CN104545814A - 动物头戴式光声成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种动物头戴式光声成像装置，所述光声成像装置包括光源组件、成像探头和固定组件；其中，所述光源组件出射的光束经由所述成像探头后照射至动物头部的成像区域并激发超声信号，所述成像探头接收所述超声信号并输出用于成像的电信号；所述固定组件装设于所述成像探头上，以将所述成像探头固定于所述动物头部。本发明的动物头戴式光声成像装置可固定于动物的颅骨上方，并使其随着动物的运动而移动。

Description

动物头戴式光声成像装置
技术领域
本发明涉及医学成像领域，尤其涉及一种动物头戴式光声成像装置。
背景技术
光声成像是近年来迅速发展的一种医学成像前沿技术，它深度整合了传统光学成像与超声成像的技术优势，因而同时具有分辨率高和穿透深度大的优点。光声成像能够同时获得组织的血管分布形态与部分功能信息，因此，它在血液动力学、肿瘤学、眼科、心血管疾病检测及药理分析等多个研究领域都有广泛应用。而在大脑区域的光声成像研究方面，多家科研机构已进行了较为深入的研究。例如，利用各类光声成像装置开展血管造影、血氧饱和度测量、脑缺血模型监控以及受激神经反应等相关的血液动力学实验研究。
现有成像装置，其成像系统/成像探头的体积过于庞大，操作和维护都不太方便，在成像的全过程中，将小鼠头部置于成像探头下方，为保证成像时小鼠与成像探头不发生相对移动而影响成像效果，需要对小鼠进行药物麻醉后再固定于成像探头下方，这意味着此时小鼠处于非正常清醒状态。
然而，许多研究表明，这种成像装置对实验研究非常不利，一方面，小鼠脑部的诸多神经活动在麻醉时都会受到影响，而不利于对正常状态下脑部神经活动引起的变化进行研究；另一方面，由于成像装置限制了小鼠的活动范围，而不利于开展多种针对小鼠应激反应(例如胡须实验、光照刺激、电击测试等)的成像实验观察。
而且，对小鼠或其他动物的脑部活动成像实验观察，最佳的是在动物保持清醒且可自由活动的条件下进行，现有的实验装置显然无法达到。
发明内容
本发明提供一种动物头戴式光声成像装置，以减小麻醉和头部固定方式对动物脑部神经活动的影响。
本发明提供一种动物头戴式光声成像装置，所述光声成像装置包括光源组件、成像探头和固定组件；其中，所述光源组件出射的光束经由所述成像探头后照射至动物头部的成像区域并激发超声信号，所述成像探头接收所述超声信号并输出用于成像的电信号；所述固定组件装设于所述成像探头上，以将所述成像探头固定于所述动物头部。
一个实施例中，所述光源组件包括激光器、扫描镜和光纤束，其中，所述激光器产生入射光束，所述光束经由所述扫描镜反射后从所述光纤束的第一端入射至所述光纤束，所述扫描镜为二维扫描振镜或可变形微反射镜阵列。
一个实施例中，所述光源组件还包括光束预处理组件，所述光束预处理组件位于从所述激光器到所述扫描镜的光路中，以对所述光束空间滤波整形。
一个实施例中，所述光束预处理组件包括第一聚光透镜、针孔结构及第二聚光透镜，其中，所述光束经由所述第一聚光透镜聚焦后由所述针孔结构滤波，之后再由所述第二聚光透镜聚焦。
一个实施例中，所述成像探头包括聚光组件及光声转换组件，其中，所述聚光组件将从所述光纤束的第二端出射的光束聚焦于所述动物头部的成像区域以激发产生所述超声信号，所述超声信号由所述光声转换组件转换为所述电信号。
一个实施例中，所述聚光组件包括折射率渐变式自聚焦透镜和校正透镜，从所述光纤束的第二端出射的光束依次经过所述自聚焦透镜和所述校正透镜聚焦。
一个实施例中，所述光声转换组件包括玻璃片和超声换能器，其中，所述玻璃片使所述校正透镜出射的光束透过，并将所述超声信号反射至所述超声换能器，所述超声换能器接收所述超声信号，并将其转换为所述电信号。
一个实施例中，所述玻璃片所在平面与所述聚光组件的光轴之间的夹角为45度。
一个实施例中，所述成像探头还包括套壳，所述聚光组件及光声转换组件设置于所述套壳内，其中，所述超声换能器装设于所述套壳的侧壁；所述自聚焦透镜装设于所述套壳的顶部，所述光纤束第二端在所述套壳顶部与所述自聚焦透镜相接；所述套壳的底端设有透光透声薄膜，由所述聚光组件出射的光束透过所述透光透声薄膜照射至所述动物头部的成像区域。
一个实施例中，所述成像探头内部形成一个密闭腔室，所述密闭腔室中装有超声耦合液体，且所述超声耦合液体的液位至少高于所述超声换能器的设置高度。
