CN103393407B - 一种手持式光声成像探头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光声成像技术领域，提供了一种手持式光声成像探头。激发光被耦合进入光纤（10），从光纤（10）出射的光沿着超声探头（40）一侧、与待测对象表面垂直的方向，经空间扩束及透镜组（20）聚焦后进入耦合模块（30）；进入耦合模块（30）内的光经过第一次全反射，平行于待测对象表面传播，并经过第二次全反射，垂直照射到超声探头（40）正下方的检测区域，激发出光声信号；光声信号经待测对象的超声探头检测区域传输进入耦合模块（30），超声探头（40）接收光声信号。本发明实现了在不显著增加超声探头尺寸的前提下，使激发光照射区域与超声探头检测区域相重合；同时，超声探头保持了传统的与待测对象垂直的方向，使操作者易适应。

Description

一种手持式光声成像探头

【技术领域】

本发明涉及光声成像技术领域，特别是涉及一种手持式光声成像探头。

【背景技术】

光学成像技术是当前各类生物医学影像技术中发展最为迅速的分支之一。相比其他医学成像手段如X线成像、计算机断层成像、正电子发射断层成像、超声成像、磁共振成像等，光学成像技术在分辨率、化学特异性、灵敏度、安全性等某个或多个方面分别具有优势。但光学成像技术最大的局限性在于其组织穿透深度，光声成像技术的出现很好地克服了这一缺陷。光声成像同时具有光学分辨率和声学成像深度的优点，它以组织的光学吸收特性为对比机制，可以获得生物体的化学组分及生理功能信息。光声成像技术已被证明适用于乳腺癌检测、肿瘤分级中引导前哨淋巴结活检等一系列生物医学应用。

现有光声成像系统大多是基于固定检测探头进行成像，同时需要配套复杂昂贵的附加组件，例如乳腺癌检测中用于让病人平卧的特制平台等。近些年有研究尝试在现有超声成像设备的手持式探头基础上直接进行激发光耦合，进行手持式实时光声断面成像，其优点在于能够充分利用手持式超声探头的易操纵性，进行身体不同部位的光声成像，另外所得光声图像能够与超声图像自动重合匹配，实现多模成像的目的。相比传统光声成像方法，这一设计思路更容易被临床医生接受，有利于光声技术的临床转化；但这一设计的主要难点在于，如何将激发光简洁高效地传递到目标组织部位，在不显著增加超声探头尺寸的情况下，得到高质量的光声图像，目前仍是一个挑战。

当前基于手持式超声探头阵列的光声成像系统中，其光学照射部分与超声探头的耦合设计主要有如下两种：

（1）第一种设计如图1所示，从光源出射的激发光被耦合进入光纤束1，光纤束1的另一端（末端）经过分叉后分别被绑定到超声探头2两侧，使激发光倾斜照射到样本3表面，并在超声探头2中心正下方特定深度汇聚。这种设计通常被称为暗场照明设计，它的主要缺点是光学照射区域与超声探头探测区域存在不匹配问题，这是因为照射光从超声探头2两侧进入组织，其照亮区域主要是光在组织内发生聚焦的区域，而在超声探头2的其他探测区域，激发光能量很弱，难以激发出足够强的光声信号，因此这种激发光照射方法使得光声信号主要来自于光在组织内发生聚焦的区域，而超声探头2的其他探测区域（如探头近场和远场区域）成像效果并不理想。另外，由于这一设计采用光纤束1进行照射光的传递以及样本的激发，使得其成本相对较高。

（2）第二种设计如图2所示，通过添加与手持式超声探头2相匹配的耦合部件4，将激发光照射到样本3中，同时探测所产生的光声信号。这一设计中，光源发出的激发光同样首先被耦合进入单根高能多模光纤，从光纤末端出射的光经空间扩束以及柱面透镜聚焦后，透过对超声信号起反射作用的声学反射板照射到样本3内部，所产生的光声信号经组织内传输进入耦合部件4，通过声学反射板反射，被手持式超声探头2接收。这一设计通常被称为明场照明设计，它能够将激发光耦合到超声探头的整个检测区域，同时提高系统的图像质量和信噪比，但它的主要缺点在于其耦合部分过于复杂，使原本小巧灵活的超声探头2变得庞大，不再适用于某些人体部位如腋下或胯下区域的检测；另外，这一设计中超声探头2与样本3组织表面平行，而不再是传统的垂直方向，这对于操作者来说也可能存在适应性的问题。

