CN112545453B - 一种手持式光声成像设备探头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种手持式光声成像设备探头，属于医疗器械技术领域。包括角度调节电机、外部箱体、活动凸透镜载架、固定透镜载架、主动力输入电机、滚珠丝杆副、反射镜、后轴承座、对侧开合反射镜和角度调节齿轮。组成一结构简单，光照方式可调整的低成本、便携式的光声探头。本发明手持式光声成像设备探头出射光斑大小能够调节，光束入射角度可以调节，光照激发和超声接收可以集成在一个设备中，结构紧凑，易于携带。

Description

一种手持式光声成像设备探头
技术领域
本发明涉及一种手持式光声成像设备探头，属于医疗器械技术领域。
背景技术
光声成像是一种结合了光学成像和超声成像优点、非侵入性的生物医学成像技术。一方面，用于在光声成像中重建图像的信号是超声信号，生理组织对超声信号的散射比光散射低2至3个数量级，这可以在深层组织成像时提供更高的空间分辨率。另一方面，与超声成像相比，光声成像结果不仅光学对比度更高，还能提供多种功能信息。这种成像方式由于结合了上述所说的光学成像和超声成像的优点而被广泛应用在生物医学、生物分子学等领域。
目前的光声成像系统根据系统配置和应用领域大致分为三类：PACT(光声计算机断层扫描)，PAM(光声显微成像)和PAE(光声内窥成像)。对于激光激发方面：激光照射方案可以分为单束光照射和双侧光照射。单光束照射一般选择垂直于样品表面以获得最佳光子沉积。对于双侧光照射方式，主要改变三个照射参数以获得不同的激光照射方案：双侧光斑的直径大小(d)、光照射角度(w)、光斑距离(l)，不同的参数组合产生不同的光照方案从而获得不同的光照效果。研究人员广泛使用的光学双侧照射方式主要有：(1)明场照射方案(优点是可以在近检测表面获得最佳光子沉积，缺点是光子分布不均匀导致图像质量不佳)。(2)暗场照射方案(优点是：在深层可以获得较好的光子分布，缺点是在近表面由于能量密度受限导致检测区域能量缺乏)。(3)混合场照射方案。对于光声图像重构来说，不同的光照方案直接影响光声信号和图像的质量好坏。传统的光声设备存在着价格昂贵、设备体积笨重并且光照方式固定不可调整等局限性，这些缺点大大的制约了光声成像系统的发展。目前本技术领域需要一种可以改变照射方案的低成本、便携式光声探头，将对光声成像系统的发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为解决传统的光声设备价格昂贵、设备体积笨重并且光照方式固定不可调整的局限性的技术问题。
为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种手持式光声成像设备探头，包括角度调节电机、角度电机安装法兰、外部箱体、活动凸透镜载架、固定透镜载架、主动力输入电机、滚珠丝杆副、反射镜、后轴承座、对侧开合反射镜和角度调节齿轮；所述的外部箱体为长方体形，外部箱体外侧的一侧端面上设有主动力输入电机，主动力输入电机通过滚珠丝杆副与后轴承座连接，后轴承座设于外部箱体内；所述的滚珠丝杆副上设有活动凸透镜载架；外部箱体内靠近主动力输入电机一侧设有固定透镜载架；后轴承座上设有反射镜；所述的活动凸透镜载架设于固定透镜载架和反射镜之间；与所述的外部箱体设有主动力输入电机一侧对应的另一侧箱体端部内设有对侧开合反射镜；所述的反射镜设于活动凸透镜载架和对侧开合反射镜之间；连接对侧开合反射镜的轴通过角度调节齿轮与角度调节电机连接，角度调节电机设于角度电机安装法兰上，角度电机安装法兰连接于外部箱体的外侧面。
优选地，所述的固定透镜载架为固定位置状态，所述的活动凸透镜载架通过在滚珠丝杆副上前后移动调节与固定透镜载架之间的距离。
优选地，所述的固定透镜载架上镜片圆心、所述的活动凸透镜载架上的镜片圆心和所述的反射镜的第一镜片圆心位于同一轴线。
优选地，所述的反射镜的第二镜片圆心与对侧开合反射镜的镜片圆心位于同一轴线。
优选地，所述的角度调节齿轮通过齿轮之间的转动带动对侧开合反射镜调整角度。
本发明提供一种手持式光声成像设备使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：主动力输入电机在外部控制器的驱动下，进行有序动力输入，驱动滚珠丝杆副转动。
步骤2:滚珠丝杆副转动带动活动凸透镜载架移动，用于调节光斑。光纤发射的发散光经过固定透镜载架的凸透镜变准直成为平行光。平行光经过活动凸透镜载架汇聚在其焦点处。
步骤3:由于从固定透镜载架射出的光是平行的，所以活动凸透镜载架会带着汇聚光到达反射镜第一镜片，被反射镜第一镜片反射至反射镜的第二镜片上，从反射镜的第二镜片反射后的光平行于原来的到达反射镜第一镜片的光的光路且沿同一方向继续输出。反射后的光继续到达对侧开合反射镜。对侧开合反射镜可以改变光的角度后到达待测样品表面。
步骤4:待测样品被光激发后，待测样品再产生光声信号，经过线性超声阵列收集进行图像重构。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1.出射光斑大小能够调节。
2.光束入射角度可以调节。
3.光照激发和超声接收集成在一个设备中，结构紧凑，易于携带。
本发明结构简单，是一种可以改变照射方案，光照方式可调整的低成本、便携式的光声探头。
附图说明
图1为本发明一种手持式光声成像设备探头系统组成示意图。
图2为角度调节齿轮12与对侧开合反射镜11的装配细节连接图。
(a)图是角度调节齿轮12与对侧开合反射镜11的装配示意图.
