[发明专利]一种基于石墨烯的光声成像装置及其成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及光声成像技术，具体涉及一种基于石墨烯的光声成像装置及其成像方法。

背景技术

光声成像是近年来发展起来的一种非入侵式和非电离式的新型生物医学成像方法。为研究生物组织的形态结构，生理特征，病理特征，代谢功能等提供了重要的手段，特别适合于癌症的早期检测和治疗监控。目前的光声成像技术多用于科研，已经成为一个快速发展的研究领域，现今光声技术正由微观实验室阶段逐步走向宏观临床实践阶段。目前，探测光声信号的方法主要是用超声换能器进行探测，对压电晶片的共振频率的超声波探测灵敏度较高，因此能有效探测的频域范围有限，实际应用中会损失部分频率信息。然而，目前光声成像主要用于对生物组织的成像，生物组织如血管、血细胞、黑色素等产生的光声信号都是宽谱的信号，传统的光声信号探测工具如超声换能器无法满足目前科研的需要，因为电子学背景噪声存在，压电材料越小噪声越大，这就限制了基于压电材料的探测器尺寸。到目前为止，还没有一种方法能在工艺简单、操作方便的基础上对宽频带的光声信号进行探测。

发明内容

针对目前现有的超声换能器不能探测宽频光声信号和尺寸瓶颈的问题，本发明提出了一种基于石墨烯的光声成像装置及其成像方法，利用石墨烯的光偏振吸收特性，对宽频光声信号进行高灵敏探测。

本发明的一个目的在于提出一种基于石墨烯的光声成像装置。

本发明的基于石墨烯的光声成像装置包括：探测光装置、光声成像探头、二维扫描台、激发光、偏振分束器、平衡探测器、高频放大器和采集卡；其中，光声成像探头包括水槽、石墨烯薄膜和棱镜，石墨烯薄膜的下表面附着在透明的基底上，基底通过折射率匹配液粘贴在棱镜的表面，石墨烯薄膜的上表面粘贴盛放水的水槽，成像样本粘贴在盖玻片上，放置在水槽中；盖玻片通过连接杆连接至二维扫描台；探测光装置发出圆偏振光，经透镜聚焦后，入射至超声探头的棱镜，以全反射角的方向聚焦在棱镜的底面，并在焦点处发生反射，在焦点处作为探测窗口；激发光照射至水槽，激发成像样本产生光声信号，并引起与石墨烯接触的水的折射率变化；石墨烯薄膜具有光偏振吸收特性，石墨烯薄膜周围的水折射率改变时，引起s偏振光和p偏振光的反射率发生不同的非线性变化；从棱镜反射出来的两种偏振光束受到光声信号调制；经透镜聚焦后，通过偏振分束器分成s偏振光和p偏振光，分别由高带宽平衡探测器的两个探头接收，s偏振光和p偏振光的强度差的变化转变成电压信号；经放大器后由采集卡进行数据采集；同时，二维扫描台带动成像样本进行二维扫描；对采集后的数据进行重建形成成像样本的光声图像。

水槽包括水槽基板和通孔，在水槽基板内开设通孔，水槽基板的下表面密封粘贴在石墨烯薄膜的上表面，通孔内盛放水，从而水与石墨烯薄膜的上表面直接接触。

探测光装置包括：激光器、衰减片、起偏器和1/4玻片；其中，激光器发出激光，通过衰减片调节强度后，通过起偏器变为线偏振光，经过1/4玻片转为圆偏振光。

石墨烯薄膜为石墨烯单晶，采用化学气相沉积法或机械剥离法制备，或者采用氧化石墨烯还原制备。

石墨烯薄膜附着在透明的基底上，基底采用石英片，石英片通过折射率匹配液与棱镜紧密贴合；或者石墨烯薄膜通过化学方法直接附着在石英玻璃的表面。

石墨烯薄膜的上下表面分别为水和棱镜，探测光在棱镜与水的界面的入射角为全反射角。

石墨烯材料具有优异的光学性能，将石墨烯置于棱镜上，在全内反射条件下，石墨烯薄膜表现出明显的偏振依赖吸收特性，对s偏振光吸收较大，p偏振光吸收较小；成像样本产生光声信号，改变水的折射率，由于石墨烯薄膜特有的光偏振吸收特性，当折射率改变时，s偏振光和p偏振光的吸收为不同的非线性变化，经平衡探测器探测到的两信号做差并转变成电压信号，放大后，得到成像样本的光声信号。由二维平移台带动成像样本进行二维扫描，便可得到成像样本的二维光声图像。

进一步还包括示波器，平衡探测器探测到的信号经过高频放大器，提高信噪比，放大信号；平衡探测器采用高带宽平衡探测器，频率从直流到150MHz带宽；经平衡探测器后，信号通过高带宽的示波器采集显示，在全反射角附近调节探测光的入射角并调节成像样本的位置，使得示波器中的信号达到最佳状态，然后再将放大器连接至采集卡。

扫描成像时，由二维平移台带动样本进行二维扫描，信号通过采集卡采集。

本发明的另一个目的在于提供一种基于石墨烯的光声成像方法。

本发明的基于石墨烯的光声成像方法，包括以下步骤：

1)制备光声成像探头：