CN106175677B - 基于光纤分束和柔性探测器的一体化光声乳腺成像检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于光纤分束和柔性探测器的一体化光声乳腺成像检测装置，包括探测器，还包括光纤束，光纤束将一束激光分为多束激光；探测器为柔性探测器；柔性探测器包括：可弯曲变形但不可拉伸变形的贴合乳房表面形状的片状的柔性基底，多个均匀分布在柔性基底上的接收乳腺反射的超声信号的阵元；光纤束的与多束激光对应的多个端部与柔性基底耦合，且在柔性基底上均匀分布，从而激光可穿过柔性基底照射到乳房上。还涉及基于光纤分束和柔性探测器的一体化光声乳腺成像检测方法。本发明可以实现大面积均匀的光声成像，实现了和待测乳房无缝的贴合，尤其适用于乳腺癌的检测，属于光声成像技术领域。

Description

基于光纤分束和柔性探测器的一体化光声乳腺成像检测装置 和方法

技术领域

本发明涉及光声成像技术领域，具体涉及一种检测乳腺癌的装置，特别涉及光纤束和柔性探测器一体化光声乳腺成像检测装置及采用该装置实现的光声乳腺成像检测方法。

背景技术

光声成像技术作为一种基于组织内部光吸收差异的非电离成像方式，由于其高对比度、高成像深度、无损伤等优点而受到越来越多地关注，被认为是一种有发展前景的早期乳腺诊断技术。

光声成像技术用于乳腺癌检测的的原理是正常乳腺组织的主要成分是脂肪，而脂肪的光吸收系数较小，而在肿瘤组织的快速新陈代谢过程中，伴随着产生更多水分子、离子、新生血管，而光声成像对肿瘤新生血管很敏感。当用一束短脉冲激光均匀照射待测乳房时，快速吸收激光能量引起瞬间温升，产生绝热膨胀，热能转化为机械能并以超声波形式辐射出去，即为光声效应，再利用超声换能器从各个方向接收光声信号，结合合适的算法重建图像即可得到组织的光吸收分布图。

超声换能器作用是将接收的超声波转换成电信号并传导到数据采集-图像重建组件，主要分为单元换能器和多元换能器两大类。在单元换能器中，为重建一帧完整的图像，需要利用机械使其围绕组织转动一周采集信号，因此需要花费较多的扫描时间；在多元换能器中以线性或环形比较常见，其中环形探测器虽然能够从各方向接收信号，但因为其是硬质的探测器，扫描半径是固定的，对于形状不规则的物体，需要制作半径相当大的探测器覆盖住物体才能获取完整的信息；线性探测器能够和组织的局部位置实现无缝接触，但是在接收信号时会缺失组织相对位置的信息，使重建图形失真。

现有的光声成像技术多采用一束激光照射待测部位，通常情况下，激光谐振腔打出的一束光属于高斯光，光强呈现中间强两端弱的不均匀分布，难以实现大面积均匀的光声成像。

现有技术中仅有将柔性探测器用于金属箱的密封检测的技术，不存在将柔性探测器用于光声成像的技术，更不存在将柔性探测器用于乳腺检测的技术。

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：提供一种无需耦合液即可贴合乳房进行检测的基于光纤分束和柔性探测器的一体化光声乳腺成像检测装置和方法，可贴合乳房实现大面积均匀的光声成像。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于光纤分束和柔性探测器的一体化光声乳腺成像检测装置，包括探测器，还包括光纤束，光纤束将一束激光分为多束激光；探测器为柔性探测器；柔性探测器包括：可弯曲变形但不可拉伸变形的贴合乳房表面形状的片状的柔性基底，多个均匀分布在柔性基底上的接收乳腺反射的超声信号的阵元；光纤束的与多束激光对应的多个端部与柔性基底耦合，且在柔性基底上均匀分布，从而激光可穿过柔性基底照射到乳房上。

