CN109620162A - 一种基于贝塞尔光束扩展焦深的光声内窥镜装置及成像方法 - Google Patents

一种基于贝塞尔光束扩展焦深的光声内窥镜装置及成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于贝塞尔光束扩展焦深的光声内窥装置及成像方法，置包括套管、光声激发系统，贝赛尔光束变换系统，超声信号采集系统，扫描控制系统，图像重建及显示系统；所述光声激发系统包括：脉冲激光器、单模光纤、准直器、光纤耦合器；所述贝赛尔光变换系统包括：轴锥镜、短焦平凸透镜、长焦平凸透镜；所述超声信号采集系统包括：中空聚焦超声换能器，信号采集电路，采集信号线；所述扫描控制系统包括：反光镜、光声透过成像窗口、步进电机、驱动控制电路和控制信号线。本发明首次将贝赛尔光束应用于光声内窥，可以很好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。可广泛应用于工业探伤、医学影像等领域。

Description

一种基于贝塞尔光束扩展焦深的光声内窥镜装置及成像方法
技术领域
本发明涉及光声内窥的研究领域，特别涉及一种基于贝塞尔光束扩展焦深的光声内窥镜装置及成像方法。
背景技术
光声成像技术是指当脉冲激光照射到生物的组织中时，组织中的光吸收区域将产生超声信号，我们称这种由光激发产生的超声信号为光声信号。生物组织中的光吸收介质快速升温膨胀产生的光声信号携带了组织的光吸收特征信息，通过探测光声信号能重建出组织中的光吸收分布图像。光声成像既具有纯光学组织成像中的高选择特性同时具有纯超声组织成像中的深穿透特性的两个优点，通过光声成像可得到高分辨率和高对比度的组织图像。目前光声成像技术已经应用到内窥成像领域。
光声内窥成像过程中只有在焦点或者近焦很小的区域内才能实现高分辨率成像，但高斯光束其聚焦光斑的焦长极小，偏离焦点时光束快速发散，且内窥镜探头的位置偏离且检测的样品自身存在不规则性和非对称性，使得固定焦距的高斯光束其焦点无法准确的定位在组织上，因为在焦点处其分辨率最高，偏离焦点致使分辨率降低，严重影响成像的分辨率，致使成像灵敏度不高；同时由于内窥镜探头的位置偏离和检测的样品自身存在不规则性和非对称性，造成组织体受到大的光照能量分布不均匀，造成光声内窥成像的信噪比不一致，使得光声内窥技术的实际应用受到限制。
除此之外，为了解决光声内窥镜环形扫描时焦点漂移的问题现有技术多采用液态透镜进行动态调焦的方式进行光声内窥成像，该种方法采用调节控制液态透镜的曲率，实现液态透镜焦距的改变的方式，其需要不断重复扫描，通过编程选择最优点，再反馈给液态透镜进行曲率调节，成像效果受到算法一定的限制，突出问题为径向扫描速度太慢而无法实现实时成像。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种基于贝塞尔光束扩展焦深的光声内窥镜装置，因贝赛尔光束在传播方向上具有无衍射，焦长较长，中心光斑极小的特点，将其应用于内壁不平整的内窥检测，能够在一个较大的范围内保持高分辨率，使分辨率更加均匀，提高了检测的灵敏度。
本发明的另一目的在于提供运用上述内窥镜装置的成像方法，本发明首次将扩展焦深的贝赛尔光束应用到光声内窥领域。解决了扫描过程中因位置偏差使焦点没有准确打在检测样品上而造成的分辨率降低问题，实现了光声内窥检测的动态成像，保证了所呈图像的分辨率和对比度处于较高水平。
为了达到上述第一目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于贝塞尔光束扩展焦深的光声内窥镜装置，包括套管、光声激发系统、贝赛尔光变换系统、超声信号采集系统、扫描控制系统和图像重建及显示系统；所述套管内依次设置光路连接的光声激发系统、贝赛尔光变换系统、扫描控制系统；套管分别连接超声信号采集系统、图像重建及显示系统；
