CN104146685A - 一种基于光声原理的皮肤色素沉着成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光声原理的皮肤色素沉着成像装置，包括：计算机成像及控制系统、光声信号激发系统、电动调焦一体化探头和三维定位装置；电动调焦一体化探头包括通过电动调焦环连接的超声探测器和物镜以及一个锥形超声耦合杯；三维定位装置调整电动调焦一体化探头的空间位置实现耦合杯对待测组织的定位；计算机成像及控制系统控制三维定位装置的运行，控制光声信号激发系统的启闭，接收并处理数据、通过调节电动调焦环，调节光焦点深度，实现不同深度色素沉着病变的高分辨率的实时成像。本发明具有无痛、快速实时成像的优点，属于光声成像技术领域。

Description

一种基于光声原理的皮肤色素沉着成像装置

技术领域

本发明涉及光声成像技术领域，特别涉及一种基于光声原理的皮肤色素沉着成像装置。

背景技术

皮肤色素沉着是人体皮肤由于种种原因而致皮肤呈现不同颜色、不同范围及不同深浅的色素变化。皮肤色素沉着按类型分有黄褐斑、妊娠斑、蝴蝶斑、老年斑、咖啡斑和雀斑，是一种常见的多发性皮肤疾病，不同的类型，色素沉着的深度有所不同。现有技术中暂时不存在成像皮肤色素沉着的装置，因此，发明一种快速成像皮肤色素沉着的装置是必要的。

光声成像是一种非入侵的、无损的成像方法，它是基于光声效应，使用纳秒量级的短脉冲激光照射生物组织，生物组织吸收短脉冲激光后，引起快速的热弹性膨胀而产生机械波，由此产生超声波。超声探测器接收产生的超声波并通过一定的算法进行反投影，可以得到组织中的光吸收分布，即光声成像。光声成像具有光学成像的高对比度和超声波成像的高分辨率，成像深度最大可到1cm，分辨率达到微米级，适合检测组织中的病变。

由于色素沉着部位对激光有较强的吸收，而皮肤内其他组织的吸收相对较弱，因此利用光声成像的高对比度和高分辨率的特点，可以实时无损的成像皮肤色素沉着成像。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种无损的、安全的、快速实时成像的基于光声原理的皮肤色素沉着成像装置。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于光声原理的皮肤色素沉着成像装置，包括：计算机成像及控制系统、光声信号激发系统、光声信号采集系统、电动调焦一体化探头和三维定位装置。计算机成像及控制系统控制三维定位装置的运行，控制光声信号激发系统的启闭，接收光声信号采集系统的数据并处理数据、实时成像；三维定位装置调整超声探测器和耦合杯的空间位置；光声信号激发系统发出的光信号穿过超声探测器和耦合杯照射待测组织；光声信号采集系统通过超声探测器接收待测组织产生的光声信号，并储存数据；电动调焦一体化探头包括通过电动调焦环连接的超声探测器和物镜以及一个超声耦合杯。光声信号激发系统包括：沿着光信号依次相接的脉冲激光器、光束准直滤波系统和扫描镜。

特征针对色素吸收及光在表皮中的穿透深度，所选脉冲激光器波长为1064nm。

扫描镜出射的光信号通过电动调焦一体化探头入射至待测组织，直接对待测组织进行扫描。电动调焦一体化探头，通过调节电动调焦环，改变物镜到待测组织表面的距离，调节光焦点在待测组织中的深度，以实现不同深度色素沉着病变的高分辨率成像。电动调焦环调节光焦点的深度变化范围是0～1mm。

脉冲激光器、光束准直滤波系统、扫描镜、超声探测器、电动调焦环和耦合杯依次相接，整体由三维定位装置调整空间位置。

超声探测器为中空平面探测器，主频为30MHz-100MHz；耦合杯与待测组织接触的一端设有透光透声薄膜；超声探测器和耦合杯内充满水，水将超声探测器的接收元件淹没。耦合杯的杯体呈锥形，与人体接触面积50～80mm²。

超声耦合杯为锥形，透光透声薄膜固定于耦合杯的下表面，超声探测器与耦合杯的上端相接。

三维定位装置包括：三维定位电机、CCD摄像头；实现相互垂直的X、Y、Z轴三个方向的定位，X和Y轴位于水平面上，Z轴位于竖直方向上，X、Y、Z轴三个方向均设置用于调节直线位置的控制电机。超声探测器的两侧均设有精准定位用的CCD摄像头；CCD摄像头通过计算机成像及控制系统动态监测耦合杯定位。

本发明的原理是：

一种基于光声原理的皮肤色素沉着成像装置包括：计算机成像及控制系统、光声信号激发系统、光声信号采集系统、电动调焦一体化探头和三维定位装置。

光声信号激发系统包括：脉冲激光器、扫描镜、光束准直滤波系统。脉冲激光器用于发射波长为1064nm的脉冲激光。光束准直滤波系统包括两个同参数的透镜及一个针孔，针孔位于两个透镜中间，透镜焦点位置处。扫描镜由两个反射镜构成，反射镜转变光信号的入射和出射角度扫描二维面。