一个实施例中，所述固定组件包括环状的第一固定部件，所述第一固定部件环设于所述套壳的底部，且具有沿径向向外突出于所述套壳外周壁的固定缘，其中，所述固定缘上包括多个缝合孔。
一个实施例中，其特征在于，所述固定组件包括第二固定部件，所述第二固定部件包含固定于所述套壳的侧壁的两个挂钩结构，其中，所述挂钩结构的第一端固定于所述套壳的侧壁。
一个实施例中，所述第二固定部件还包括分别与所述两个挂钩结构对应设置的弹簧，所述弹簧的第一端固定于所述套壳的侧壁外，且所述弹簧的第二端固定于所述挂钩结构上，以使所述挂钩结构能够将所述成像探头紧固于所述动物头部。
本发明实施例的动物头戴式光声成像装置可固定于动物的颅骨上方，并使其随着动物的运动而移动。本发明实施例是一种携带式光声成像装置，其成像探头能够紧固定于小鼠(动物)头部，既可跟随小鼠活动，又能快速地对小鼠颅骨下方脑部皮层区域进行光声血管造影和血液动力学功能成像，可用于针对小鼠脑部神经活动与供血量变化的相关科学研究。本发明实施例具有重复性高、操作简便的优点，十分利于长期和多次的实验观察。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明实施例中光源组件的结构示意图；
图2为本发明实施例中成像探头的剖面结构示意图；
图3为本发明实施例中固定组件固定于动物头部的立体结构示意图；
图4为本发明实施例中固定组件固定于动物头部的立体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
结合图1至图4所示，本发明实施例的光声成像装置包括光源组件、成像探头和固定组件。该光源组件为该光声成像装置提供照射光束，其出射的光束经由该成像探头照射至动物头部的成像区域，且该光束在动物头部需要成像的区域激发超声信号(超声波)。该成像探头接收该超声信号，并将其转换为的电信号，该电信号可直接输入至成像设备(例如CCD电感耦合元件)进行成像。该固定组件装设于该成像探头上，以将该成像探头固定于动物的头部。
本发明实施例通过固定组件将光声成像装置与动物头部的连接部分(成像探头)固定于动物头部，并通过光纤束连接成像探头和光声成像装置的其他部件，从而在对动物头部进行光声成像实验研究时，动物可以自由移动，因此，本发明实施例可以用于对动物自由活动时的脑部情况进行实验研究。
图1为本发明实施例中光源组件的结构示意图。如图1所示，光源组件100可包括激光器110、扫描镜120和光纤束130。其中，激光器110产生入射光束，该光束经由扫描镜120(例如二维扫描振镜或可变形微反射镜阵列)反射后从光纤束130的第一端131入射至光纤束130。该光纤束将光束传导至上述成像探头，通过扫描镜120的扫描作用使光束从光纤束第一端131端面上的不同位置(子纤芯)入射至动物头部，可以对动物头部成像区域的不同位置进行扫描成像，即进行二维成像。
再参照图1，光源组件100还可以包括光束预处理组件140。光束预处理组件140设于从激光器110到扫描镜120的光路中，以对从激光器110出射的光束进行空间滤波整形。
一个实施例中，光束预处理组件140可以包括第一聚光透镜141、针孔结构142及第二聚光透镜143。从激光器110出射的光束经由第一聚光透镜141聚焦后由针孔结构142滤波，之后再由第二聚光透镜143聚焦。其中，针孔结构142可以位于第一聚光透镜141的焦平面内，以使针孔结构142对聚焦后的光束进行滤波。经过针孔结构滤波，光束具有更好的准直性，有利于提高光声成像装置的横向分辨率。
本发明实施例的成像探头可包括聚光组件及光声转换组件。聚光组件将从光纤束130的第二端132出射的光束聚焦于动物头部的成像区域以激发超声信号，该超声信号由光声转换组件转换为用于成像的电信号。成像探头还可具有一个套壳，以用于密封或固定其他部件，例如将上述聚光组件及光声转换组件设置于该套壳内。此外，成像探头的各个元件可由防锈材料制成或封装，从而在潮湿环境中不易生锈，且具有较轻重量。
图2为本发明实施例中成像探头的剖面结构示意图。如图2所示，成像探头200中的聚光组件210可以包括自聚焦透镜211和校正透镜212。自聚焦透镜211可以是折射率渐变式的自聚焦透镜。校正透镜212可以粘着于自聚焦透镜211的下方，其可用于补偿空气与后续所用光声耦合液体(例如水)的折射率差异对光束聚焦造成的影响。从光纤束130的第二端132出射的光束依次经过自聚焦透镜211和校正透镜212聚焦。此外，本发明实施例通过聚光组件210对光束进行聚焦使光声成像装置具有极高的横向分辨率，可达微米分辨。