所述光声激发系统包括：脉冲激光器、单模光纤、光纤准直器和光纤耦合器，所述单模光纤通过标准光纤连接头分别与光纤耦合器和光纤准直器相连，脉冲激光器通过基座固定于套管内部，所述脉冲激光器经过单模光纤，连接到光纤准直器后输出平行光束；
所述贝赛尔光变换系统包括：轴锥镜、短焦平凸透镜和长焦平凸透镜，所述轴锥镜、短焦平凸透镜和长焦平凸透镜依次同轴固定于基座上，安装于套管内，所述短焦平凸透镜焦距大于远轴锥镜的长焦平凸透镜，两平凸透镜的平面相对放置，短焦平凸透镜的前焦点在轴锥镜做产生的贝赛尔光束焦点，长焦平凸透镜其前焦点在短焦平凸透镜的后焦点上；
所述超声信号采集系统包括：中空聚焦超声换能器、信号采集电路和采集信号线，所述中空聚焦超声换能器通过采集信号线沿着套管内侧凹槽引出，与信号采集电路相连；
所述扫描控制系统包括：反光镜、光声透过成像窗口、步进电机、旋转电机、驱动控制电路和控制信号线，所述驱动控制电路通过控制信号线与步进电机和旋转电机连接，所述步进电机、反光镜同轴固定于基座上，安装于套管内；所述中控聚焦超声换能器固定于光声透过成像窗口上，所述光声透过成像窗口位于套管上；
所述图像重建及显示系统包括：计算机，所述计算机分别与驱动控制电路、脉冲激光器、信号采集电路连接。
作为优选的技术方案，所述脉冲激光器的输出波长为532nm，激光器的重复频率为8kHz，输出能量为3μJ。
作为优选的技术方案，自光纤准直器出射的光束直径为1-3mm。
作为优选的技术方案，所述轴锥镜采用圆柱透镜或者自聚焦透镜，将其一端研磨成一定角度圆锥状，一端为平面；
所述轴锥镜长为2mm，直径3mm，其一端面上研磨的锥角为10°，焦深1-20mm。
作为优选的技术方案，产生贝赛尔光束经过反射面与中空聚焦超声换能器的中心轴成45°角的反光镜，经过中空超声换能器中间透镜，于套管上的光声透过成像窗口出射。
作为优选的技术方案，所述短焦平凸透镜厚度0.5mm，直径2mm，圆锥半径1.5mm，焦距2.8mm；所述长焦平凸透镜厚度0.5mm，直径2mm，圆锥半径2mm，焦距3.8mm。
作为优选的技术方案，所述反光镜为45°的反射面，采用棱柱形反光镜固定于套管顶端的凹槽内，位于光声透过成像窗口的正下方。
作为优选的技术方案，所述驱动控制电路设置有步进电机驱动器和旋转电机驱动器；驱动控制电路自计算机接受脉冲信号，通过步进电机驱动器驱动系统前后移动，通过控制旋转电机驱动器控制系统旋转一圈，完成一次360°扫描。
作为优选的技术方案，所述单模光纤、准直器、轴锥镜、短焦平凸透镜、长焦平凸透镜、反光镜依次同轴固定于基座上。
为了达到上述第二目的，本发明采用以下技术方案：
基于贝塞尔光束扩展焦深的光声内窥镜装置的成像方法，包括下述步骤：
(1)激发：脉冲激光通过光纤耦合器入射到单模光纤中，经光纤准直器后产生平行出射激光，平行激光束经过光学窗口入射轴锥镜，产生贝赛尔光束，经过两平凸透镜组成的望远镜系统实现焦距的延长后，入射反光镜实现90°反射的贝赛尔光束穿过固定于光声透过成像窗口的中空聚焦超声换能器，打到肠内壁上激发出光声信号；
(2)数据采集：肠内壁被激发产生的光声信号被中空聚焦超声换能器所探测，然后通过采集信号线将信号传递到数据采集卡，由信号采集电路上的AC/DC转换模块进行信号转换，最后将信号传输储到计算机中；
(3)内窥扫描：计算机控制驱动控制电路进而控制旋转电机，旋转电机带动探头轴及其内部组件转动，完成一周360°扫描后，完成一次二维扫描，旋转电机停止同时将数据传输到信号采集电路；计算机控制驱动控制电路使探头前进或者后退一步后停止，旋转电机和步进电机重复上述工作，最终完成三维内窥扫描；
(4)图像重建及显示：计算机将采集到的数据存储并处理，完成光声图像、超声图像的重建工作。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本发明采用轴锥镜生成贝赛尔光束，光能量损失较小，得到焦长较长的贝赛尔光束，加之双平凸透镜组成的望远镜系统，进一步扩展焦距，实现贝赛尔光束的无衍射范围更多的利用于照射检测样品，保证了检测图像的高对比度和检测的高灵敏度。
