CN112493997B - 一种光声内窥成像装置及基于该装置的光声内窥成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗器械的技术领域，公开了一种光声内窥成像装置及基于该装置的光声内窥成像方法，包括第一壳体、离轴反射镜、超声换能器、支撑件和光纤；所述支撑件设于所述第一壳体的第一端，所述离轴反射镜设于所述第一壳体的第二端，所述第一壳体的壁面上开设有信号窗；所述光纤安装于所述支撑件；所述支撑件设有换能器安装槽，所述超声换能器设于所述换能器安装槽。本发明利用反射式聚焦成像系统无色差的天然优势，解决了不同波长下光束焦点发生偏移的问题，提高了光声成像的分辨率，进而能够获得更加准确的功能信息解算结果；该装置将光束的反射及聚焦功能集成在一个元件中实现，能够显著缩小探头前端的尺寸，提升成像导管的运动姿态灵活性。

Description

一种光声内窥成像装置及基于该装置的光声内窥成像方法

技术领域

本发明专利涉及医疗器械的技术领域，具体而言，涉及一种光声内窥成像装置及基于该装置的光声内窥成像方法。

背景技术

我国肿瘤发病率近年来持续增高，早期发现与治疗能够显著程度提高患者的生存率。内窥镜以其检查操作无创的特点，是实现肿瘤诊断的常见光学仪器。光声成像(Photoacoustic Imaging,PAI)是近年来发展起来的一种非入侵式和非电离式的新型生物医学成像方法。

光声成像的基本原理：当脉冲激光照射到生物组织中时，生物组织的光吸收域将产生超声信号，这种由光激发产生的超声信号即为光声信号。生物组织产生的光声信号携带了组织的光吸收特征信息，通过探测器接收光声信号就可重建出生物组织的光吸收分布图像。

光声成像过程可以分为三个部分：信号的产生、信号的接收和信号处理及图像重建。

(1)信号的产生：光声信号的产生过程就是“光能”——“热能”——“机械能”的转化过程，由于脉冲激光器具有光声转换效率高的优点，因此通常会选择合适波长的激光作为激发源，并使吸收的光子的能量转化为热能的效率达到90％以上。脉冲激光器发出的激光束照射在待检测生物组织上，由于生物组织的吸收效应，在生物组织内部形成了与组织光学参数相关的能量沉积分布。由于激光脉宽很窄(ns)吸收的能量不能在短时间内释放，导致瞬间温度变化，从而通过热弹机制转化为热膨胀。周期性热流使周围的介质热胀冷缩而激发超声波，由于这种超声波信号的特殊产生机理，为了区别于其它的超声信号，通常称为光声信号。

(2)信号的接收和处理：利用超声探测器接收光声信号并对采集到的信号进行适当地处理。

(3)图像重建：采用相应的图像重建算法，就能够得到生物组织内部光能量沉积的分布。当保证入射光的均匀性的前提下，光声重建图像与生物组织内部光吸收分布具有一一对应的关系。

光声成像结合了纯光学组织成像中高选择特性和纯超声组织成像中深穿透特性的优点，可得到高分辨率和高对比度的生物组织图像，不仅弥补传统超声成像技术分辨率及对比度不足的缺点，而且改善了纯光学成像中散射效应对成像深度造成的不利影响(突破了高分辨率光学成像深度“软极限”(～1mm)，可实现50mm的深层活体内组织成像)，因此可以在较深的范围内实现高分辨、高对比度成像。该技术与消化内镜结合为实现肿瘤高灵敏早期诊断提供了新的诊疗模式，展现其巨大应用潜力。

根据光声信号的类型，可以将光声成像技术划分为经典光声成像技术与非线性光声成像技术，经典光声成像技术是以单个纳秒激光脉冲照射生物组织产生的光声信号实现成像，非线性光声成像技术是以两个纳秒激光脉冲先后照射生物组织相同区域产生的光声信号实现成像。