电动调焦一体化探头包括：物镜、电动调焦环、超声探测器、锥形超声耦合杯。物镜与超声探测器之间通过电动调焦环相连接，通过电动调焦环，调节光焦点在组织中的深度，实现不同深度色素沉着的高分辨率检测。超声探测器为中空平面探测器，锥形耦合杯通过螺纹与超声探测器的外壳旋紧，耦合杯的下表面固定一层透光透声薄膜，脉冲激光通过超声探测器的中间孔在耦合杯的下表面的透光透声薄膜上扫描。超声探测器和耦合杯中间填充满水，使得环形超声接收器阵元淹没水中。耦合杯的下表面的透光透声薄膜直接与人体皮肤接触，激光透过透光透声薄膜激发待测组织产生超声信号，经过水耦合，被超声探测器接收，光声信号经过前置放大器放大后由高速数据采集卡采集记录。

计算机成像及控制系统包括扫描镜驱动板卡，激光器驱动、实时成像系统。实时成像系统基于LabView开发平台的控制程序，通过控制激光器驱动实现脉冲激光器的开启和关闭；用脉冲激光器的同步输出信号作为整个成像过程的同步触发信号，通过控制扫描镜驱动板卡实现激光扫描；利用基于LabView编写的反卷积直线投影程序对采集到的声光信号数据进行实时成像，获得皮肤色素沉着部位吸收差异的图像。

三维定位装置包括X、Y、Z轴三个方向的控制电机，及CCD摄像头。利用CCD摄像头，可以方便操作人员在电脑上操控三维定位装置并将超声探测器准确定位。

本发明的操作步骤如下：

(1)通过CCD摄像头实时观察并利用三维定位装置将超声探测器准确定位在待测组织，使耦合杯下表面的透光透声薄膜紧贴被测部位；

(2)光声信号激发系统激发待测组织产生光声信号并被超声探测器接收由高速数据采集卡采集到电脑中；

(3)采集到的信号经过反卷积直线投影等信号处理，每一帧二维光声图像实时显示在LabView的控制界面上。

(4)根据实时的光声图像，通过电动调焦环，改变光学焦点，实现不同深度色素沉着病变的高分辨的图像。

总的说来，本发明具有如下优点，结合了声学和光学成像的优点，可提供皮肤色素沉着成像，具有分辨率高、易于检查、快速便捷的优点，易于临床推广的优点。具体如下：

(1)利用本装置和技术可以快速成像皮肤中色素沉着，进行无痛、快速实时成像。

(2)本发明耦合杯采用倒圆台形状，减小超声耦合杯与人体的接触面积，检测部位更加灵活，如眼角，鼻翼等部位。

(3)本发明的装置成像利用电动调焦环，快速改变光焦点，能够得到不同深度色素沉着病变的高分辨率图像。

(4)本发明是一种无损的检测方式，不会对被检测者的表皮产生损伤或产生其他影响。

(5)本发明的装置采取三维定位装置，使得仪器在测量时，可以精准定位在测试部位处。

(6)本发明的装置采用CCD摄像头并配合三维定位装置进行实时精确定位，方便工作人员操作，CCD摄像头实时成像在计算机屏幕上，通过屏幕即可观测待扫描的待测组织。

(7)本发明系统操作简便，一体化程度高，工作稳定，连续运行时间长，易于在临床中推广。

附图说明

图1是一种基于光声原理的皮肤色素沉着成像装置的原理图。

图2是一种基于光声原理的皮肤色素沉着成像装置的机械结构示意图。

图3是实施例二采用本发明实现的模拟样品的二维深度方向上的光声成像图。

图4是实施例三采用本发明实现的在体检测人体皮肤的光声成像图。

其中，1-1是计算机成像及控制系统；1-2是脉冲激光器；1-3是激光器驱动；1-4是光束准直滤波系统；1-5是扫描镜；1-6是电动调焦一体化探头；1-7是待测样品；1-8是前置信号放大器；1-9是高速数据采集卡；2-1是Z轴控制电机；2-2是脉冲激光器及光束准直滤波系统；2-3是计算机屏幕；2-4是电脑机箱；2-5是扫描镜；2-6是CCD摄像头；2-7是电动调焦一体化探头；2-8是X、Y轴控制电机；4-1为皮肤角质层；4-2为皮肤色素沉着层；4-3为毛细血管；4-4为血管。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

实施例一

一种基于光声原理的皮肤色素沉着成像装置包括计算机成像及控制系统、光声信号激发系统、光声信号采集系统、电动调焦一体化探头和三维定位装置。其中激光器驱动控制脉冲激光器输出波长1064nm脉冲激光，通过光束准直滤波系统进入扫描镜，通过扫描镜转向出射的光束穿过超声探测器和耦合杯，光信号激发待测组织产生光声信号。待测组织产生的光声信号通过电动调焦一体化探头接收，经过前置信号放大器放大，被高速数据采集卡采集并储存到计算机中。激光器驱动控制脉冲激光器的启闭，脉冲激光器产生同步输出信号，控制高速数据采集卡开始采集信号；脉冲激光器输出激光的波长为1064nm(1064nm波长脉冲激光特征针对深层色素沉着成像)，脉宽为10ns，重复频率是20kHZ。采集控制程序用LabView软件实现，成像时利用反卷积直线投影得到二维光声图像，观察二维光声成像，调焦电动调焦环，调节光焦点在组织中的深度，以实现不同深度色素沉着病变的高分辨率成像。