作为一种优选，光纤束包括多根光纤和合束器，多根光纤的一端汇集于合束器中，每根光纤的另一端设有插针体；柔性基底上设有耦合圆柱孔，插针体插入耦合圆柱孔中。

作为一种优选，柔性基底为条形，阵元在柔性基底上沿着柔性基底的长度方向排列成行，耦合圆柱孔在柔性基底上沿着柔性基底的长度方向排列成行，阵元和耦合圆柱孔一一间隔设置。

作为一种优选，基于光纤分束和柔性探测器的一体化光声乳腺成像检测装置，还包括：发射脉冲激光的脉冲激光器，使脉冲激光器发射的激光准直的进入光纤束的准直器，与柔性探测器的阵元相接的数据采集-图像重建组件。

作为一种优选，光纤的数量为小于等于1024束，每根光纤的直径大小均相同。

作为一种优选，由多根光纤合束后的光纤的横截面为圆形。

作为一种优选，柔性基底为条形，阵元在柔性基底上排列成两行多列，耦合圆柱孔在柔性基底上沿着柔性基底的长度方向排列成行，每两列阵元之间布置有一个耦合圆柱孔，该耦合圆柱孔正对相邻的同列两个阵元之间的位置。

基于光纤分束和柔性探测器的一体化光声乳腺成像检测方法，采用基于光纤分束和柔性探测器的一体化光声乳腺成像检测装置，将柔性探测器紧贴乳房，激光被光纤束均匀分成多份，各份激光环绕乳房多点照射，各阵元环绕乳房多点接收超声信号，由此实现乳腺的光声成像检测。

作为一种优选，柔性探测器绕成环形的方式环绕、紧贴乳房，柔性探测器的两端用扎带固定。

作为一种优选，安装柔性探测器前，先在乳房上套上塑胶乳房固定杯，用于辅助固定乳房的形状，才将柔性探测器紧贴塑胶乳房固定杯。

本发明的原理是：

脉冲激光器发出脉冲激光，经准直器准直后直接打到光纤束光纤端面上，并被光纤束均匀的分成多份光，照射到塑胶乳房固定杯中的待测乳房上，待测乳房吸收激光能量引起瞬间温升，此时激光的脉宽比较窄，吸收的能量不能在激光脉冲持续时间内发生热扩散，也就是发生绝热膨胀，产生光声效应，即热能转化为机械能并以超声波形式向外辐射。此光声信号反映了乳房中光吸收差异的信息，柔性探测器由于其形状可控性，能够紧密贴合到塑胶乳房固定杯上，其每个阵元接收到待测乳房同一截面不同方向的光声信号，并把光声信号转换成电信号传导到计算机中的数据采集-图像重建组件，利用滤波反投影法可还原出完整的反映乳房光吸收差异的分布图。

总的说来，本发明具有如下优点：

1.本发明装置中，利用光纤束实现了将脉冲激光器打出来的光均匀的分成多束，多束光同时进行照射，可以实现大面积均匀的光声成像。

2.本发明装置中，利用柔性探测器的形状可控性，实现了和待测乳房无缝的贴合，只需使用少量的耦合液，甚至不用耦合液就可以解决超声波耦合的问题。

3.激光传输具有方向性，通过逐步加大激光辐照能量，直到超声探测器能够探测到超声信号即可，并使激光辐射能量控制在安全阈值范围内，有效的避免对待测乳房组织产生热损伤。