非线性光声成像技术在近年来获得了非常广泛的应用，原因在于其分辨率相比经典光声成像技术获得了显著的提升，因此可以获得更加清晰的图像。当选择多个波长激发样品产生光声效应实现功能成像时，不同波长的光束在空间中聚焦位置的一致性，是影响分辨率的主要因素。并且，通常情况下，实现多波长功能成像首先需要将每个波长的光束照射在生物组织中相同的区域，然后对原始数据进行解算才能够获取功能参数信息。因此，不同波长的光束在空间中聚焦位置的一致性，成为影响功能参数解算准确性的主要因素。目前，在光声内窥成像系统中实现光束聚焦的元件为透镜，光学成像的物理机制表明，透镜元件的色差会导致焦点位置随波长发生变化，导致成像的分辨率下降，进而降低了功能信息的解析精度。由此可知，透镜聚焦方案存在的固有缺陷，对非线性光声成像技术在生物医学的应用构成了极大阻碍。

除此以外，为满足光声内窥的侧视成像应用需求，需要在光学系统中使用反射元件，将光束的主要传播方向由轴向转变为径向。现有成像系统的光路形式是以平面反射镜作为光束的反射元件，与透镜安装在探头前端的不同位置，透镜与平面反射镜的分离式安装使得每个元件分别占据一定空间长度，导致探头前端尺寸难以进一步缩短，限制了成像探头前端的自由运动范围，对光声内窥技术的在生物医学中的应用构成了阻碍。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光声内窥成像装置及基于该装置的光声内窥成像方法，旨在解决现有技术中，采用透镜聚焦光束的焦点位置随波长变化的固有缺陷的问题。

本发明是这样实现的，一种光声内窥成像装置，包括第一壳体、离轴反射镜、超声换能器、支撑件和光纤；

所述支撑件设于所述第一壳体的第一端，所述离轴反射镜设于所述第一壳体的第二端，所述第一壳体的壁面上开设有信号窗；

所述光纤安装于所述支撑件；所述支撑件设有换能器安装槽，所述超声换能器设于所述换能器安装槽。

进一步的，所述第一壳体的第一端连接有扭矩弹簧。

进一步的，还包括第二壳体，所述第一壳体设于所述第二壳体内部。

进一步的，所述光纤的前端安装于所述支撑件中心区域的贯通孔中，所述光纤的后端通过填充物固定于所述支撑件。

进一步的，所述支撑件设有定位凸起，所述第一壳体内具有限位凸起，所述定位凸起与所述限位凸起的配合用于实现所述支撑件的安装定位。

进一步的，所述第一壳体的第二端设有离轴反射镜安装槽，所述离轴反射镜上设有定位柱，所述定位柱安装于所述离轴反射镜安装槽。

进一步的，所述离轴反射镜的反射面为空间曲面。

进一步的，所述空间曲面为球面或非球面。

基于光声内窥成像装置的光声内窥成像方法，包括以下步骤：

(1)光声内窥成像装置设于一根导管内，插入待检测腔体内；

(2)激光光束沿所述光纤传输，在所述光纤的端部产生入射光束，所述入射光束经所述离轴反射镜的反射，穿过所述信号窗，汇聚至待检测部位，激发待检测部位产生光声信号；

(3)所述超声换能器接收所述光声信号，经信号放大器放大后采集，采集的数据传输至数据采集卡；

(4)对采集的数据进行处理，获得待检测部位的光声图像。

进一步地，通过转动或移动所述光声内窥成像装置中的扭矩弹簧带动所述第一壳体及其内部的元件运动，实现对待检测部位所在区域的扫描成像。

与现有技术相比，本发明提供的一种光声内窥成像装置，利用反射式聚焦成像系统无色差的天然优势，解决了不同波长下光束焦点发生偏移的问题，提高了光声成像的分辨率，进而能够获得更加准确的功能信息解算结果；同时，该装置将光束的反射及聚焦功能集成在一个元件中实现，能够显著缩小探头前端的尺寸，提升成像导管的运动姿态灵活性，有利于拓展光声内窥成像技术的应用领域。

附图说明

图1是本发明提供的一种光声内窥成像导管的剖面示意图；

图2是本发明提供的一种光声内窥成像导管的支撑件的立体示意图；

图3是本发明提供的一种光声内窥成像导管的支撑件的剖面示意图；

图4是本发明提供的一种光声内窥成像导管的第一壳体的俯视图；

图5是本发明提供的一种光声内窥成像导管的第一壳体的剖面示意图。

附图标记说明：

1-填充物，2-超声换能器，3-反射光束，4-离轴反射镜，5-第一壳体，501-限位凸起，502-离轴反射镜安装槽，503-信号窗，6-入射光束，7-支撑件，701-换能器安装槽，702-定位凸起，8-光纤，9-扭矩弹簧，10-第二壳体，11-焦点，12-定位柱。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。

