CN103637766A - 基于液态透镜的动态调焦的光声直肠镜成像装置与成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液态透镜的动态调焦的光声直肠镜成像装置，包括套管、激光环形扫描系统、动态调焦系统、激光准直系统和信号采集及图像重建系统；所述套管内设置有依次光路连接激光环形扫描系统、动态调焦系统、激光准直系统；套管分别连接信号采集及图像重建系统；实现一定范围内高的、均匀的图像分辨率及对比度，同时提高了检测灵敏度。本发明还公开了运用上述动态调焦的光声直肠镜成像装置的成像方法。本发明首次将液态透镜技术应用到光声成像领域，修正了光声直肠镜环形扫描时焦点漂移的现象，实现了光声直肠镜的动态聚焦成像，保证了图像的高分辨率和高对比度。可广泛应用于工业探伤、医学影像等领域。

Description

基于液态透镜的动态调焦的光声直肠镜成像装置与成像方法

技术领域

本发明属于光声显微成像技术领域，具体涉及一种基于液态透镜的动态调焦的光声直肠镜成像装置与成像方法。

背景技术

光声成像技术是指受短脉冲光(脉宽<微秒)辐照的光吸收介质在吸收光能量后快速升温膨胀，由于辐照时间远小于受照介质内部的热传导时间，产生瞬时热膨胀导致应激出超声信号(称为光声信号)。利用超声传感器接收应介质应激出的光声信号，并通过一定的演算算法进行图像重建，可以反演出组织内部光吸收的分布情况，它是一种基于光学吸收差异特性反演组织生理病变的功能成像技术。光声内窥成像技术，与光学内窥成像类似，利用聚焦激光实现点激发与超声探测的光声内窥成像。由于超声在组织中的穿透深度要比光在组织中的穿透深度大，所以光声内窥成像能够检测到比光学内窥成像更深的生物组织；但是由于内窥镜腔体的偏心或者检测样品的自身的非圆形对称性，固定焦距的激光光束焦点无法照射在组织上会造成分辨率不均匀分布，即组织在焦点处分辨率最高，在焦点前方或后方分辨率低；同时由于内窥镜腔体偏心或样品的非对称性，造成组织体受照射的光能量密度分布不均匀，所以光声内窥成像的不同位置的信噪比也不一致，因而影响了光声内窥技术的实际应用效果。

发明内容

本发明为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种基于液态透镜的动态调焦的光声直肠镜成像装置，实现一定范围内高的、均匀的图像分辨率及对比度，同时提高了检测灵敏度。

本发明的另一目的在于提供运用上述动态调焦的光声直肠镜成像装置的成像方法。本发明首次将液态透镜技术应用到光声成像领域，修正了光声直肠镜环形扫描时焦点漂移的现象，实现了光声直肠镜的动态聚焦成像，保证了图像的高分辨率和高对比度。可广泛应用于工业探伤、医学影像等领域。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：本基于液态透镜的动态调焦的光声直肠镜成像装置，包括套管、激光环形扫描系统、动态调焦系统、激光准直系统和信号采集及图像重建系统；所述套管内设置有依次光路连接激光环形扫描系统、动态调焦系统、激光准直系统；套管分别连接信号采集及图像重建系统；

所述激光环形扫描系统包括微型步进电机、透光透声窗口、反射镜；微型步进电机固定于套管头部；反射镜固定于微型步进电机旋转轴的前端，反射镜的斜面与水平方向成45°，反射镜能够90°反射激光；透光透声窗口设置于反射镜所在位置的侧向管壁处；

所述动态调焦系统包括液态透镜和固定基座；液态透镜固定于固定基座中间；固定基座通过螺纹固定于套管内；

所述激光准直系统包括光纤准直器、单模光纤和光学窗口；光学窗口用树脂胶固定于动态调焦系统的后方；单模光纤通过光纤标准接口连接于光纤准直器；光纤准直器固定于光学窗口后方；