综上分析，现有技术存在如下缺点：

（1）如图1所示，现有的基于光纤束从手持式超声探头阵列两侧进行激发光倾斜照射的设计，其缺点在于光声信号主要来自于组织内特定深度的区域，对于超声探头的其他探测区域成像效果并不理想；另外，由于采用光纤束进行照射光的传递以及样本的激发，使得这一设计的成本较高。

（2）如图2所示，现有的基于手持式超声探头阵列耦合模块将照射光从超声探头正下方垂直于探头照射样本的设计，其缺点在于超声探头阵列变得庞大，不再适用于腋下及胯下等区域的检测；另外，这一设计对于操作者来说可能存在适应性的问题。

鉴于此，克服这些现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是提供一种在不显著增加超声探头阵列尺寸的前提下，实现激发光照射区域与超声探头检测区域重合，操作者易适应的一种手持式光声成像探头。

本发明采用如下技术方案：

一种手持式光声成像探头，所述手持式光声成像探头包括光纤（10）、透镜组（20）、耦合模块（30）和超声探头（40），光纤（10）末端和透镜组（20）位于超声探头（40）一侧，耦合模块（30）位于超声探头（40）下方、靠近待测对象的一侧；其中：

激发光被耦合进入光纤（10），从光纤出射的光沿着超声探头（40）一侧、与待测对象表面垂直的方向，经空间扩束及透镜组（20）聚焦后进入耦合模块（30）；

进入耦合模块（30）内的光经过第一次全反射，沿着与待测对象表面平行的方向传播到位于超声探头（40）正下方、与待测对象的超声探头检测区域相对应的位置；

所述光经过第二次全反射，垂直照射到超声探头（40）正下方的待测对象的超声探头检测区域，激发出光声信号；

所述光声信号经待测对象的超声探头检测区域传输进入耦合模块（30），超声探头（40）接收所述光声信号。

进一步地，所述耦合模块（30）为光学棱镜，在与待测对象表面垂直的方向上的所述光学棱镜的最小横截面尺寸大于或等于超声探头（40）末端的横截面尺寸。

在本发明一实施例中，所述耦合模块（30）包括菱形棱镜（31）和梯形棱镜（32），菱形棱镜（31）的斜面与梯形棱镜（32）一侧的斜面均与待测对象表面呈45°角，两个棱镜在斜面处贴合；

光从菱形棱镜（31）的与待测对象表面平行的侧面垂直入射；耦合模块（30）内，第一次全反射的位置为菱形棱镜（31）的一侧内表面，第二次全反射的位置为菱形棱镜（31）的另一侧内表面，所述另一侧为菱形棱镜（31）与梯形棱镜（32）相贴合的一侧；光声信号经待测对象的超声探头检测区域传输进入耦合模块（30）后，在菱形棱镜（31）和梯形棱镜（32）内均匀传输至超声探头（40）。

进一步地，所述梯形棱镜（30）的下底面位于超声探头（40）下方，梯形棱镜（32）的上底面位于待测对象表面。

在本发明另一实施例中，所述耦合模块（30）包括菱形棱镜（31）和第二菱形棱镜（33），所述两个菱形棱镜的斜面均与待测对象表面呈45°角，两个棱镜在斜面处贴合；

光从菱形棱镜（31）的与待测对象表面平行的侧面垂直入射；耦合模块（30）内，第一次全反射的位置为菱形棱镜（31）的一侧内表面，第二次全反射的位置为菱形棱镜（31）的另一侧内表面，所述另一侧为菱形棱镜（31）与第二菱形棱镜（33）相贴合的一侧；光声信号经待测对象的超声探头检测区域传输进入耦合模块（30）后，在菱形棱镜（31）与第二菱形棱镜（33）内均匀传输至超声探头（40）。

在本发明又一实施例中，所述耦合模块（30）包括菱形棱镜（31）和三棱镜（34），所述菱形棱镜（31）的斜面与待测对象表面呈45°角，三棱镜（34）的一侧与菱形棱镜（31）的一个斜面贴合；

光从菱形棱镜（31）的与待测对象表面平行的侧面垂直入射；耦合模块（30）内，第一次全反射的位置为菱形棱镜（31）的一侧内表面，第二次全反射的位置为菱形棱镜（31）的另一侧内表面，所述另一侧为菱形棱镜（31）与三棱镜（34）相贴合的一侧；光声信号经待测对象的超声探头检测区域传输进入耦合模块（30）后，在菱形棱镜（31）与三棱镜（34）内均匀传输至超声探头（40）。

