CN107822595A - 基于环阵接收的经尿道光声前列腺显像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于环阵接收的经尿道光声前列腺显像方法及装置，装置包括：脉冲激光源激发系统、光纤导管扫描系统、环阵探测器探头系统、信号采集与调理系统、数据处理系统。通过光纤导管将脉冲激光导入尿道中，脉冲激光通过旋转扫描照射到前列腺待测部位，从而激发产生光声信号，利用环阵探测器扫描并行接收全角度的光声信号，接收到的光声信号经过放大、滤波及通过多通道信号采集系统转换为数字信号，经数据处理系统去噪、重建并显示。本发明利用光纤导管经尿道内部全角度、大光斑机械旋转激发，环阵探测器电子扫描并行采集，实现了对前列腺组织全范围、高对比度、高分辨率、快速的成像。

Description

基于环阵接收的经尿道光声前列腺显像方法及装置

技术领域

本发明属于前列腺成像技术领域，具体涉及一种基于环阵接收的经尿道光声前列腺显像方法及装置。

背景技术

光声成像是一种结合了光学成像和超声成像的非侵入式的成像技术，它同时具有光学成像的高对比度、高分辨率和超声成像的高穿透性的特点。光声成像技术是指受短脉冲激光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)。与纯光学成像相比，光声成像深度可达厘米量级；与纯超声成像相比，光声成像拥有更高的对比度。光声成像反映出组织内部光吸收的分布情况，因此它是一种基于光学吸收差异特性反映组织生理病变的功能成像技术。

前列腺为腺机性实质器官，形如栗子。底在上，紧贴膀胱底部；尖向下，坐于尿生殖隔上；深藏在骨盆内，前面贴耻骨联合，后面依直肠，中间穿尿道。正常成人前列腺宽径约4cm，长径约3cm，厚径约2cm。前列腺位置隐蔽，因此不易诊断。

现有临床常用的前列腺显像方法有经直肠超声，但前列腺尿道一侧腺体距直肠内侧壁相距较远，因此成像分辨率较低，可能会影响临床检测的准确性。专利号CN 105167808A提出了一种经尿道的前列腺超声检测方法、诊断仪及换能器，其使用高频微型超声探头经尿道对前列腺进行显像，获得高分辨率图像，但由于超声图像的对比度低，仍然会出现漏诊、误诊。因此光声成像的高对比度有望可以弥补超声成像的不足，专利号CN 106691391 A提出了一种用于前列腺的侧向扫描光声成像方法及装置，该发明经由尿道对前列腺组织进行侧出光辐照，并通过置于直肠内的超声探头对光声信号进行接收，其光纤出射光直接经反射镜射出，虽实现了大光斑照射，但光束发散角较大，因此在前列腺组织中的穿透深度较低，且超声探头置于直肠内接收，因此无法实现对前列腺体的全方位及整个腺体的检测。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于环阵接收的经尿道光声前列腺显像方法及装置，本发明利用光纤导管经尿道内部全角度、大光斑机械旋转激发，环阵探测器电子扫描并行采集，实现了对前列腺组织全范围、高对比度、高分辨率、快速的成像。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：基于环阵接收的经尿道光声前列腺显像方法，步骤是：通过光纤导管将脉冲激光导入尿道中，脉冲激光通过旋转扫描照射到前列腺待测部位，从而激发产生光声信号，利用环阵探测器扫描并行接收全角度的光声信号，接收到的光声信号经过放大、滤波及通过多通道信号采集系统转换为数字信号，经数据处理系统去噪、重建并显示。

具体的，包括以下步骤：

(1)将环阵探测器探头经尿道插入到前列腺待测部位，使环阵探测器处在所述前列腺待测部位所在的横截面上；

(2)将光纤导管从环阵探测器探头的孔道中插入到指定位置，在该位置处光纤导管出射光照射在所述横截面上；

(3)向所述横截面发射脉冲激光，并360度旋转光纤导管；使脉冲激光照射在整个横截面上以产生光声信号；

(4)所述环阵探测器接收光声信号，通过信号采集与调理系统将接收到的光声信号放大、滤波并转换为数字信号传送至数据处理系统；

(5)所述数据处理系统对采集到的光声信号去噪、重建以获得所述前列腺待测部位的横截面信息。

优选的，所述步骤(3)还包括：对所述脉冲激光进行准直扩束。以提高脉冲激光照射在所述前列腺待测部位的光斑大小及穿透深度，降低激光在前列腺组织中的散射，提高成像深度。