(b)图描述的是四个齿数相同的角度调节齿轮12齿轮啮合图。
(c)图为对侧开合反射镜11连接轴的细节图。
(d)图展示的是爆炸视图状态下的角度调节电机1、角度电机安装法兰2、轴承、轴、对侧开合镜载架11的装配关系。
图3为测试光声成像系统的组成图。
附图标记：1.角度调节电机 2.角度电机安装法兰 3.外部箱体 4.活动凸透镜载架 5.固定透镜载架 6.主动力输入电机 7.滚珠丝杆副 8.反射镜 9.后轴承座 11.对侧开合反射镜 12.角度调节齿轮
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下：
如图1所示，一种手持式光声成像设备探头，包括角度调节电机1、角度电机安装法兰2、外部箱体3、活动凸透镜载架4、固定透镜载架5、主动力输入电机6、滚珠丝杆副7、反射镜8、后轴承座9、对侧开合反射镜11和角度调节齿轮12；外部箱体3一外侧端部安装设置有主动力输入电机6，主动力输入电机6通过滚珠丝杆副7与后轴承座9连接，后轴承座9固定设于外部箱体3内；滚珠丝杆副7螺母上安装有活动凸透镜载架4；外部箱体3内靠近主动力输入电机6一侧端部安装有固定透镜载架5；后轴承座9上安装有反射镜8；外部箱体3另一侧箱体内安装有对侧开合反射镜11；活动凸透镜载架4设置于固定透镜载架5和反射镜8之间；反射镜8设置于活动凸透镜载架4和对侧开合反射镜11之间。连接对侧开合反射镜11的轴通过角度调节齿轮12与角度调节电机1连接，角度调节电机1安装于角度电机安装法兰2上，角度电机安装法兰2连接于外部箱体3外侧面。固定透镜载架5为固定位置状态，活动凸透镜载架4通过在滚珠丝杆副7上前后移动，调节与固定透镜载架5之间的距离。固定透镜载架5的镜片圆心、活动凸透镜载架4的镜片圆心和反射镜8的第一镜片圆心位于同一轴线。反射镜8的第二镜片圆心与对侧开合反射镜11的镜片圆心位于同一轴线。角度调节齿轮12通过齿轮之间的转动带动对侧开合反射镜11调整角度。
如图2所示是角度调节齿轮12与对侧开合反射镜11的装配细节连接图。(a)图是角度调节齿轮12与对侧开合反射镜11的装配示意图。齿轮通过顶丝连接在轴上，其中轴的细节图在(c)图详细被描述。轴是空心的，其中下部可以插入部件对侧开合反射镜11，使其联动。图2中(b)图描述的是四个齿数相同的齿轮啮合图，只要其中一个齿轮转动，位于左右两侧的部件角度调节齿轮12齿轮就会对侧等速转动。起到对侧开合的作用。图2中(d)图展示的是爆炸视图状态下的电机、法兰、轴承、轴、对侧开合镜载架的装配关系。
一种手持式光声成像设备工作过程，包括如下步骤：
步骤1：主动力输入电机6在外部控制器的驱动下，进行有序动力输入，驱动滚珠丝杆副7转动。
步骤2:滚珠丝杆副7转动带动活动凸透镜载架4移动。用于调节光斑。光纤发射的发散光经过固定透镜载架5的凸透镜变准直成为平行光。平行光经过活动凸透镜载架4汇聚在其焦点处。
步骤3:由于从固定透镜载架5射出的光是平行的，所以活动凸透镜载架4会带着汇聚光到达反射镜8第一镜片，被反射镜8第一镜片反射至反射镜8的第二镜片上，从反射镜8的第二镜片反射后的光平行于原来的到达反射镜8第一镜片的光的光路且沿同一方向继续输出。反射后的光继续到达对侧开合反射镜11。对侧开合反射镜11可以改变光的角度后到达待测样品表面。
步骤4:待测样品被光激发后，待测样品再产生光声信号，经过线性超声阵列收集进行图像重构。
为了验证提出的探头的性能，建立了一个用于实验测试的光声成像系统。图3显示了整个测试光声成像系统的组成图。为了产生PA信号(PA是Photoacoustic的简称，中文名称为光声)，使用高能灯泵浦固态Q开关激光器(LPS-532-L，CNI)作为激光源。通过EOM(电光调制)产生的高峰值功率，窄脉冲宽度脉冲激光通过光纤耦合器耦合到具有多模单芯的Y型阶跃折射率光纤。来自光纤输出的激光束由一对凸透镜准直。然后光束被镜子反射到样品表面。由超声扫描仪检测到的PA信号被发送到超声成像平台中的32通道DAQ数据采集板，用于进一步的后处理和图像重建。系统采集的血管仿体的原始PA信号通过小波去噪方法和自适应阈值选择进行处理。此外，降噪后的PA数据使用滤波反投影算法处理来重构出光声图像。