(2)本发明采用贝赛尔光束作为扫描光源，避免了由于消化道系统的内壁不规则造成的位置偏差致使分辨率下降和分辨率不均匀的问题，拉长了焦深，使的在一定的焦深范围内始终保持高分辨率，保证了内窥扫描时高分辨率和均匀性。
(3)本发明采用长焦深的贝赛尔光束照射，其无衍射范围完全适用于内窥检测深度，进行一次环扫成像时间短，检测速度快，可实时扫描成像。
(4)本发明提供的扩展焦深的贝赛尔光声内窥成像系统及方法的结构简单，体积小，操作灵活，对于直径较小且内壁不规则、结构不对称的消化道系统的检测，扫描灵敏度高，成像分辨率高，对比度高。
附图说明
图1是本发明内窥镜装置的结构示意图。
图2是套管的内部结构图。
图3是本发明内窥镜装置的原理图示意图。
图4为高斯光束得到的钨丝光声成像图。
图5为使用基于贝塞尔光束的成像系统的钨丝光声成像图。
附图标号说明：1-计算机，2-驱动控制电路，3-脉冲激光器，4-信号采集电路，5-套管，6-控制信号线，7-单模光纤，8-采集信号线，9-光声透过成像窗口，10-中空聚焦超声换能器，11-反光镜，12-长焦平凸透镜，13-为短焦平凸透镜，14-轴锥镜，15-光学窗口，16-光纤准直器，17-基座，18-贝赛尔光束。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，本发明的一种基于贝塞尔光束扩展焦深的光声内窥镜装置，包括：套管5、光声激发系统，贝赛尔光变换系统、超声信号采集系统、扫描控制系统、图像重建及显示系统；所述套管内设置有依次光路连接光声激发系统、贝赛尔光变换系统、扫描控制系统；套管分别连接超声信号采集系统、图像重建及显示系统。
如图2所示，所述光声激发系统包括：脉冲激光器3、单模光纤7、光纤准直器16；所述单模光纤7通过标准光纤连接头分别与脉冲激光器的耦合器和光纤准直器相连，脉冲激光器通过基座17固定于套管5内部，所述脉冲激光器经过单模光纤，连接到光纤准直器后输出平行光束脉冲激光器采用的是输出波长为532nm；本实施例中，所述脉冲激光器的重复频率8kHz，输出能量3μJ。
所述脉冲激光器经过单模光纤，连接到光纤准直器后输出平行光束，自光纤准直器出射的光束直径为2mm。
所述贝赛尔光束变换系统包括：轴锥镜14、短焦平凸透镜13、长焦平凸透镜12；所述轴锥镜、短焦平凸透镜和长焦平凸透镜依次同轴固定于基座上，安装于套管内，所述短焦平凸透镜焦距大于远轴锥镜的长焦平凸透镜，两平凸透镜的平面相对放置，短焦平凸透镜的前焦点在轴锥镜做产生的贝赛尔光束18的焦点，长焦平凸透镜其前焦点在短焦平凸透镜的后焦点上；所述轴锥镜采用圆柱透镜或者自聚焦透镜，将其一端研磨成一定角度圆锥状，一端为平面；所述两平凸透镜采用两不同焦距平凸透镜，近轴锥的短焦平凸透镜焦距大于远轴锥镜的长焦平凸透镜。两平凸透镜的位置要求：其平面相对放置，短焦平凸透镜的前焦点在轴锥镜做产生的贝赛尔光束焦点，长焦平凸透镜其前焦点在短焦平凸透镜的后焦点上。
其中，轴锥镜长为2mm，直径3mm，其一端面上研磨的锥角为10°，焦深1-20mm。短焦平凸透镜厚度0.5mm，直径2mm，圆锥半径1.5mm，焦距2.8mm，所述长焦平凸透镜厚度0.5mm，直径2mm，圆锥半径2mm，焦距3.8mm。
所述超声信号采集系统包括中空聚焦超声换能器10、信号采集电路4和采集信号线8，所述中空聚焦超声换能器通过采集信号线沿着套管内侧凹槽引出，与信号采集电路相连；所述中空聚焦超声换能器由衬底圆柱透镜和环扣衬底透镜一周的声敏阵元构成。该中空聚焦超声换能器通过树脂胶水固定在套管侧壁的透光窗口上。
所述扫描控制系统包括扫描控制系统包括反光镜11、光声透过成像窗口9、驱动控制电路2、控制信号线6、步进电机、旋转电机；反光镜为45°的反射面，采用棱柱形反光镜固定于套管顶端的凹槽内，位于透光窗口的正下方；步进电机通过控制信号线与驱动和控制电路连接。