优选的，所述步骤(4)中，所述环阵探测器对激发的光声信号360度并行接收，可快速成像。

一种用于实现上述基于环阵接收的经尿道光声前列腺显像方法的装置，包括：

脉冲激光源激发系统，包括脉冲激光器，脉冲激光器发射的脉冲激光进入到光纤导管中；

光纤导管扫描系统，包括光纤导管，光纤导管从环阵探测器探头的孔道中导入，并进行360度旋转扫描前列腺组织，用以激发产生光声信号；

环阵探测器探头系统，包括环阵探测器探头，用以接收光声信号，并将信号发送到信号采集与调理系统；

信号采集与调理系统，对接收到的光声信号进行放大、滤波，并转换为数字信号，将信号发送到数据处理系统；

数据处理系统，对采集到的光声信号去噪及重建，

具体的，所述脉冲激光源激发系统包括脉冲激光器、光纤耦合器、第一多模光纤，脉冲激光器通过光纤耦合器向第一多模光纤中输入脉冲激光。

更进一步的，所述第一多模光纤的芯径为100-300微米，脉冲激光在前列腺组织中的穿透深度达2cm。

具体的，所述光纤导管扫描系统包括光纤滑环、第二多模光纤、旋转装置、扭矩导管、硬性连接头；所述光纤滑环输入端为定子端，输出端为转子端，光纤滑环输入端与脉冲激光源激发系统中第一多模光纤输出端连接，光纤滑环输出端与所述光纤导管扫描系统中第二多模光纤输入端连接；第二多模光纤设置在扭矩导管的管腔内，二者组合成光纤导管；所述旋转装置分别与光纤滑环转子端及所述扭矩导管的始端相连，扭矩导管末端与所述硬性连接头连接，当工作时，旋转装置旋转扭矩导管和光纤滑环，使第二多模光纤与扭矩导管保持同步转动；所述硬性连接头可侧向出光，当工作时，所述硬性连接头360度旋转，脉冲激光照射在整个待测部位横截面上。

更进一步的，所述硬性连接头内设准直透镜、镀膜反射镜，所述准直透镜与所述镀膜反射镜相邻，脉冲激光从第二多模光纤输出端出射后依次经准直透镜、镀膜反射镜照射在前列腺待测部位，准直透镜采用C-Lens。这里所述的C-Lens又称C透镜，是一种厚的球透镜，其入射端为带有倾角(常为8度角)的斜面，出射端为球面，球面曲率半径及透镜折射率均为常数。通过改变光纤头与C透镜入射端面之间的距离可以控制出射光束发散角和光斑大小，从而对光进行准直和扩束。第二多模光纤出射大发散角的脉冲激光，经准直透镜准直为大光斑、小发散角、长准直距离的脉冲激光。

更进一步的，所述扭矩导管外径1-1.2mm，外侧壁标有刻度尺，所述硬性连接头外径与扭矩导管外径相同。

具体的，所述环阵探测器探头系统包括超声环阵换能器、硬管部和柔性软管部，超声环阵换能器中的压电振元沿硬管部的外侧面周向排列成环形阵列，硬管部与柔性软管部相连接；柔性软管部中间的孔道用于插入光纤导管，与硬管部中间的孔道相通，柔性软管部外侧壁标有刻度尺，用于控制插入尿道深度。