再参照图2，成像探头200中的光声转换组件220可包括玻璃片221和超声换能器222。玻璃片221可使校正透镜212出射的光束透过，并可将光束在动物头部激发的超声信号反射至超声换能器222进行处理，既可有效减小成像探头的体积，又可以提高光声信号的耦合效率。超声换能器222接收该超声信号，并将其转换为上述电信号，以供成像设备成像，而且，根据超声信号到达超声换能器222的时间不同，可以对动物头部成像区域进行深度成像，从而得到三维图像信息。上述玻璃片221所在平面与聚光组件210的光轴(图2中为竖直方向)之间夹角可为多种不同角度，例如30～60度之间的任意角度，较佳的是45度，此时，从聚光组件210出射的光束的偏折角度不易受到影响，且光束不易被玻璃片221反射回去，超声信号也不易因透过玻璃片221而远离超声换能器222。
进一步，如图2所示，套壳230可具有侧壁231。套壳230的侧壁231上可以装设上述超声换能器222，例如超声换能器222穿设于套壳侧壁231，在其他实施例中，超声换能器222可以通过额外设置于成像探头200的支架装设或固定。此外，套壳230的侧壁231还可用于装设玻璃片221，玻璃片221的至少一个侧边装设或固定于套壳230的侧壁231内壁上，较佳地，在套壳侧壁231内壁形成凸起234，而玻璃片221的其中一个侧边搭接在该凸起234上。
此外，套壳230还可具有顶部232。其中，自聚焦透镜装211设于套壳230的顶部232，光纤束130第二端132在套壳顶部232与自聚焦透镜211相接。或者，光纤束130或自聚焦透镜211穿过套壳顶部232而装设于套壳230的顶部232。由聚光组件210出射的光束透过套壳230的底端233照射至动物头部的成像区域。底端233可以是装设(密封)有透光透声薄膜，以使聚光组件210出射的光束和动物头部附近的超声信号尽可能透过，以减少光束或超声波能量的损失。
在一个实施例中，成像探头200内部形成一个密闭腔室，例如由套壳230的侧壁231、顶部232和底端233的透光透声薄膜密封装设而成。其中，套壳侧壁231与超声换能器222之间的接合处及套壳顶部232与光纤束第二端部132(或自聚焦透镜211)之间的接合处均可通过粘合剂(例如胶水)密封。在密闭腔室中加入超声耦合液体，例如超声耦合液剂或水，以使动物头部的超声信号顺利被超声换能器222接收。此外，为使超声耦合液体起到有效作用，其液位最好至少高于超声换能器222的设置位置/高度。
本发明实施例的固定组件可以包括多个不同固定部件，该固定部件可以是各种塑料弹性结构。例如，固定组件包括位于/固定于套壳230底部的环状第一固定部件。如图3所示，第一固定部件环设于套壳230底部/底端233，且具有沿径向向外突出于套壳230外周壁的固定缘，该固定缘上包括多个缝合孔310，上述缝合孔310用于(通过缝合用线)将成像探头200缝合至动物(例如小鼠)的头部(例如头皮)。
采用现有成像装置进行某些需要长期观测的实验时，小鼠(或其他动物)成像部位很难精确重复定位。而且，若对一只动物进行多次实验，准备和结束过程需要剪开和缝合头皮，大大增加了小鼠伤口被感染的机会。
而本发明实施例通过第一固定部件，可以将光声成像装置的成像探头一次性固定于动物的头部，而不需像现有光声成像装置那样每次实验均需重新将成像装置的部件缝合至动物头部，从而可以降低动物伤口被感染的几率。
在另一个实施例中，固定组件还可以同时或单独包括固定于套壳230侧壁231上的第二固定部件。如图3和图4所示，该第二固定部件包含固定于套壳230侧壁231(外)的两个挂钩结构320，以将成像探头200固定于动物(小鼠)的两个耳部。挂钩结构320的第一端部321固定于所述套壳230的侧壁231，挂钩结构320的第二端部322用于插入动物的耳部(耳蜗)。
此外，上述第二固定部件还可以包括分别与两个挂钩结构320对应设置的(至少两个)弹簧330。其中，弹簧330的一端固定于套壳230的侧壁231外，且弹簧330的另一端固定于挂钩结构320上，以使挂钩结构320能够将成像探头200紧固于动物头部(双耳)。