所述信号采集及图像重建系统包括信号线连接口、控制线连接口、中空环形超声传感器、驱动电路、信号采集电路和计算机；中空环形超声传感器位于套管内并且位于液态透镜前方，中空环形超声传感器通过信号线连接口与信号采集电路连接，微型步进电机和液体透镜通过控制线连接口与驱动电路连接；信号采集电路和驱动电路通过控制线连接口与计算机连接。

所述驱动电路设置有微型步进电机驱动器和液态透镜驱动器；微型步进电机驱动器最大细分步数为6400步，支持双轴驱动。

所述步进电机、环形聚焦超声传感器、液态透镜、光纤准直器同轴，光纤准直器输出平行光。

所述液态透镜为2种液体构成的单透镜，两种折射率不同且不相互混合的液体。

所述2种液体为：一种是导电的水性溶液，另一种是不导电的矽酮油溶液，能够通过改变其中一种液体的曲率实现焦点位置的改变。

所述液态透镜的焦点调节范围为3cm～+∞，优选为4cm。

所述单模光纤激光传输波段为450～600纳米，优选为532纳米。

所述中空环形超声传感器的主频为20MHz；焦长为10mm～20mm。

所述微型步进电机为两相步进电机；微型步进电机的最大旋转速度为15000rpm；微型步进电机外直径小于10mm；透光透声窗口为PVC\PC材料，透光率为88%～95%，透声率为90%～95%。

上述的基于液态透镜的动态调焦的光声直肠镜成像装置的成像方法，包括如下步骤：

(1)纳秒脉冲激光通过显微物镜入射单模光纤内，经光纤准直器实现激光束平行出射；

(2)从光纤准直器出射的平行激光束经过光学窗口入射到液态透镜，液态透镜通过计算机控制调节液态透镜的电压使得两种液体接触面的曲率改变，实现液态透镜焦距的改变从而实现激光束聚焦和焦点的动态调节；

(3)聚焦激光束通过中空环形超声传感器入射到反射镜的斜面上，斜面反射穿过透光透声窗口，通过微型步进电机带动反射镜旋转实现激光束环形扫描；

(4)通过控制液态透镜的焦距，调整聚焦激发光束的焦点位置，调节范围1mm～3mm，使其聚焦在样品表面；重复若干次步骤(3)的环形扫描；

(5)重建（通过labview编程的小角度画弧算法进行重建）多个不同聚焦深度扫描的光声信号图像，将多个不同聚焦深度扫描的光声信号图像通过算法叠加，得到高分辨率的光声图像。

所述步骤(4)中所述的调节光焦点的扫描位置采用以下方法进行：通过控制线调节液态透镜的曲率，实现液态透镜焦距的改变，焦距调节范围为3cm～+∞，每次调节范围1～3mm。

步骤(1)中：

所述纳秒脉冲激光为高能量纳秒脉冲激光微片发出的激光，高能量纳秒脉冲激光微片的单脉冲最大能量为200uJ，脉冲宽度为7ns，重复频率最大为10KHz；

步骤(3)中：

所述激光束环形扫描采用以下方法进行：微型步进电机带动反射镜旋转一个角度，角度范围为0.225～1.8°（优选的角度为0.9°），激光经过反射镜反射到透光透声窗口，中空环形超声传感器采集一次信号；

步骤(4)中：

所述调节液态透镜的焦距采用以下方法进行：通过控制线驱动液态透镜改变曲率，调节焦距由3cm逐渐调大，每次微调范围可为1mm～3mm；中空环形超声传感器采集信号，记录信号最大值。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：

(1)本发明采用声、光双聚焦检测结构，将声焦点调节到反射镜斜面，光焦点调节到透光透声窗口，使反射的光声信号始终处于声焦点，通过调节液态透镜的焦距，实现一定范围内高的、均匀的图像分辨率及对比度，同时提高了检测灵敏度。

(2)本发明采用动态调焦的点扫描方式，修正了直肠镜不在腔体中央扫描时的分辨率不均匀的现象，保证了偏心环形扫描时高分辨率、高对比度。

(3)本发明提供的基于液态透镜的动态调焦的光声直肠镜成像装置的结构简单，操控方便，对非对称结构不规则形态表面结构的样品可实现均匀分辨率的成像，有利于光声内窥技术的推广及应用。