本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参照图1-5所示，为本发明提供的较佳实施例。

一种光声内窥成像装置，包括第一壳体5、离轴反射镜4、超声换能器2、支撑件7和光纤8；

支撑件7设于第一壳体5的第一端，用于承载超声换能器2和光纤8；

离轴反射镜4设于第一壳体5的第二端，第一壳体5的壁面上开设有信号窗503，离轴反射镜4将光束反射后，穿过信号窗503，汇聚形成焦点11；

光纤8安装于所述支撑件7，光纤8用于传导光束能量；支撑件7设有换能器安装槽701，超声换能器2设于所述换能器安装槽701，超声换能器2用于接收光声信号。

第一壳体5用于封装离轴反射镜4、超声换能器2、支撑件7和光纤8。

本实施例提供的一种光声内窥成像装置，利用反射式聚焦成像系统无色差的天然优势，解决了不同波长下光束焦点发生偏移的问题，提高了光声成像的分辨率，进而能够获得更加准确的功能信息解算结果；同时，该装置将光束的反射及聚焦功能集成在一个元件中实现，能够显著缩小探头前端的尺寸，提升成像导管的运动姿态灵活性，有利于拓展光声内窥成像技术的应用领域。

如附图1所示，一种光声内窥成像装置，包括第一壳体5、离轴反射镜4、超声换能器2、支撑件7、光纤8和第二壳体10。

第一壳体5设于第二壳体10内，第二壳体10对第一壳体5及其内部元件起到保护作用。第二壳体10整体上可以是圆筒状结构，第二壳体10的前端表面可以是半球面或者其他无棱角的圆润表面，目的是防止有棱角的端部对生物组织等待检测部位造成损伤。第二壳体10由透明高分子材料制成，例如树脂材料，减少第二壳体10对光声信号的衰减。

第一壳体5的第一端连接有扭矩弹簧9，扭矩弹簧9用于提供扭矩，实现第一壳体5的旋转运动及前后移动，扭矩弹簧9的层数为2层，增加了扭矩弹簧的强度，使其不易损坏。

如附图4所示，第一壳体5的壁面上开设有信号窗503。

如附图5所示，第一壳体5用于封装离轴反射镜4、超声换能器2、支撑件7和光纤8，形状为圆柱形，包括第一端、第二端和侧壁，第一端呈开放式，支撑件7及光纤8设于第一端；第二端呈封闭式，离轴反射镜4设于第二端；相距第一端的端部位置一定距离处，在第一壳体5内具有限位凸起501，用于支撑件7的装配定位；在第一壳体5内，第一壳体5的第二端设有离轴反射镜安装槽502，离轴反射镜4的底部设有定位柱12，离轴反射镜4通过定位柱12安装于离轴反射镜安装槽502。

如附图2所示，支撑件7呈圆柱体状，其中心区域具有用于安装光纤8的贯通孔，侧面具有平面状的装配面，支撑件7设于第一壳体5的第一端，用于承载超声换能器2和光纤8。

如附图3所示，支撑件7设有换能器安装槽701，超声换能器2设于所述换能器安装槽701，支撑件7与第一壳体5抵接的是定位凸起702；支撑件7的定位凸起702与第一壳体5内的限位凸起501相互配合，用于实现支撑件7的装配定位。

光纤8的形式为多模光纤或单模光纤，用于传导光束能量，安装于支撑件7中心区域的贯通孔中，光纤8的后端通过填充物1固定于支撑件7，填充物1的材料为紫外固化胶。紫外固化胶，又称UV光固化胶，是一种单组份，不含溶剂，UV和可见光固化的粘接胶和密封胶，它可以用各种广泛的光源固化。

离轴反射镜4设于第一壳体5的第二端，离轴反射镜4将光束反射后，穿过信号窗503，汇聚形成焦点11。

离轴反射镜4的反射面为空间曲面，在空间上可以将入射到反射面上光束反射后汇聚到偏离轴向的某一径向位置。离轴反射镜4的反射面通常为球面或者非球面，球面的反射面较为容易加工，非球面的设计及加工较为复杂。对于成像质量具有严格要求的应用场合，可将离轴反射镜4的反射面加工成非球面，以减小像差。