通过第二固定部件将成像探头固定于动物头部，可以有效避免由于光纤束拖拽成像探头而使成像探头相对动物头部移动或拉扯，从而减少了成像探头对动物的刺激，更有利于对动物进行正常活动状态的光声成像实验研究。而且第二固定部件使用方便、操作简单、无需缝合。若上述两种固定部件一并使用，可使成像探头的固定更牢固。
本发明实施例的光声成像装置因特别设计的成像探头而具有体积小、重量轻的优点，可方便地固定于动物的头部，而且固定部件可将成像探头一次性或便捷地固定于动物头部，可使在动物自由活动并清醒的情况下进行动物脑部光声成像实验研究。而且，本发明实施例对光束的聚光组件设计还可以显著提高光声成像装置的横向分辨率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种动物头戴式光声成像装置，其特征在于，所述光声成像装置包括光源组件、成像探头和固定组件；
其中，所述光源组件出射的光束经由所述成像探头后照射至动物头部的成像区域并激发超声信号，所述成像探头接收所述超声信号并输出用于成像的电信号；所述固定组件装设于所述成像探头上，以将所述成像探头固定于所述动物头部。
2.如权利要求1所述的动物头戴式光声成像装置，其特征在于，所述光源组件包括激光器、扫描镜和光纤束，其中，所述激光器产生入射光束，所述光束经由所述扫描镜反射后从所述光纤束的第一端入射至所述光纤束，所述扫描镜为二维扫描振镜或可变形微反射镜阵列。
3.如权利要求2所述的动物头戴式光声成像装置，其特征在于，所述光源组件还包括光束预处理组件，所述光束预处理组件位于从所述激光器到所述扫描镜的光路中，以对所述光束空间滤波整形。
4.如权利要求3所述的动物头戴式光声成像装置，其特征在于，所述光束预处理组件包括第一聚光透镜、针孔结构及第二聚光透镜，其中，所述光束经由所述第一聚光透镜聚焦后由所述针孔结构滤波，之后再由所述第二聚光透镜聚焦。
5.如权利要求2至4任一项所述的动物头戴式光声成像装置，其特征在于，所述成像探头包括聚光组件及光声转换组件，其中，所述聚光组件将从所述光纤束的第二端出射的光束聚焦于所述动物头部的成像区域以激发产生所述超声信号，所述超声信号由所述光声转换组件转换为所述电信号。
6.如权利要求5所述的动物头戴式光声成像装置，其特征在于，所述聚光组件包括折射率渐变式自聚焦透镜和校正透镜，从所述光纤束的第二端出射的光束依次经过所述自聚焦透镜和所述校正透镜聚焦。
7.如权利要求6所述的动物头戴式光声成像装置，其特征在于，所述光声转换组件包括玻璃片和超声换能器，其中，所述玻璃片使所述校正透镜出射的光束透过，并将所述超声信号反射至所述超声换能器，所述超声换能器接收所述超声信号，并将其转换为所述电信号。
8.如权利要求7所述的动物头戴式光声成像装置，其特征在于，所述玻璃片所在平面与所述聚光组件的光轴之间的夹角为45度。
9.如权利要求7或8所述的动物头戴式光声成像装置，其特征在于，所述成像探头还包括套壳，所述聚光组件及光声转换组件设置于所述套壳内，其中，所述超声换能器装设于所述套壳的侧壁；所述自聚焦透镜装设于所述套壳的顶部，所述光纤束第二端在所述套壳顶部与所述自聚焦透镜相接；所述套壳的底端设有透光透声薄膜，由所述聚光组件出射的光束透过所述透光透声薄膜照射至所述动物头部的成像区域。
10.如权利要求9所述的动物头戴式光声成像装置，其特征在于，所述成像探头内部形成一个密闭腔室，所述密闭腔室中装有超声耦合液体，且所述超声耦合液体的液位至少高于所述超声换能器的设置高度。
11.如权利要求9所述的动物头戴式光声成像装置，其特征在于，所述固定组件包括环状的第一固定部件，所述第一固定部件环设于所述套壳的底部，且具有沿径向向外突出于所述套壳外周壁的固定缘，其中，所述固定缘上包括多个缝合孔。
12.如权利要求10至11任一项所述的动物头戴式光声成像装置，其特征在于，所述固定组件包括第二固定部件，所述第二固定部件包含固定于所述套壳的侧壁的两个挂钩结构，其中，所述挂钩结构的第一端固定于所述套壳的侧壁。
13.如权利要求12所述的动物头戴式光声成像装置，其特征在于，所述第二固定部件还包括分别与所述两个挂钩结构对应设置的弹簧，所述弹簧的第一端固定于所述套壳的侧壁外，且所述弹簧的第二端固定于所述挂钩结构上，以使所述挂钩结构能够将所述成像探头紧固于所述动物头部。
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