附图说明

图1是本发明的基于液态透镜的动态调焦的光声直肠镜成像装置与成像方法的结构示意图。

其中，1为套管，2为纳秒脉冲激光器（带有高能量纳秒脉冲激光微片），3为微型步进电机和液态透镜的驱动电路，4为信号采集电路，5为计算机，6为单模光纤，7为微型步进电机控制线，8为液态透镜调焦控制线，9为信号线。

图2是套管的内部结构图。

其中，10为微型步进电机，11为透光透声窗口，12为反射镜，13为中空环形超声传感器，14为固定基座，15为液态透镜，16为光学窗口，17为光纤准直器。

图3是基于液态透镜的动态调焦的光声直肠镜成像方法的调焦原理图示意图；

其中，18为聚焦光焦点。

图4和图5是实施例2的介质里的不同深度的钨丝的光声成像图.

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示的基于液态透镜的动态调焦的光声直肠镜成像装置与成像方法，包括套管1、激光环形扫描系统、动态调焦系统、激光准直系统和信号采集及图像重建系统；套管内设置有依次光路连接激光环形扫描系统、动态调焦系统、激光准直系统；套管分别连接信号采集及图像重建系统；

如图2所示，激光环形扫描系统包括微型步进电机10、透光透声窗口11、反射镜12；微型步进电机固定于套管头部；反射镜固定于微型步进电机旋转轴的前端，反射镜的斜面与水平方向成45°，反射镜能够90°反射激光；透光透声窗口设置于反射镜所在位置的侧向管壁处；

动态调焦系统包括液态透镜15和固定基座14；液态透镜固定于固定基座中间；固定基座通过螺纹固定于套管内；

激光准直系统包括光纤准直器17、单模光纤6和光学窗口16；光学窗口用树脂胶固定于动态调焦系统的后方；单模光纤通过光纤标准接口连接于光纤准直器；光纤准直器固定于光学窗口后方；

信号采集及图像重建系统包括信号线连接口、控制线连接口、中空环形超声传感器、驱动电路3、信号采集电路4和计算机5；中空环形超声传感器13位于套管内并且位于液态透镜前方，中空环形超声传感器通过信号线9连接口与信号采集电路连接，微型步进电机通过微型步进电机控制线7与驱动电路连接，液体透镜通过液态透镜调焦控制线8与驱动电路连接；信号采集电路和驱动电路通过控制线连接口与计算机连接。

驱动电路设置有微型步进电机驱动器和液态透镜驱动器；微型步进电机驱动器最大细分步数为6400步，支持双轴驱动。

步进电机、环形聚焦超声传感器、液态透镜、光纤准直器同轴，光纤准直器输出平行光。

液态透镜为2种液体构成的单透镜，两种折射率不同且不相互混合的液体。2种液体为：一种是导电的水性溶液，另一种是不导电的矽酮油溶液，能够通过改变其中一种液体的曲率实现焦点位置的改变。

液态透镜的焦点调节范围为4cm。单模光纤激光传输波段为532纳米。中空环形超声传感器的主频为20MHz；焦长为10mm～20mm。微型步进电机为两相步进电机；微型步进电机的最大旋转速度为15000rpm；微型步进电机外直径小于10mm；透光透声窗口为PVC\PC材料，透光率为88%～95%，透声率为90%～95%。

套管1用于固定微型步进电机10、透光透声窗口11、中空环形超声传感器13、固定基座14和光学窗口16，制作为圆柱体，直径为12mm，长为250mm；微型步进电机直径为6mm，长度15mm，输出轴直径1mm，用于固定反射镜，最小旋转角度0.225°；反射镜为三棱镜，3条直角边长度为5mm，斜边长度为7.05mm，斜面与水平面成45°。中空环形超声传感器在基底镀有一层环形压电晶片，主频为20MHz，焦距10mm。