基于手持式探头的光声成像结果：根据设定的样品，选择合适的位置，其方向垂直于样品表面。通过调整照射角度和光斑尺寸，可以很容易地形成不同的照明方案，从而获得不同角度的不同PA图像。仿体实验验证不同光照方案下探头成像能力好坏的一种方法，为今后的体内实验奠定了基础。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种手持式光声成像设备探头，其特征在于：包括角度调节电机（1）、角度电机安装法兰（2）、外部箱体（3）、活动凸透镜载架（4）、固定透镜载架（5）、主动力输入电机（6）、滚珠丝杆副（7）、反射镜（8）、后轴承座（9）、对侧开合反射镜（11）和角度调节齿轮（12）；所述的外部箱体（3）为长方体形，外部箱体（3）外侧的一侧端面上设有主动力输入电机（6），主动力输入电机（6）通过滚珠丝杆副（7）与后轴承座（9）连接，后轴承座（9）设于外部箱体（3）内；所述的滚珠丝杆副（7）上设有活动凸透镜载架（4）；外部箱体（3）内靠近主动力输入电机（6）一侧设有固定透镜载架（5）；后轴承座（9）上设有反射镜（8）；所述的活动凸透镜载架（4）设于固定透镜载架（5）和反射镜（8）之间；与所述的外部箱体（3）设有主动力输入电机（6）一侧对应的另一侧箱体端部内设有对侧开合反射镜（11）；所述的反射镜（8）设于活动凸透镜载架（4）和对侧开合反射镜（11）之间；连接对侧开合反射镜（11）的轴通过角度调节齿轮（12）与角度调节电机（1）连接，角度调节电机（1）设于角度电机安装法兰（2）上，角度电机安装法兰（2）连接于外部箱体（3）外侧面。
2.如权利要求1所述的一种手持式光声成像设备探头，其特征在于：所述的固定透镜载架（5）为固定位置状态，所述的活动凸透镜载架（4）通过在滚珠丝杆副（7）上前后移动调节与固定透镜载架（5）之间的距离。
3.如权利要求1所述的一种手持式光声成像设备探头，其特征在于：所述的固定透镜载架（5）上镜片圆心、所述的活动凸透镜载架（4）上的镜片圆心和所述的反射镜（8）的第一镜片圆心位于同一轴线。
4.如权利要求1所述的一种手持式光声成像设备探头，其特征在于：所述的反射镜（8）的第二镜片圆心与对侧开合反射镜（11）的镜片圆心位于同一轴线。
5.如权利要求1所述的一种手持式光声成像设备探头，其特征在于：所述的角度调节齿轮（12）通过齿轮之间的转动带动对侧开合反射镜（11）调整角度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种手持式光声成像设备探头的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：主动力输入电机（6）在外部控制器的驱动下，进行有序动力输入，驱动滚珠丝杆副（7）转动；
步骤2:滚珠丝杆副（7）转动带动活动凸透镜载架（4）移动，用于调节光斑，光纤发射的发散光经过固定透镜载架（5）的凸透镜变准直成为平行光，平行光经过活动凸透镜载架（4）汇聚在其焦点处；
步骤3:由于从固定透镜载架（5）射出的光是平行的，所以活动凸透镜载架（4）会带着汇聚光到达反射镜（8）第一镜片，被反射镜（8）第一镜片反射至反射镜（8）的第二镜片上，从反射镜（8）的第二镜片反射后的光平行于原来的到达反射镜（8）第一镜片的光的光路且沿同一方向继续输出；反射后的光继续到达对侧开合反射镜（11），对侧开合反射镜（11）可以改变光的角度后到达待测样品表面；
步骤4:待测样品被光激发后，待测样品再产生光声信号，经过线性超声阵列收集进行图像重构。
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