具体的，所述信号采集与调理系统包括依次相连的放大器、滤波器、多通道信号采集卡，滤波器为带通滤波器。

具体的，所述数据处理系统还与一显示装置相连，用于显示重建后的图像。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、现有经直肠超声置于直肠中对前列腺进行检查，但前列腺前侧腺体距直肠内侧壁相距较远，为了满足穿透深度，使用的超声换能器主频较低，因此成像分辨率较差。专利号CN 105167808 A提出了一种经尿道的前列腺超声检测方法、诊断仪及换能器，其使用高频微型超声探头经尿道对前列腺进行显像，获得高分辨率图像，但由于超声图像的对比度低，仍然会出现漏诊、误诊。因此光声成像的高对比度有望可以弥补超声成像的不足，本发明利用高频微型光声探头经尿道内部全方位探测，实现了对整个前列腺组织高对比度、高分辨率成像。

2、专利号CN 106691391 A提出了一种用于前列腺的侧向扫描光声成像方法及装置，该发明经由尿道对前列腺组织进行侧出光辐照，并通过置于直肠内的超声探头对光声信号进行接收，其光纤出射光直接经反射镜射出，虽实现了大光斑照射，但光束发散角较大，因此在前列腺组织中的穿透深度较低，且超声探头置于直肠内接收，因此无法实现对前列腺体的全方位及整个腺体的检测。本发明采用C-Lens作为脉冲激光束准直透镜，在确保小尺寸(直径小于1mm)的情况下可获得大光斑、小发散角、长准直距离的脉冲激光，从而保证了深穿透成像。

3、本发明通过旋转光纤导管可实现360度激光扫描激发，得到全方位光声信号，结合准直透镜产生的深穿透成像，同时利用环阵探测器电子扫描并行采集，其相比单阵元换能器的机械环扫，可以大大减少采集时间。即可实现前列腺组织的全范围快速成像。

附图说明

图1是本实施例系统框图。

图2是本实施例中超声环阵换能器及硬管部的结构示意图。

图3是本实施例的原理示意图。

图4是本实施例中离体猪尿道样品的光声图像。

其中，1-硬性连接头，2-超声环阵换能器，3-压电振元，4-硬管部，5-脉冲激光束，6-激发产生的光声信号，7-前列腺组织的横截面，8-环阵探测器探头系统中柔性软管部及光纤导管扫描系统中扭矩导管(柔性软管部的孔道中)，9-环阵探测器探头系统中硬管部和光纤导管扫描系统中硬性连接头(硬管部的孔道中)，10-前列腺。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本实施例基于环阵接收的经尿道光声前列腺显像装置，包括脉冲激光源激发系统、光纤导管扫描系统、环阵探测器探头系统、信号采集与调理系统、数据处理系统、显示设备，脉冲激光源激发系统输出大发散角脉冲激光，通过光纤导管扫描系统准直为大光斑、小发散角、长准直距离的脉冲激光并360度旋转扫描，脉冲激光照射在整个待测部位横截面上，光纤导管通过环阵探测器的孔道中插入，环阵探测器先后与放大器、滤波器、多通道信号采集卡连接，信号采集与调理系统将环阵探测器接收到的光声信号放大、滤波及转换为数字信号，脉冲激光源每发射一次激光脉冲便输出一个同步触发信号给多通道信号采集卡进行信号采集，数据处理系统对采集到的光声信号去除噪声，然后通过重建算法重建为图像并在显示设备显示。下面结合附图对每一个部分的具体结构进行详细说明。

本实施例中，所述的脉冲激光源激发系统包括脉冲激光器、光纤耦合器、第一多模光纤。脉冲激光器通过所述光纤耦合器向第一多模光纤中输入脉冲激光，所述第一多模光纤芯径为100-300微米，所述脉冲激光在前列腺组织中的穿透深度可达2cm。

本实施例中，所述的光纤导管扫描系统包括光纤滑环、第二多模光纤、旋转装置、扭矩导管、硬性连接头1、准直透镜、镀膜反射镜。

所述光纤滑环输入端为定子端，输出端为转子端，光纤滑环输入端与所述脉冲激光源激发系统中第一多模光纤输出端连接，光纤滑环输出端与所述光纤导管扫描系统中第二多模光纤输入端连接，所述旋转装置分别与光纤滑环转子端及所述扭矩导管的始端相连，扭矩导管末端与所述硬性连接头连接，当工作时，旋转装置旋转扭矩导管和光纤滑环，使第二多模光纤与扭矩导管(二者组合称为光纤导管)保持同步转动。