进一步地，所述菱形棱镜（31）的另一侧经过表面镀膜工艺加工。

进一步地，所述菱形棱镜（31）和梯形棱镜（32）由相同材料制成，菱形棱镜（31）和梯形棱镜（32）的厚度相同；或者

菱形棱镜（31）和第二菱形棱镜（33）由相同材料制成，菱形棱镜（31）和第二菱形棱镜（33）的厚度相同；或者

菱形棱镜（31）和三棱镜（34）由相同材料制成，菱形棱镜（31）和三棱镜（34）的厚度相同。

进一步地，所述菱形棱镜（31）、梯形棱镜（32）、第二菱形棱镜（33）和三棱镜（34）由对光学和声学具有高透射特性的材料制成。

进一步地，所述菱形棱镜（31）、梯形棱镜（32）、第二菱形棱镜（33）和三棱镜（34）由有机玻璃、玻璃或者石英制成。

进一步地，所述透镜组（20）包括平凸柱面透镜（21）和平凹柱面透镜（22）。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过将照射光纤末端设置于超声探头的一侧，同时在超声探头正下方附加耦合模块，光纤出射的光经空间扩束和透镜组聚焦后进入耦合模块，经两次全反射后照射到位于超声探头正下方的检测区域，实现了在不显著增加超声探头阵列尺寸的前提下，使激发光照射区域与超声探头检测区域相重合；同时，超声探头保持了传统的与待测对象垂直的方向，使操作者易适应。

【附图说明】

图1是现有技术第一种设计的结构示意图；

图2是现有技术第二种设计的结构示意图；

图3是本发明一种手持式光声成像探头的主视图；

图4是本发明一种手持式光声成像探头的左视图；

图5是本发明一种手持式光声成像探头的立体图；

图6是本发明另一实施例中梯形棱镜截面为直角梯形的示意图；

图7是本发明又一实施例中采用两个菱形棱镜组成耦合模块的示意图；

图8是本发明再一实施例中采用菱形棱镜和三棱镜组成耦合模块的示意图。

附图标记如下：

图1-图2：

1-光纤束，2-超声探头

3-样本，4-耦合部件；

图3-图8：

10-光纤，20-透镜组，

21-平凸柱面透镜，22-平凹柱面透镜，

30-耦合模块，31-菱形棱镜，

32-梯形棱镜，33-第二菱形棱镜，

34-三棱镜，40-超声探头。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实施例中的超声探头为手持式超声探头。

下文中涉及的上、下、左、右等方位，除非有特殊说明，均请参照附图3所示的方位。

图3-图8中，斜线填充区域代表光线。

如图3-图5所示，给出了从不同角度观测得到的本发明实施例的结构和光路传播示意图。本发明实施例提供了一种手持式光声成像探头，其包括光纤10、透镜组20、耦合模块30和超声探头40，光纤10末端和透镜组20均位于超声探头40一侧，可以将光纤10末端和透镜组20固定到超声探头40一侧，耦合模块30位于超声探头40下方、靠近待测对象（图中未示出）的一侧。

光源发出的激发光被耦合进入光纤10，从光纤10出射的光沿着超声探头40一侧、与待测对象表面垂直的方向，经空间扩束及透镜组20聚焦后成为矩形光斑，并进入与手持式超声探头40相匹配的耦合模块30，此处的相匹配是指尺寸相匹配，比如参照图3所示，在主视方向上耦合模块30尺寸稍大于超声探头40尺寸，参照图4所示，在左视方向上，耦合模块30与超声探头40尺寸相当，也即只要满足在与待测对象表面垂直的方向上的耦合模块30的最小横截面尺寸大于或等于超声探头40末端的横截面尺寸即可，实际应用时一般采取相当或者稍大于的尺寸。进入耦合模块30内的光经过第一次全反射，沿着与待测对象表面平行的方向传播到位于超声探头40正下方、与待测对象的超声探头检测区域相对应的位置。光经过第二次全反射，垂直照射到超声探头40正下方的待测对象的超声探头检测区域，激发出光声信号。光声信号经待测对象的超声探头检测区域传输进入耦合模块30，超声探头40接收该光声信号。

光纤10可选用单根高能多模光纤，相比现有技术中采用光纤束的方式，节约了成本。

透镜组20包括至少两个柱面透镜，本实施例中设有两个柱面透镜，一个平凸柱面透镜21和一个平凹柱面透镜22。光线先经过平凸柱面透镜21，后经过平凹柱面透镜22。

耦合模块30可以采用光学棱镜，如前所述，需满足在与待测对象表面垂直的方向上的光学棱镜的最小横截面尺寸大于或等于超声探头40末端的横截面尺寸，实际应用时一般采取相当或者稍大于的尺寸。本实施例中，耦合模块由一块菱形棱镜31和一块梯形棱镜32组成，两棱镜用相同材料制成，且厚度相同。其中菱形棱镜31的斜面倾斜角与梯形棱镜32的斜面倾斜角相同，均与待测对象表面呈45°角，45°角的设置是为了保证光线平行于待测对象表面或者垂直于待测对象表面传播。这样，使两个棱镜在斜面处能无缝贴合（可采用粘合的方式），确保光声信号在耦合模块30内部均匀传输。菱形棱镜31的与梯形棱镜32贴合的一侧经过表面镀膜工艺加工。梯形棱镜32的下底面位于超声探头40一侧，梯形棱镜32的上底面位于待测对象一侧，呈倒梯形放置。

