骤：
3、s1、通过结构光覆盖范围优化模型确定结构光的频率和方向，确保结构光的频率覆盖所用超声换能器的声学截止频率到所用光学物镜的光学截止频率范围，同时确保结构光的方向覆盖二维全部方向；
4、s2、利用双光束干涉产生结构光，照明被测样品激发光声波，利用基于虚拟点的频域合成孔径方法二维平面扫描所用超声换能器采集光声波并获取样品频谱；
5、s3、采用深度分层的三步相移法，三次改变结构光的相位，提取样品频谱中各深度不同频率、不同方向的声学超频信息；
6、s4、在二维频域中合成不同频率、方向的结构光照明下提取的样品声学超频信息，重建三维的超分辨光声显微图像。
7、作为优先的技术方案，所述步骤s1中，通过结构光覆盖范围优化模型确定结构光的频率具体为：以所用超声换能器中声学的横向空间截止频率的整数倍为结构光正弦条纹的频率，控制结构光正弦条纹的频率，随着的变化，产生不同频率大小的结构光正弦条纹，直至结构光的正弦条纹频率达到的光学截止频率，确保频率覆盖所用超声换能器的声学截止频率到所用光学物镜的光学截止频率范围；其中，表示所用超声换能器中声学的横向空间截止频率；其中，，2，…，，表示取低于的整数， na表示产生结构光所用物镜的数值孔径，表示激光器的波长。
8、作为优先的技术方案，所述步骤s1中，通过结构光覆盖范围优化模型确定结构光的方向具体为：控制结构光正弦条纹的方向，使对应于所用超声换能器中声学的横向空间截止频率的整数倍，每个结构光正弦条纹的方向相应有，其中，，表示取低于的整数，从而产生不同频率下不同方向的结构光正弦条纹，确保方向覆盖二维全部方向。
9、作为优先的技术方案，所述步骤s1中，所述超声换能器中声学的横向空间截止频率受限于所用超声换能器的中心频率及其数值孔径，具体为：，其中，表示光声信号传播过程中的声速。
10、作为优先的技术方案，所述步骤s2中，利用双光束干涉产生结构光，照明被测样品激发光声波具体为：脉冲激光经光声激发光源发生组件及结构光滤波组件在样品处发生双光束干涉后产生特定频率、方向、相位正弦条纹的结构光照明，样品吸收光通过非辐射跃迁导致热弹性膨胀产生宽带超声波，即光声信号。
11、作为优先的技术方案，所述步骤s2中，利用基于虚拟点的频域合成孔径方法采集光声波并获取样品频谱具体为：通过平面扫描超声换能器采集特定频率、方向的结构光在样品处激发的光声信号，利用基于虚拟点的频域合成孔径方法获取样品频谱，具体为：
12、
13、其中，表示所述平面扫描超声换能器采集的二维的时间信号，表示扫描的位置，表示时间信号，表示对的三维傅里叶变换，表示对的三维傅里叶逆变换，表示光声信号传播过程中的声速。
14、进一步地，对每个结构光正弦条纹的频率、方向有相应的样品频谱，与样品的光吸收分布有关，且受限于所用超声换能器的点扩散函数，具体为：
15、
16、其中，为热转换系数，为格吕森系数；为样品的光吸收分布；表示卷积操作；为所用超声换能器的点扩散函数。
17、作为优先的技术方案，所述步骤s3中，深度分层的三步相移法具体为：对中的进行二维傅里叶变换，具体为：
18、
19、其中，，0，，，为所用超声换能器的传递函数，使获取的样品信息受限于所用超声换能器中声学的横向空间截止频率；当时，表示获取样品频谱中以零频为中心，所用超声换能器中声学的横向空间截止频率为半径的频率信息；当时，表示获取的样品频谱信息包括，以该结构光的频率及方向为中心、所用超声换能器中声学的横向空间截止频率为半径的高频率信息，即声学超频信息。
20、进一步地，控制结构光的相位，使对于每个结构光正弦条纹的方向、频率，都有三个干涉相位=0，，，通过三步相移法得到方向、频率获取的光声显微图像的各深度 z下的平面频域信息，具体为：
21、