所述扭矩导管管腔内设所述第二多模光纤，所述硬性连接头内设准直透镜、镀膜反射镜，所述准直透镜与所述镀膜反射镜相邻，所述第二多模光纤输出端与准直透镜相邻且有一段空气间距，脉冲激光从所述第二多模光纤输出端出射，经准直透镜、镀膜反射镜照射在所述前列腺待测部位，所述硬性连接头可侧向出光，当工作时，所述硬性连接头360度旋转，脉冲激光束5照射在整个待测部位横截面7上。

所述准直透镜为C-Lens，所述第二多模光纤出射大发散角的脉冲激光，经C-Lens准直为大光斑、小发散角、长准直距离的脉冲激光。

所述扭矩导管外径1mm，外侧壁标有刻度尺，所述硬性连接头外径1mm。

如图2所示，所述的环阵探测器探头系统包括超声环阵换能器2、硬管部4和柔性软管部，超声环阵换能器中的压电振元3沿硬管部的外侧面周向排列成环形阵列。超声环阵换能器是指多个压电振元按360度圆周布置，通过电子扫描形成360度角影像的超声换能器。所述超声环阵换能器为128阵元，阵元间距为0.1微米，所述超声环阵换能器通过电子扫描技术接收由光纤导管扫描系统360度旋转激发的光声信号6。

所述柔性软管部外径4mm，中间有1.2mm的孔道，用于插入光纤导管，所述硬管部外径4mm，中间有1.2mm孔道且与软管部相通，柔性软管部外侧壁标有刻度尺，用于控制插入尿道深度。图3中标号8表示环阵探测器探头系统中柔性软管部及光纤导管扫描系统中扭矩导管组合的简略示意图。标号9表示环阵探测器探头系统中硬管部和光纤导管扫描系统中硬性连接头组合的简略示意图。

本实施例中，所述的信号采集与调理系统包括多通道信号采集卡、放大器、滤波器，所述多通道信号采集卡为128通道信号采集卡，支持128通道并行采集；所述放大器为128通道信号放大器，可实现多级放大且具有时间增益补偿功能；所述滤波器为带通滤波器。本实施例光源激发与光声信号采集在空间上不会影响，保证了光源的完全激发与声信号的完全接收，且实现128通道并行采集，保证了360度角光声信号的同时采集。

本实施例中，所述数据处理系统先对采集到的光声信号去除噪声，然后通过重建算法重建为图像并在显示设备显示。

如图3所示，本实施例基于环阵接收的经尿道光声前列腺显像方法，包括以下步骤：

①将带有刻度的外径4mm的环阵探测器探头经尿道插入到前列腺待测部位，使环阵探测器处在前列腺待测部位所在的横截面上；

②将带有刻度的外径1mm的光纤导管从环阵探测器探头的1.2mm孔道中插入到指定位置，此位置处光纤导管出射光照射在该横截面上；

③向该横截面发射脉冲激光，此脉冲激光经过C-Lens准直扩束为大光斑，长准直距离的光束，并360度旋转光纤导管；使脉冲激光照射在整个横截面上以产生光声信号；

④环阵探测器对激发产生的光声信号360度并行接收，通过信号采集与调理系统将接收到的光声信号放大、滤波并转换为数字信号传送至数据处理系统；

⑤数据处理系统对采集到的光声信号去噪、重建以获得前列腺待测部位的横截面信息。

如图4所示，利用本实施例中的装置对离体猪尿道样品进行光声成像得到的图像。

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.基于环阵接收的经尿道光声前列腺显像方法，其特征在于，步骤是：通过光纤导管将脉冲激光导入尿道中，脉冲激光通过旋转扫描照射到前列腺待测部位，从而激发产生光声信号，利用环阵探测器扫描并行接收全角度的光声信号，接收到的光声信号经过放大、滤波及通过多通道信号采集系统转换为数字信号，经数据处理系统去噪、重建并显示。