图2的机械结构图可见，本发明包括电脑机箱、计算机屏幕、脉冲激光器及光束准直滤波系统、扫描镜、CCD摄像头、三维定位装置、电动调焦一体化探头等。图中未可见部件设置在电脑机箱中。实现实时快速的光声显微成像的方法为：通过CCD摄像头观察待检测部位，并由计算机控制三维定位装置，将超声探测器及耦合杯准确定位在待检测部位，运行基于LabView的实时成像程序，脉冲激光器输出脉冲激光，扫描镜开始扫描，光束在皮肤表面呈之字形扫描，激发皮肤产生光声信号，脉冲激光器输出同步信号触发高速数据采集卡采集。通过一定的反卷积直线投影算法，在计算机屏幕上实时显示待检测部位光声成像，观察二维光声成像，调焦电动调焦环，调节光焦点在组织中的深度。

实施例二

本实施例中，预先将红墨水涂覆在盖玻片下表面和载玻片上表面，并将盖玻片一边抬起，使其与载玻片间出现一定的倾角，样品上下表面之间以及样品表面与耦合杯下表面的透光透声薄膜间填充耦合液进行声耦合。实验中，脉冲激光器的重复频率为20kHz，脉宽10ns，脉冲激光器出射1064nm波长的脉冲激光，照射在样品上。激光激发的光声信号由中空环状的超声探测器接收，经过前置放大器滤波放大后被高速数据采集卡采集并且储存到计算机中。利用LabView采集控制程序实现图像的实时显示，可以快速的得到如图3所示的图像。

可以看出采用本发明装置能够得到高分辨率和高对比度的光声轴向层析图像。

实施例三

图4是使用本发明装置，在体检测皮肤色素沉着成像。在志愿者皮肤表面选取有色素沉着部位进行测量，通过CCD观察皮肤待测量部位，通过三维定位装置，将探测器紧贴待测皮肤表面，运行采集程序，含有皮肤信息的光声信号被采集后存储到计算机中，在LabView采集控制程序中，得到实时采集图像，通过电动调焦环调节光焦点位置，得到色素沉着的光声图像，如图四所示。

利用本发明的装置，能够清晰的区分出皮肤的角质层和色素沉着，通过改变光焦点的位置，从而实现对不同深度色素沉着病变的检测。本发明检测装置图像对比度高，易于操作，可以在临床中推广。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于光声原理的皮肤色素沉着成像装置，其特征在于：

包括：计算机成像及控制系统、光声信号激发系统、光声信号采集系统、电动调焦一体化探头和三维定位装置；

计算机成像及控制系统控制三维定位装置的运行，控制光声信号激发系统的启闭，接收光声信号采集系统的数据并处理数据、实时成像；

电动调焦一体化探头包括通过电动调焦环连接的超声探测器和物镜以及一个耦合杯；

三维定位装置调整超声探测器和耦合杯的空间位置；

光声信号激发系统发出的光信号穿过超声探测器和耦合杯照射待测组织；光声信号采集系统通过超声探测器接收待测组织产生的光声信号，并储存数据。

2.按照权利要求1所述的基于光声原理的皮肤色素沉着成像装置，其特征在于：所述光声信号激发系统包括脉冲激光器，该脉冲激光器发出的波长为1064nm。

3.按照权利要求1所述的基于光声原理的皮肤色素沉着成像装置，其特征在于：所述电动调焦一体化探头，通过调节电动调焦环，改变物镜到待测组织表面的距离，调节光焦点在待测组织中的深度，以实现不同深度色素沉着病变的高分辨率成像。

4.根据权利要求3所述的基于光声原理的皮肤色素沉着成像装置，其特征在于：所述电动调焦环调节光焦点的深度变化范围是0～1mm。

5.按照权利要求1所述基于光声原理的皮肤色素沉着成像装置，其特征在于，所述耦合杯的杯体呈锥形，与人体接触面积50～80mm²。

6.按照权利要求1所述的基于光声原理的皮肤色素沉着成像装置，其特征在于：所述三维定位装置实现相互垂直的X、Y、Z轴三个方向的定位，X和Y轴位于水平面上，Z轴位于竖直方向上，X、Y、Z轴三个方向均设置用于调节直线位置的控制电机。

7.按照权利要求1所述的基于光声原理的皮肤色素沉着成像装置，其特征在于：所述超声探测器的两侧均设有精准定位用的CCD摄像头；CCD摄像头通过计算机成像及控制系统动态监测耦合杯定位。

8.根据权利要求3所述的基于光声原理的皮肤色素沉着成像装置，其特征在于：所述计算机成像及控制系统基于LabView软件控制，实时成像，动态调节光焦点深度。