22、作为优先的技术方案，所述步骤s4中，在二维频域中合成所有超频信息，重建超分辨光声显微图像具体为：控制结构光的频率、方向及相位，将所有遍历一遍，使得对于每个结构光照明正弦条纹的方向、频率均有三个干涉相位=0，，，获得不同方向、不同频率大小的声学超频信息。在二维频域中全部超频信息移到所在超频位置，在各个深度上求和，再经二维傅里叶逆变换后实现基于结构光照明激发的超分辨光声显微成像，具体为：
23、
24、其中，表示的二维傅里叶逆变换。
25、第二方面，本发明提供了一种基于结构光照明的超分辨光声显微成像装置，包括光声激发光源发生组件、结构光滤波组件、光声信号采集和处理组件组成；
26、所述光声激发光源发生组件包括脉冲激光器、扩束器，所述扩束器出射的激光束形成更大光斑面积的准直光束后输出；
27、所述结构光滤波装置包括数字微镜阵列、傅里叶透镜、圆孔滤波元件、反射镜和光学物镜，所述衍射光学元件出射的衍射光经过所述傅里叶透镜聚焦、圆孔滤波元件滤光以及光学物镜准直后输出；
28、所述光声信号采集和处理组件包括耦合槽、超声耦合液、薄玻璃片、样品架、二维步进电机、聚焦超声探头、信号放大器、数据采集模块和计算机，所述超声耦合液盛放在耦合槽内，所述薄玻璃片相对耦合槽底部逆时针旋转45°置于耦合槽内，所述薄玻璃片浸入超声耦合液内，所述样品浸入超声耦合液内，置于耦合槽左壁的右侧，所述二维步进电机置于聚焦超声探头上；所述聚焦超声探头检测到的光声信号通过信号放大器放大后进入数据采集模块，通过高速数字采集卡传输到计算机中。
29、作为优先的技术方案，所述脉冲激光器波长为532nm，脉冲宽度为6ns，脉冲重复率为10khz，能量密度为6mj/cm2。
30、作为优先的技术方案，所述扩束器包括两个扩束透镜组，采用伽利略扩束设计，由一正透镜和一负透镜组成，负透镜在前侧，正透镜在后侧；所述扩束器出射的激光束光斑大小与衍射光学元件大小相近。
31、作为优先的技术方案，所述圆孔滤波元件包括掩膜板和旋转机构，所述掩膜板为圆形，具有若干相同孔径的圆孔，这些圆孔呈中心对称分布，圆孔距离圆孔滤波元件圆心的间隔不同，对应所述旋转机构用于驱动掩膜板进行位置移动，以切换不同的圆孔进入光路；所述数字微镜阵列每次出射的光只有±1级衍射光能透过所述圆孔滤波元件的掩膜板。
32、作为优先的技术方案，所述圆孔滤波元件和光学物镜之间还设置有反射镜，所述圆孔滤波元件后出射的光经所述反射镜反射后达到所述光学物镜。
33、作为优先的技术方案，所述聚焦超声探头具有30mhz的中心频率，超过80%的带宽，所述聚焦超声探头的声学数值孔径为1，所述聚焦超声探头所在的声学系统的空间截止频率为28mm-1。
34、作为优先的技术方案，所述聚焦超声探头嵌入在二维步进电机下。所述二维步进电机由两个电动平台组成，旋转带动聚焦超声探头在前后左右四个方向上移动。
35、作为优先的技术方案，所述薄玻璃片出射的光强与入射的光强占比大于95%，厚度大于40微米。
36、作为优先的技术方案，所述样品架上的样品被脉冲激光照射后激发出光声信号，所述光声信号经所述薄玻璃片反射到所述聚焦超声探头。
37、本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
38、1、本发明通过结构光照明样品激发光声信号并结合三步相移法解调出所用超声换能器声学截止频率外的超频信息，实现超分辨成像。与现有的相移法相比，本发明提高了成像速度。
39、2、本发明通过改变特定数字微镜阵列的衍射图案，以多角度、多频率的结构光照明获取所用超声换能器声学截止频率外的不同方向、频率的高频信息，实现各向同性的横向分辨率提升的光声成像。与现有的多角度、单频率的结构光照明相比，本发明实现了各向同性的超过两倍横向分辨率的提升。
40、3、本发明利用特制的圆孔滤波元件增强结构照明的对比度，利用薄玻璃片的透光反声防止激光与超声探头的直接接触，从而实现高对比度的结构光照明下超声换能器无损接收光声信号的成像装置。