离轴反射镜4的反射面较佳的实现方案为环形面，根据所需的反射光束焦点尺寸及位置来设计反射面的局部曲率半径、偏离光轴的距离及角度。

本实施例提供的光声内窥成像装置，其工作方式为：光束沿着光纤8进行传输，光纤8在支撑件7内的端部产生入射光束6，入射光束6经过离轴反射镜4的表面实现反射与汇聚，非线性光声信号焦点11区域产生；通过转动并回撤扭矩弹簧9带动第一壳体5及其内部的元件运动，实现光声内窥扫描成像。

在本实施例中，采用以上光声内窥成像装置的光声内窥成像方法，包括以下步骤：

(1)光声内窥成像装置设于一根导管内，插入待检测腔体内；

(2)激光光束沿所述光纤8传输，在所述光纤8的端部产生入射光束6，所述入射光束6经所述离轴反射镜4的反射，穿过所述信号窗503，汇聚至待检测部位，激发待检测部位产生光声信号；

(3)所述超声换能器2接收所述光声信号，经信号放大器放大后采集，采集的数据传输至数据采集卡；

(4)对采集的数据进行处理，获得待检测部位的光声图像。

以上光声内窥成像方法可用于生物医学领域，通常可适用于非线性光声成像。非线性光声成像技术是以两个纳秒激光脉冲先后照射生物组织相同区域产生的光声信号实现成像。非线性光声成像技术相比经典的采用单个纳秒激光脉冲的光声成像技术，图像分辨率获得了显著的提升，因此可以获得更加清晰的图像。

在本实施例中，通过转动或前后移动所述光声内窥成像装置中的扭矩弹簧9带动所述第一壳体5及其内部的元件运动，实现对待检测部位所在区域的扫描成像，可以获得待检测部位所在区域的清晰图像，便于检测人员、医生等做出准确的判断。

本发明提供的一种光声内窥成像装置及基于该装置的光声内窥成像方法，采用离轴反射镜对光束进行汇聚及折转，相比现有的光学透镜汇聚，平面反射镜折转的实现方式，本发明所述内容的有益效果为：1.离轴反射镜对光束进行汇聚时，所有波长的焦点位于空间相同的位置，光学专业术语称为无色差，因此相比存在色差的光学透镜聚焦方式，离轴反射镜聚焦的方式提高了分辨率。2.离轴反射镜能够集成了汇聚与折转两种功能，相比分立安装的光学透镜与平面反射镜，减小了光学系统占据的空间长度，从而缩小了探头的前端尺寸。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种光声内窥成像装置，其特征在于，包括第一壳体、离轴反射镜、超声换能器、支撑件、光纤和第二壳体，所述第一壳体设于所述第二壳体的内部；

所述支撑件设于所述第一壳体的第一端，所述离轴反射镜设于所述第一壳体的第二端，所述第一壳体的壁面上开设有信号窗；

所述光纤安装于所述支撑件；所述支撑件呈圆柱体状，其中心区域具有用于安装光纤的贯通孔，所述支撑件的侧面具有平面状的装配面，所述支撑件的装配面上设有换能器安装槽，所述超声换能器设于所述换能器安装槽；

所述光纤的前端安装于所述支撑件中心区域的贯通孔中，所述光纤的后端通过填充物固定于所述支撑件；所述填充物的材料为紫外固化胶；

所述支撑件设有定位凸起，所述第一壳体内具有限位凸起，所述定位凸起与所述限位凸起的配合用于实现所述支撑件的安装定位；

所述第一壳体的第一端连接有扭矩弹簧；

激光光束沿所述光纤传输，在所述光纤的端部产生入射光束，所述入射光束经所述离轴反射镜的反射，穿过所述信号窗，汇聚至待检测部位，激发待检测部位产生光声信号；所述超声换能器接收所述光声信号，经信号放大器放大后采集，采集的数据传输至数据采集卡；对采集的数据进行处理，获得待检测部位的光声图像；通过转动或移动所述扭矩弹簧带动所述第一壳体及其内部的元件运动，实现对待检测部位所在区域的扫描成像。

2.如权利要求1所述的一种光声内窥成像装置，其特征在于，所述第一壳体的第二端设有离轴反射镜安装槽，所述离轴反射镜上设有定位柱，所述定位柱安装于所述离轴反射镜安装槽。

3.如权利要求1所述的一种光声内窥成像装置，其特征在于，所述离轴反射镜的反射面为空间曲面。

4.如权利要求3所述的一种光声内窥成像装置，其特征在于，所述空间曲面为球面或非球面。

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