上述的基于液态透镜的动态调焦的光声直肠镜成像装置的成像方法，包括如下步骤：

(1)将样品（样品为中空圆柱体，内径12mm，外径20mm；样品为在介质中垂直插入8根直径为60微米的钨丝；介质为10wt%琼脂+90wt%水）置于平台上，将光声内窥镜插入到中空圆柱体，启动动态调焦的光声直肠镜成像装置，532纳米短脉冲激光通过显微物镜入射到单模光纤中（单模光纤纤芯直径为4.5微米），从光纤准直器出射平行光；

所述纳秒脉冲激光为高能量纳秒脉冲激光微片发出的激光，高能量纳秒脉冲激光微片的单脉冲最大能量为200uJ，脉冲宽度为7ns，重复频率最大为10KHz；

(2)从光纤准直器出射的平行激光束经过532纳米光学窗口入射到液态透镜，液态透镜通过计算机控制调节液态透镜的电压使得两种液体接触面的曲率改变，实现液态透镜焦距的改变从而实现激光束聚焦和焦点的动态调节；

(3)平行光通过液态透镜出射到反射镜，微型步进电机带动反射镜旋转，将激光90°反射到透光透声窗口，并聚焦照射到样品，如图3所示；

所述激光束环形扫描采用以下方法进行：微型步进电机带动反射镜旋转一个角度，角度范围为0.225～1.8°（优选的角度为0.9°），激光经过反射镜反射到透光透声窗口，中空环形超声传感器采集一次信号；

(4)通过电脑程序调节液态透镜的焦距，范围3cm～+∞，每次调节1mm～3mm，使其聚焦在样品表面；每次调焦扫描焦点位置由采集程序控制，同时采集程序采集每次的信号，并记录信号最大值（扫描4～10层），重复若干次步骤(3)的环形扫描；

所述调节液态透镜的焦距采用以下方法进行：通过控制线驱动液态透镜改变曲率，调节焦距由3cm逐渐调大，每次微调范围可为1mm～3mm；中空环形超声传感器采集信号，记录信号最大值。

所述步骤(4)中所述的调节光焦点的扫描位置采用以下方法进行：通过控制线调节液态透镜的曲率，实现液态透镜焦距的改变，焦距调节范围为3cm～+∞，每次调节范围1～3mm。

(5)采用labview编程的算法，通过每次调焦移动的前面的所有数据相加重建出多个不同聚焦深度扫描的光声信号图像，将多个不同聚焦深度扫描的光声信号图像通过算法叠加，得到高分辨率的光声图像。

在介质里不同深度的钨丝的光声内窥成像图见图4和图5；其中图4为采用现有设备得到的钨丝光声成像，从图中可以看出距离中心点不同距离的钨丝对比度差异大，分辨率低，表现为距离中心点近的钨丝对比度高，远离中心点的钨丝对比度低；图5为使用本发明动态调焦系统的钨丝光声成像，从图中可以看出8根钨丝的对比度均匀，比图4的光声像识别度高。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于液态透镜的动态调焦的光声直肠镜成像装置，其特征在于：包括套管、激光环形扫描系统、动态调焦系统、激光准直系统和信号采集及图像重建系统；所述套管内设置有依次光路连接激光环形扫描系统、动态调焦系统、激光准直系统；套管分别连接信号采集及图像重建系统；

所述激光环形扫描系统包括微型步进电机、透光透声窗口、反射镜；微型步进电机固定于套管头部；反射镜固定于微型步进电机旋转轴的前端，反射镜的斜面与水平方向成45°；透光透声窗口设置于反射镜所在位置的侧向管壁处；

所述动态调焦系统包括液态透镜和固定基座；液态透镜固定于固定基座中间；固定基座通过螺纹固定于套管内；

所述激光准直系统包括光纤准直器、单模光纤和光学窗口；光学窗口用树脂胶固定于动态调焦系统的后方；单模光纤通过光纤标准接口连接于光纤准直器；光纤准直器固定于光学窗口后方；