光从菱形棱镜31的与待测对象表面平行的侧面垂直入射；耦合模块30内，照射光首先在菱形棱镜31的一侧内表面发生全反射，传输方向由垂直变为平行于待测对象表面，之后在菱形棱镜31的另一侧（菱形棱镜31与梯形棱镜32相贴合的一侧）再次发生全反射，从而垂直照射到待测对象表面，并在检测区域内不同深度激发出光声信号。所产生的光声信号经检测区域传输进入耦合模块30后，在菱形棱镜31和梯形棱镜32内均匀传输至超声探头40，被超声探头40接收。

如图3所示，本实施例中，梯形棱镜32的截面为等腰梯形。需要说明的是，该梯形棱镜32的截面还可以为其他任何形状的梯形，比如图6所示的直角梯形。总之，梯形棱镜32的形状可进行各种可能的变形，只要不影响本发明的效果。

或者，可以采用两个菱形棱镜组成耦合模块30的方案。如图7所示，耦合模块30由两块菱形棱镜组成，包括菱形棱镜31和第二菱形棱镜33，两棱镜用相同材料制成，且厚度相同。两个菱形棱镜的斜面倾斜角相同，均与待测对象表面呈45°角，45°角的设置是为了保证光线平行于待测对象表面或者垂直于待测对象表面传播。两棱镜在斜面处贴合。菱形棱镜31的与第二菱形棱镜33贴合的一侧经过表面镀膜工艺加工。其内部光路传播过程与上述采用一块菱形棱镜31和一块梯形棱镜32组成耦合模块30的方案类似，此处不再赘述。

当然，还可以采用菱形棱镜和三棱镜组成耦合模块30的方案。如图8所示，耦合模块30由菱形棱镜31和三棱镜34组成，两棱镜用相同材料制成，且厚度相同。菱形棱镜31的斜面与待测对象表面呈45°角，45°角的设置是为了保证光线平行于待测对象表面或者垂直于待测对象表面传播。三棱镜34的一侧与菱形棱镜31的一个斜面贴合。菱形棱镜31的与三棱镜34贴合的一侧经过表面镀膜工艺加工。其内部光路传播过程与上述采用一块菱形棱镜31和一块梯形棱镜32组成耦合模块30的方案类似，此处不再赘述。

图8中所示的三棱镜34的横截面为锐角三角形，还可以采用其他横截面形状的三棱镜，比如横截面为直角三角形或者钝角三角形，等等。或者将图8中三棱镜设置在超声探头40一侧的面改为设置到待测对象一侧。总之，三棱镜34的具体位置及形状可进行各种可能的变形，只要不影响本发明的效果。

本实施例中耦合模块30采用有机玻璃材料制成。需要说明的是，耦合模块30还可采用其他对光学和声学具有高透射特性的材料制成，如玻璃或石英等材料。

本实施例在现有手持式超声阵列探头的基础上，通过一种简易方便的机械结构和光路设计，将光学激发模块与超声探头耦合，构建性能更为优良、更易于临床应用转化的手持式光声成像探头。

本实施例通过将照射光纤末端设置于超声探头的一侧，同时在超声探头正下方粘合光学传输耦合模块，通过两次光学全反射实现激发光从超声探头正下方平行于探头对检测区域进行照射，实现了在不显著增加超声探头阵列物理尺寸的前提下，使激发光照射区域与超声探头检测区域相重合，激发光能照射到超声探头的整个检测区域，使其应用范围不受限制，且成本低。同时，超声探头保持了传统的与待测对象垂直的方向，避免了操作者存在不适应情况的出现。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种手持式光声成像探头，其特征在于，所述手持式光声成像探头包括光纤(10)、透镜组(20)、耦合模块(30)和超声探头(40)，光纤(10)末端和透镜组(20)位于超声探头(40)一侧，耦合模块(30)位于超声探头(40)下方、靠近待测对象的一侧；其中：