2.根据权利要求1所述的基于环阵接收的经尿道光声前列腺显像方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将环阵探测器探头经尿道插入到前列腺待测部位，使环阵探测器处在所述前列腺待测部位所在的横截面上；

(2)将光纤导管从环阵探测器探头的孔道中插入到指定位置，在该位置处光纤导管出射光照射在所述横截面上；

(3)向所述横截面发射脉冲激光，并360度旋转光纤导管；使脉冲激光照射在整个横截面上以产生光声信号；

(4)所述环阵探测器接收光声信号，通过信号采集与调理系统将接收到的光声信号放大、滤波并转换为数字信号传送至数据处理系统；

(5)所述数据处理系统对采集到的光声信号去噪、重建以获得所述前列腺待测部位的横截面信息。

3.根据权利要求2所述的基于环阵接收的经尿道光声前列腺显像方法，其特征在于，所述步骤(3)还包括：对所述脉冲激光进行准直扩束；

所述步骤(4)中，所述环阵探测器对激发的光声信号360度并行接收。

4.一种用于实现权利要求1-3任一项所述的基于环阵接收的经尿道光声前列腺显像方法的装置，其特征在于，包括：

脉冲激光源激发系统，包括脉冲激光器，脉冲激光器发射的脉冲激光进入到光纤导管中；

光纤导管扫描系统，包括光纤导管，光纤导管从环阵探测器探头的孔道中导入，并进行360度旋转扫描前列腺组织，用以激发产生光声信号；

环阵探测器探头系统，包括环阵探测器探头，用以接收光声信号，并将信号发送到信号采集与调理系统；

信号采集与调理系统，对接收到的光声信号进行放大、滤波，并转换为数字信号，将信号发送到数据处理系统；

数据处理系统，对采集到的光声信号去噪及重建。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述脉冲激光源激发系统包括脉冲激光器、光纤耦合器、第一多模光纤，脉冲激光器通过光纤耦合器向第一多模光纤中输入脉冲激光；

所述第一多模光纤的芯径为100-300微米，脉冲激光在前列腺组织中的穿透深度达2cm。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述光纤导管扫描系统包括光纤滑环、第二多模光纤、旋转装置、扭矩导管、硬性连接头；所述光纤滑环输入端为定子端，输出端为转子端，光纤滑环输入端与脉冲激光源激发系统中第一多模光纤输出端连接，光纤滑环输出端与所述光纤导管扫描系统中第二多模光纤输入端连接；第二多模光纤设置在扭矩导管的管腔内，二者组合成光纤导管；所述旋转装置分别与光纤滑环转子端及所述扭矩导管的始端相连，扭矩导管末端与所述硬性连接头连接，当工作时，旋转装置旋转扭矩导管和光纤滑环，使第二多模光纤与扭矩导管保持同步转动；所述硬性连接头可侧向出光，当工作时，所述硬性连接头360度旋转，脉冲激光照射在整个待测部位横截面上。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述硬性连接头内设准直透镜、镀膜反射镜，所述准直透镜与所述镀膜反射镜相邻，脉冲激光从第二多模光纤输出端出射后依次经准直透镜、镀膜反射镜照射在前列腺待测部位，准直透镜采用C-Lens。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述扭矩导管外径1-1.2mm，外侧壁标有刻度尺，所述硬性连接头外径与扭矩导管外径相同。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述环阵探测器探头系统包括超声环阵换能器、硬管部和柔性软管部，超声环阵换能器中的压电振元沿硬管部的外侧面周向排列成环形阵列，硬管部与柔性软管部相连接；柔性软管部中间的孔道用于插入光纤导管，与硬管部中间的孔道相通，柔性软管部外侧壁标有刻度尺，用于控制插入尿道深度。

10.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述信号采集与调理系统包括依次相连的放大器、滤波器、多通道信号采集卡，滤波器为带通滤波器；

所述数据处理系统还与一显示装置相连，用于显示重建后的图像。