4.本发明装置适用于因人体差异而产生的不同大小和形状的乳房的检测。

5.本发明装置系统体积小，重量轻，工作稳定，连续运行时间长，使用方便，造价低，能源消耗量小；对于实现光声乳腺成像技术的临床化有巨大的推动作用。

6.安全高效，高分辨率，高对比度。

7.实现乳腺的无死角光声成像检测，尤其适用于乳腺检测。

附图说明

图1是基于光纤分束和柔性探测器的一体化光声乳腺成像检测装置的结构示意图。

图2是光纤束的结构示意图。

图3是图2中A向视图。

图4是图2中B向视图。

图5是柔性探测器的结构示意图。

图6是柔性探测器与光纤束耦合的剖视图。

1-1为脉冲激光器，1-2为准直器，1-3为光纤束，1-4为塑胶乳房固定杯，1-5为柔性探测器，1-6为数据采集-图像重建组件。

2-1为合束器，2-2为光纤，2-3为插针体。

3-1为阵元，3-2为耦合圆柱孔，3-3为柔性基底。

具体实施方式

下面来对本发明做进一步详细的说明。

基于光纤分束和柔性探测器的一体化光声乳腺成像检测装置，包括：脉冲激光器、准直器、光纤束、柔性探测器、数据采集-图像重建组件。脉冲激光器、准直器、光纤束、柔性探测器依次相接，柔性探测器的阵元和数据采集-图像重建组件相接。

脉冲激光器波长为400-1500nm，脉宽范围为1-200ns，单脉冲能量可以激发待测乳房产生光声信号，重复频率为1-150MHz可调。本实施例中优选波长为1064nm，脉宽范围为11-63ns，单脉冲能量为0.27-1.53mJ可调，重复频率为1-150KHz可调。

准直器作用是为了对光束进行准直，使脉冲激光器打出的激光能够垂直打到光纤束的端面上。

光纤束包括多根光纤和合束器，多根光纤汇集到合束器中，实现一束激光分为多束激光。可分束的范围是1-1024，优选是64束，作用是为了将脉冲激光器打出来的光均匀的分为多份，多束光同时进行照射，实现大面积均匀的光声成像。光纤的数值孔径为0.22，光纤纤芯采用纯石英材料，直径为200μm，折射率为1.448，光纤包层采用掺杂氟的石英材料，直径为220μm，折射率为1.431，用于将激光器打出的脉冲激光均匀的分成64份，实现激光大面积照射成像。光纤的端部为插针体，是光纤束的64个分束端，每个插针体是由直径2mm的金属环以及两个内嵌的直径分别为1mm和0.5mm的金属环制成的圆柱体。

柔性探测器包括柔性基底和多个阵元。柔性基底形状可控，可以和因人体差异而造成的不同形状、不同大小的乳房实现最大程度的贴合，材料为环氧树脂。阵元数目为128(双排每排64阵元)，阵元大小为5×2mm，阵元间距为5.0mm，中心频率为10MHz，相对带宽>60％，灵敏度一致性±3dB。柔性基底上设有排列成行的耦合圆柱孔，直径为2mm，与插针体配合，从而激光束可穿过柔性基底照射到乳房上。柔性探测器为多元探测器，作用是将接收的超声波转换成电信号并传导到数据采集-图像重建组件。由于其形状可控性，可以紧密贴合到塑胶乳房固定杯上，接收不同结构的待测乳房因光声效应产生的光声信号。

数据采集-图像重建组件用于将阵元探测到的光声信号进行图像重建，得到反映被测乳房光吸收差异的光声图像，包括前置放大器、数据采集卡、数据处理卡、图像重建软件和计算机五个部分。多元柔性探测器将接收到的光声信号转换为电信号。该电信号的全部通道经过前置放大器放大，然后通过数据采集卡和数据处理卡输入计算机并储存。选用滤波反投影算法重建出光吸收差异的分布图。

在安装柔性探测器前，先将乳房套上塑胶乳房固定杯。塑胶乳房固定杯作用是固定待测乳房，使其在测量的时候保持静止。所用材料必须无毒，具有良好的粘性，透明度，加工成型性能极佳，能够按照设计者的意图进行任意形状的设计。在此为和人体乳房结构相匹配，需设计成椭球形，并能随着挤压而变形，可以和因人体差异而造成的不同形状、不同大小的待测乳房无间隙地贴在一起而没有压迫感。所用材料优选为聚苯乙烯(ps)塑料。

一种基于上述装置的基于光纤分束和柔性探测器的一体化光声乳腺成像检测方法，包括以下步骤：

1.在待测乳房上涂一层耦合液后置于塑胶乳房固定杯中，轻轻挤压塑胶乳房固定杯至杯中无空气。

2.在塑胶乳房固定杯外涂一层耦合液，将柔性探测器紧密贴合到其表面，并将柔性探测器的两端用扎带固定。

3，开启脉冲激光器产生脉冲激光，将经过准直器后的激光打到光纤束的光纤端面上，光纤束将激光分束后，分束的激光通过柔性探测器上直径2mm的耦合圆柱孔照射到位于塑胶乳房固定杯中的待测乳房上。视情况而定可以进行多次平均；改变激光能量，重复上述步骤。