所述光纤(10)为单根高能多模光纤；所述透镜组(20)包括平凸柱面透镜(21)和平凹柱面透镜(22)；

所述耦合模块(30)为光学棱镜，在与待测对象表面垂直的方向上的所述光学棱镜的最小横截面尺寸大于或等于超声探头(40)末端的横截面尺寸；所述耦合模块(30)包括菱形棱镜(31)和梯形棱镜(32)，菱形棱镜(31)的斜面与梯形棱镜(32)一侧的斜面均与待测对象表面呈45°角，两个棱镜在斜面处贴合；光从菱形棱镜(31)的与待测对象表面平行的侧面垂直入射；耦合模块(30)内，第一次全反射的位置为菱形棱镜(31)的一侧内表面，第二次全反射的位置为菱形棱镜(31)的另一侧内表面，所述另一侧为菱形棱镜(31)与梯形棱镜(32)相贴合的一侧；光声信号经待测对象的超声探头检测区域传输进入耦合模块(30)后，在菱形棱镜(31)和梯形棱镜(32)内均匀传输至超声探头(40)；

激发光被耦合进入光纤(10)，从光纤出射的光沿着超声探头(40)一侧、与待测对象表面垂直的方向，经空间扩束及透镜组(20)聚焦后进入耦合模块(30)；

进入耦合模块(30)内的光经过第一次全反射，沿着与待测对象表面平行的方向传播到位于超声探头(40)正下方、与待测对象的超声探头检测区域相对应的位置；

所述光经过第二次全反射，垂直照射到超声探头(40)正下方的待测对象的超声探头检测区域，激发出光声信号；

所述光声信号经待测对象的超声探头检测区域传输进入耦合模块(30)，超声探头(40)接收所述光声信号。

2.如权利要求1所述的手持式光声成像探头，其特征在于，所述梯形棱镜(30)的下底面位于超声探头(40)下方，梯形棱镜(32)的上底面位于待测对象表面。

3.如权利要求1所述的手持式光声成像探头，其特征在于，所述耦合模块(30)包括菱形棱镜(31)和第二菱形棱镜(33)，所述两个菱形棱镜的斜面均与待测对象表面呈45°角，两个棱镜在斜面处贴合；

光从菱形棱镜(31)的与待测对象表面平行的侧面垂直入射；耦合模块(30)内，第一次全反射的位置为菱形棱镜(31)的一侧内表面，第二次全反射的位置为菱形棱镜(31)的另一侧内表面，所述另一侧为菱形棱镜(31)与第二菱形棱镜(33)相贴合的一侧；光声信号经待测对象的超声探头检测区域传输进入耦合模块(30)后，在菱形棱镜(31)与第二菱形棱镜(33)内均匀传输至超声探头(40)；

或者，所述耦合模块(30)包括菱形棱镜(31)和三棱镜(34)，所述菱形棱镜(31)的斜面与待测对象表面呈45°角，三棱镜(34)的一侧与菱形棱镜(31)的一个斜面贴合；

光从菱形棱镜(31)的与待测对象表面平行的侧面垂直入射；耦合模块(30)内，第一次全反射的位置为菱形棱镜(31)的一侧内表面，第二次全反射的位置为菱形棱镜(31)的另一侧内表面，所述另一侧为菱形棱镜(31)与三棱镜(34)相贴合的一侧；光声信号经待测对象的超声探头检测区域传输进入耦合模块(30)后，在菱形棱镜(31)与三棱镜(34)内均匀传输至超声探头(40)。

4.如权利要求2-3任一项所述的手持式光声成像探头，其特征在于，所述菱形棱镜(31)的另一侧经过表面镀膜工艺加工。

5.如权利要求2-3任一项所述的手持式光声成像探头，其特征在于，所述菱形棱镜(31)和梯形棱镜(32)由相同材料制成，菱形棱镜(31)和梯形棱镜(32)的厚度相同；或者

菱形棱镜(31)和第二菱形棱镜(33)由相同材料制成，菱形棱镜(31)和第二菱形棱镜(33)的厚度相同；或者

菱形棱镜(31)和三棱镜(34)由相同材料制成，菱形棱镜(31)和三棱镜(34)的厚度相同。

6.如权利要求2-3任一项所述的手持式光声成像探头，其特征在于，所述菱形棱镜(31)、梯形棱镜(32)、第二菱形棱镜(33)和三棱镜(34)由对光学和声学具有高透射特性的材料制成。

7.如权利要求6所述的手持式光声成像探头，其特征在于，所述菱形棱镜(31)、梯形棱镜(32)、第二菱形棱镜(33)和三棱镜(34)由有机玻璃、玻璃或者石英制成。