所述驱动控制电路设置有步进电机驱动器和旋转电机驱动器；驱动控制电路自计算机接受脉冲信号，通过步进电机驱动器驱动系统前后移动，通过控制旋转电机驱动器控制系统旋转一圈，完成一次360°扫描。
本实施例中，所述步进电机、光纤准直器、轴锥镜、短焦平凸透镜、长焦平凸透镜、反光镜同轴固定在固定基座上。
所述图像重建及显示系统包括计算机1，所述计算机分别与驱动控制电路、脉冲激光器、信号采集电路连接；
本实施例基于贝塞尔光束扩展焦深的光声内窥镜装置的成像方法，包括如下步骤：
(1)将制作的内部插有5根直径30μm钨丝(依次远离中心位置放置)的中空环形琼脂圆柱(内径10mm，外径30mm)样品置于实验平台上，将光声内窥探头自圆柱样品的中空部分插入，启动贝赛尔光声内窥成像系统，脉冲激光器发射532nm的短脉冲激光通过光纤耦合器耦合进直径9μm单模光纤中，进而通过与单模光纤连接的光纤准直器出射平行光；
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3uJ，脉冲宽度为10ns，重复频率最大为8kHz；
(2)从光纤准直器出射的平行高斯光束垂直入射到轴锥镜内，由轴锥镜圆锥端面出射贝赛尔光束；短焦距的平凸透镜和长焦距的平凸透镜组合成望远镜系统，贝赛尔光束入射短焦距透镜光束继续发散，再经过长焦距透镜将光束汇聚出射焦距拉长的贝赛尔光束；
(3)焦距被拉长的贝赛尔光束入射到反射镜的斜面上，斜面反射后使得贝赛尔光束垂直穿过中空聚焦超声换能器中心的衬底透镜，即穿过透光窗口，贝赛尔光束的无衍射区域自套管中出射，照射在检测样品上，如图3所示；
激光束环形扫描采用以下方法进行：旋转电机带动套管及其内部系统旋转一个角度，角度范围为0.225～1.8°，激光照射到组织上产生的声信号反射回来，被中空环形超声传感器接收，完成一次信号采集；
(4)肠内壁的组织被激发产生的光声信号被中空聚焦超声换能器所探测，然后通过采集信号线将信号传递到信号采集电路，由信号采集电路上的AC/DC转换模块进行信号转换，最后将信号传输储到计算机中；
(5)计算机传输脉冲信号到驱动控制电路，通过在控制旋转电机驱动系统，旋转电机带动套管及其内部系统旋转一周，实现贝赛尔光束环形扫描，通过控制步进电机驱动系统使步进电机带动套管及内部系统前进。扫描所得数据通过信号采集电路输送给计算机。
(6)计算机通过编程重建光声信号图像，将多个不同深度扫描的光声信号图像通过算法叠加，得到高分辨率和高对比度的光声图像.
(7)快速重复步骤(5)和(6)，得到多幅环图像数据。将多张光声图像叠加得到三维图像。
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为高斯光束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成像质量好，远离中心点的钨丝成像质量差低；图5为使用基于贝塞尔光束的成像系统的钨丝光声成像，从图中可以看出5根钨丝的对比度均匀，比图4的成像质量高。
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)

1.一种基于贝塞尔光束扩展焦深的光声内窥镜装置，其特征在于：包括套管、光声激发系统、贝赛尔光变换系统、超声信号采集系统、扫描控制系统和图像重建及显示系统；所述套管内依次设置光路连接的光声激发系统、贝赛尔光变换系统、扫描控制系统；套管分别连接超声信号采集系统、图像重建及显示系统；
所述光声激发系统包括：脉冲激光器、单模光纤、光纤准直器和光纤耦合器，所述单模光纤通过标准光纤连接头分别与光纤耦合器和光纤准直器相连，脉冲激光器通过基座固定于套管内部，所述脉冲激光器经过单模光纤，连接到光纤准直器后输出平行光束；
所述贝赛尔光变换系统包括：轴锥镜、短焦平凸透镜和长焦平凸透镜，所述轴锥镜、短焦平凸透镜和长焦平凸透镜依次同轴固定于基座上，安装于套管内，所述短焦平凸透镜焦距大于远轴锥镜的长焦平凸透镜，两平凸透镜的平面相对放置，短焦平凸透镜的前焦点在轴锥镜做产生的贝赛尔光束焦点，长焦平凸透镜其前焦点在短焦平凸透镜的后焦点上；