4，待测乳房利用光声效应激发产生超声波信号；超声波信号经耦合液传输到柔性探测器上，在柔性探测器上转换为电信号传入数据采集-图像重建装置，重建待测乳房光吸收差异分布图。

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 (10)

1.基于光纤分束和柔性探测器的一体化光声乳腺成像检测装置，包括探测器，其特征在于：还包括光纤束，光纤束将一束激光分为多束激光；

探测器为柔性探测器；柔性探测器包括：

-可弯曲变形但不可拉伸变形的贴合乳房表面形状的片状的柔性基底，

-多个均匀分布在柔性基底上的接收乳腺反射的超声信号的阵元；

光纤束的与多束激光对应的多个端部与柔性基底耦合，且在柔性基底上均匀分布，从而激光可穿过柔性基底照射到乳房上。

2.按照权利要求1所述的基于光纤分束和柔性探测器的一体化光声乳腺成像检测装置，其特征在于：所述光纤束包括多根光纤和合束器，多根光纤的一端汇集于合束器中，每根光纤的另一端设有插针体；柔性基底上设有耦合圆柱孔，插针体插入耦合圆柱孔中。

3.按照权利要求2所述的基于光纤分束和柔性探测器的一体化光声乳腺成像检测装置，其特征在于：所述柔性基底为条形，阵元在柔性基底上沿着柔性基底的长度方向排列成行，耦合圆柱孔在柔性基底上沿着柔性基底的长度方向排列成行，阵元和耦合圆柱孔一一间隔设置。

4.按照权利要求1所述的基于光纤分束和柔性探测器的一体化光声乳腺成像检测装置，其特征在于：还包括：

-发射脉冲激光的脉冲激光器，

-使脉冲激光器发射的激光准直的进入光纤束的准直器，

-与柔性探测器的阵元相接的数据采集-图像重建组件。

5.按照权利要求1所述的基于光纤分束和柔性探测器的一体化光声乳腺成像检测装置，其特征在于：所述光纤的数量为小于等于1024束，每根光纤的直径大小均相同。

6.按照权利要求2所述的基于光纤分束和柔性探测器的一体化光声乳腺成像检测装置，其特征在于：由多根光纤合束后的光纤的横截面为圆形。

7.按照权利要求2所述的基于光纤分束和柔性探测器的一体化光声乳腺成像检测装置，其特征在于：所述柔性基底为条形，阵元在柔性基底上排列成两行多列，耦合圆柱孔在柔性基底上沿着柔性基底的长度方向排列成行，每两列阵元之间布置有一个耦合圆柱孔，该耦合圆柱孔正对相邻的同列两个阵元之间的位置。

8.基于光纤分束和柔性探测器的一体化光声乳腺成像检测装置的光声乳腺成像检测方法，采用权利要求1-7中任一项所述的基于光纤分束和柔性探测器的一体化光声乳腺成像检测装置，其特征在于：将柔性探测器紧贴乳房，激光被光纤束均匀分成多份，各份激光环绕乳房多点照射，各阵元环绕乳房多点接收超声信号，由此实现乳腺的光声成像检测。

9.按照权利要求8所述的基于光纤分束和柔性探测器的一体化光声乳腺成像检测装置的光声乳腺成像检测方法，其特征在于：柔性探测器绕成环形的方式环绕、紧贴乳房，柔性探测器的两端用扎带固定。

10.按照权利要求8所述的基于光纤分束和柔性探测器的一体化光声乳腺成像检测装置的光声乳腺成像检测方法，其特征在于：安装柔性探测器前，先在乳房上套上塑胶乳房固定杯，用于辅助固定乳房的形状，才将柔性探测器紧贴塑胶乳房固定杯。