所述信号采集及图像重建系统包括信号线连接口、控制线连接口、中空环形超声传感器、驱动电路、信号采集电路和计算机；中空环形超声传感器位于套管内并且位于液态透镜前方，中空环形超声传感器通过信号线连接口与信号采集电路连接，微型步进电机和液体透镜通过控制线连接口与驱动电路连接；信号采集电路和驱动电路通过控制线连接口与计算机连接。

2.根据权利要求1所述的基于液态透镜的动态调焦的光声直肠镜成像装置，其特征在于：所述步进电机、环形聚焦超声传感器、液态透镜、光纤准直器同轴。

3.根据权利要求2所述的基于液态透镜的动态调焦的光声直肠镜成像装置，其特征在于：所述液态透镜为2种液体构成的单透镜，两种折射率不同且不相互混合的液体。

4.根据权利要求3所述的基于液态透镜的动态调焦的光声直肠镜成像装置，其特征在于：所述2种液体为：一种是导电的水性溶液，另一种是不导电的矽酮油溶液。

5.根据权利要求1所述的基于液态透镜的动态调焦的光声直肠镜成像装置，其特征在于：所述液态透镜的焦点调节范围为3cm～+∞。

6.根据权利要求1所述的基于液态透镜的动态调焦的光声直肠镜成像装置，其特征在于：所述中空环形超声传感器的主频为20MHz；焦长为10mm～20mm。

7.根据权利要求1所述的基于液态透镜的动态调焦的光声直肠镜成像装置，其特征在于：所述微型步进电机为两相步进电机；微型步进电机的最大旋转速度为15000rpm；微型步进电机外直径小于10mm；透光透声窗口为PVC\PC材料，透光率为88%～95%，透声率为90%～95%。

8.根据权利要求3所述的基于液态透镜的动态调焦的光声直肠镜成像装置的成像方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)纳秒脉冲激光通过显微物镜入射单模光纤内，经光纤准直器实现激光束平行出射；

(2)从光纤准直器出射的平行激光束经过光学窗口入射到液态透镜，液态透镜通过计算机控制调节液态透镜的电压使得两种液体接触面的曲率改变，实现液态透镜焦距的改变从而实现激光束聚焦和焦点的动态调节；

(3)聚焦激光束通过中空环形超声传感器入射到反射镜的斜面上，斜面反射穿过透光透声窗口，通过微型步进电机带动反射镜旋转实现激光束环形扫描；

(4)通过控制液态透镜的焦距，调整聚焦激发光束的焦点位置，调节范围1mm～3mm，使其聚焦在样品表面；重复若干次步骤(3)的环形扫描；

(5)重建多个不同聚焦深度扫描的光声信号图像，将多个不同聚焦深度扫描的光声信号图像通过计算机处理，得到高分辨率的光声图像。

9.根据权利要求8所述的基于液态透镜的动态调焦的光声直肠镜成像装置的成像方法，其特征在于：所述步骤(4)中所述的调节光焦点的扫描位置采用以下方法进行：通过控制线调节液态透镜的曲率，实现液态透镜焦距的改变，焦距调节范围为3cm～+∞，每次调节范围1～3mm。

10.根据权利要求8所述的基于液态透镜的动态调焦的光声直肠镜成像装置的成像方法，其特征在于：

步骤(1)中：

所述纳秒脉冲激光为高能量纳秒脉冲激光微片发出的激光，高能量纳秒脉冲激光微片的单脉冲最大能量为200uJ，脉冲宽度为7ns，重复频率最大为10KHz；

步骤(3)中：

所述激光束环形扫描采用以下方法进行：微型步进电机带动反射镜旋转一个角度，角度范围为0.225～1.8°，激光经过反射镜反射到透光透声窗口，中空环形超声传感器采集一次信号；

步骤(4)中：

所述调节液态透镜的焦距采用以下方法进行：通过控制线驱动液态透镜改变曲率，调节焦距由3cm逐渐调大，每次微调范围可为1mm～3mm；中空环形超声传感器采集信号，记录信号最大值。

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