41、4、本发明获取的样品信息涵盖了从声学系统的截止频率到光学系统的截止频率的信息，将全部高频信息在各深度从频域上合成并在空间域重建，结合光声信号的时间分辨和深层穿透能力，实现深层超分辨的光声显微成像。
1.一种基于结构光照明的超分辨光声显微成像方法，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于结构光照明的超分辨光声显微成像方法，其特征在于，所述步骤s1中，通过结构光覆盖范围优化模型确定结构光的频率具体为：
3.根据权利要求1所述的一种基于结构光照明的超分辨光声显微成像方法，其特征在于，所述步骤s1中，通过结构光覆盖范围优化模型确定结构光的方向具体为：
4.根据权利要求2所述的一种基于结构光照明的超分辨光声显微成像方法，其特征在于，所述超声换能器中声学的横向空间截止频率受限于所用超声换能器的中心频率及其数值孔径，具体为：
5.根据权利要求1所述的一种基于结构光照明的超分辨光声显微成像方法，其特征在于，所述步骤s2中，利用双光束干涉产生结构光，照明被测样品激发光声波具体为：
6.根据权利要求1所述的一种基于结构光照明的超分辨光声显微成像方法，其特征在于，所述步骤s2中，利用基于虚拟点的频域合成孔径方法二维平面扫描所用超声换能器采集光声波并获取样品频谱具体为：
7.根据权利要求6所述的一种基于结构光照明的超分辨光声显微成像方法，其特征在于，对每个结构光正弦条纹的频率、方向、相位有相应的样品频谱，与样品的光吸收分布有关，且受限于所用超声换能器的点扩散函数，具体为：
8.根据权利要求1所述的一种基于结构光照明的超分辨光声显微成像方法，其特征在于，所述步骤s3中，深度分层的三步相移法，包括以下步骤：
9.根据权利要求1所述的一种基于结构光照明的超分辨光声显微成像方法，其特征在于，所述步骤s4中，在二维频域中合成不同频率、方向的结构光照明下提取的样品声学超频信息，重建三维的超分辨光声显微图像具体为：
10.一种基于结构光照明的超分辨光声显微成像装置，使用权利要求1-9中任一项所述的基于结构光照明的超分辨光声显微成像方法，包括光声激发光源发生组件、结构光滤波组件、光声信号采集和处理组件组成；
11.根据权利要求10所述的一种基于结构光照明的超分辨光声显微成像装置，其特征在于，所述扩束器出射的激光束光斑大小与数字微镜阵列镜面大小相近。
12.根据权利要求10所述的一种基于结构光照明的超分辨光声显微成像装置，其特征在于，所述圆孔滤波元件包括掩膜板和旋转机构，所述掩膜板为圆形，具有若干相同孔径的圆孔，这些圆孔呈中心对称分布，圆孔距离圆孔滤波元件圆心的间隔不同，对应所述旋转机构用于驱动掩膜板进行位置移动，以切换不同的圆孔进入光路。
13.根据权利要求10所述的一种基于结构光照明的超分辨光声显微成像装置，其特征在于，所述数字微镜阵列每次出射的光只有±1级衍射光能透过所述圆孔滤波元件的掩膜板。
14.根据权利要求10所述的一种基于结构光照明的超分辨光声显微成像装置，其特征在于，所述圆孔滤波元件和光学物镜之间还设置有反射镜，所述圆孔滤波元件后出射的光经所述反射镜反射后达到所述光学物镜。
15.根据权利要求10所述的一种基于结构光照明的超分辨光声显微成像装置，其特征在于，所述聚焦超声探头嵌入在二维步进电机下，所述二维步进电机由两个电动平台组成，旋转带动聚焦超声探头在前后左右四个方向上移动。
16.根据权利要求10所述的一种基于结构光照明的超分辨光声显微成像装置，其特征在于，所述薄玻璃片出射的光强与入射的光强占比大于95%，厚度大于40微米。
17.根据权利要求10所述的一种基于结构光照明的超分辨光声显微成像装置，其特征在于，所述样品架上的样品被脉冲激光照射后激发出光声信号，所述光声信号经所述薄玻璃片反射到所述聚焦超声探头。