所述超声信号采集系统包括：中空聚焦超声换能器、信号采集电路和采集信号线，所述中空聚焦超声换能器通过采集信号线沿着套管内侧凹槽引出，与信号采集电路相连；
所述扫描控制系统包括：反光镜、光声透过成像窗口、步进电机、旋转电机、驱动控制电路和控制信号线，所述驱动控制电路通过控制信号线与步进电机和旋转电机连接，所述步进电机、反光镜同轴固定于基座上，安装于套管内；所述中控聚焦超声换能器固定于光声透过成像窗口上，所述光声透过成像窗口位于套管上；
所述图像重建及显示系统包括：计算机，所述计算机分别与驱动控制电路、脉冲激光器、信号采集电路连接。
2.根据权利要求1所述基于贝塞尔光束扩展焦深的光声内窥镜装置，其特征在于：所述脉冲激光器的输出波长为532nm，激光器的重复频率为8kHz，输出能量为3μJ。
3.根据权利要求1所述基于贝塞尔光束扩展焦深的光声内窥镜装置，其特征在于：自光纤准直器出射的光束直径为1-3mm。
4.根据权利要求1所述基于贝塞尔光束扩展焦深的光声内窥镜装置，其特征在于：所述轴锥镜采用圆柱透镜或者自聚焦透镜，将其一端研磨成一定角度圆锥状，一端为平面；
所述轴锥镜长为2mm，直径3mm，其一端面上研磨的锥角为10°，焦深1-20mm。
5.根据权利要求1所述基于贝塞尔光束扩展焦深的光声内窥镜装置，其特征在于：产生贝赛尔光束经过反射面与中空聚焦超声换能器的中心轴成45°角的反光镜，经过中空超声换能器中间透镜，于套管上的光声透过成像窗口出射。
6.根据权利要求1或4所述基于贝塞尔光束扩展焦深的光声内窥镜装置，其特征在于：所述短焦平凸透镜厚度0.5mm，直径2mm，圆锥半径1.5mm，焦距2.8mm；所述长焦平凸透镜厚度0.5mm，直径2mm，圆锥半径2mm，焦距3.8mm。
7.根据权利要求1所述基于贝塞尔光束扩展焦深的光声内窥镜装置，其特征在于：所述反光镜为45°的反射面，采用棱柱形反光镜固定于套管顶端的凹槽内，位于光声透过成像窗口的正下方。
8.根据权利要求1所述基于贝塞尔光束扩展焦深的光声内窥镜装置，其特征在于：所述驱动控制电路设置有步进电机驱动器和旋转电机驱动器；驱动控制电路自计算机接受脉冲信号，通过步进电机驱动器驱动系统前后移动，通过控制旋转电机驱动器控制系统旋转一圈，完成一次360°扫描。
9.根据权利要求1所述基于贝塞尔光束扩展焦深的光声内窥镜装置，其特征在于：所述单模光纤、准直器、轴锥镜、短焦平凸透镜、长焦平凸透镜、反光镜依次同轴固定于基座上。
10.根据权利要求1-9中任一项所述基于贝塞尔光束扩展焦深的光声内窥镜装置的成像方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)激发：脉冲激光通过光纤耦合器入射到单模光纤中，经光纤准直器后产生平行出射激光，平行激光束经过光学窗口入射轴锥镜，产生贝赛尔光束，经过两平凸透镜组成的望远镜系统实现焦距的延长后，入射反光镜实现90°反射的贝赛尔光束穿过固定于光声透过成像窗口的中空聚焦超声换能器，打到肠内壁上激发出光声信号；
(2)数据采集：肠内壁被激发产生的光声信号被中空聚焦超声换能器所探测，然后通过采集信号线将信号传递到数据采集卡，由信号采集电路上的AC/DC转换模块进行信号转换，最后将信号传输储到计算机中；
(3)内窥扫描：计算机控制驱动控制电路进而控制旋转电机，旋转电机带动探头轴及其内部组件转动，完成一周360°扫描后，完成一次二维扫描，旋转电机停止同时将数据传输到信号采集电路；计算机控制驱动控制电路使探头前进或者后退一步后停止，旋转电机和步进电机重复上述工作，最终完成三维内窥扫描；
(4)图像重建及显示：计算机将采集到的数据存储并处理，完成光声图像、超声图像的重建工作。
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