CN113180599A - 一种临床用新型光声超声双模态经直肠内窥成像探头 - Google Patents

一种临床用新型光声超声双模态经直肠内窥成像探头 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种临床用新型光声超声双模态经直肠内窥成像探头，包括：探头外壳：包括一体成型的前端检测部和后端手持部，所述的前端检测部的侧面设有并列排布的光信号发射窗口和声信号发射和接收窗口；光学模块：设置在探头外壳内，用以发出整形均匀的光束，透过光束发射窗口照射待成像组织区域产生光声信号；超声模块：与光学模块一起设置在探头外壳内，用以发射超声信号透过声信号发射和接收窗口照射与光信号发射窗口相同的待成像组织区域，并同时接收光声信号以及反射回的超声信号。与现有技术相比，本发明具有符合人体工程学要求尺寸、无创检测、体积小、光声及超声双模态检测等优点。

Description

一种临床用新型光声超声双模态经直肠内窥成像探头
技术领域
本发明涉及内窥镜和无损检测领域，尤其是涉及一种临床用新型光声超声双模态经直肠内窥成像探头。
背景技术
用于医学诊断的超声成像因其非电离辐射、可对解剖结构进行高分辨率成像、价格低廉等优势在医学诊断中被广泛应用。但超声成像一般对声阻抗有差异的组织结构和血流流动敏感，对组织的其他物理化学性质无特异性，因此诊断功能受到限制，在很多医学临床诊断中超声成像需要和MRI、CT或者X光等其它放射性诊断方式结合，以向医生提供更明确的病灶信息。
经直肠内窥超声成像探头已经得到了较为普遍的应用，由于生物安全性或者人体工程学的限制，该类探头一般为长圆柱形，且直径不超过12mm，探头表面有64、128或256个阵元组成线阵(声头)，探头内部排布有阵列式高压柔性电路板(FPC)和电缆等，扫查成像速度快。
光声成像是近年来新兴发展的一种医学成像方法，可实现对组织物理化学性质的成像。它结合了纯光学成像的高对比度和纯超声学的高穿透性的优点，可以提供高对比度和高轴向分辨率，为研究生物组织的结构形态、生理特征、代谢功能、病理信息等提供了重要手段，在生物医学临床诊断以及在体组织结构和功能成像领域具有广泛的应用前景。
如果可以实现超声和光声的双模态的同时检测，进而成像，那么既可以为病灶提供高分辨率的结构成像，又可以在结构信息的基础上提供高分辨率和高对比度的组织物理化学性质的成像，可以为临床诊断提供更多的依据。
但是，目前缺乏经直肠对前列腺等组织进行超声、光声的同时无损内窥检测的装置，多为单独检测或多套系统的直接拼搭，并没有成为整体式的检测设备，这是由于内窥检测探头需要体积适宜、不宜过大。
在现有专利中，中国专利CN107638168A公开了一种对肠组织进行光声检测的内窥镜，此装置的缺点是只能对肠组织进行光声成像，缺乏组织的物理信息；虽然也有类似于中国专利CN103385758A公开了一种对血管内部进行超声-光声检测的内窥镜，然而此装置的缺点是属于有损检测，且只能进行单点信号的采集，要获得二维组织信息，需进行旋转多点采集信号，合成图像，大大降低了二维组织面实时成像的速率；中国专利CN106264604A公开了一种全扫描光声双模态内窥探头，可实现对肠组织进行光声内窥成像，但是不能够对更大检测深度(穿透肠壁)的器官，如前列腺进行光声超声双模态成像；中国专利CN109199332A公开了一种基于光反射式的光声及超声双模态内窥成像装置及方法，声头为多阵元线阵，可以实现较大待测区域的成像，实现整个待测组织的快速成像，提高检测效率，但是其控制电路板位于探头前端的检测区域，在有限的空间内为光学模块留的空间很小，不能够实现大功率硬光纤的导光。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种临床用新型光声超声双模态经直肠内窥成像探头。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种临床用新型光声超声双模态经直肠内窥成像探头，包括：
探头外壳：包括一体成型的前端检测部和后端手持部，所述的前端检测部的侧面设有并列排布的光信号发射窗口和声信号发射和接收窗口；
光学模块：设置在探头外壳内，用以发出整形均匀的光束，透过光束发射窗口照射待成像组织区域产生光声信号；
超声模块：与光学模块一起设置在探头外壳内，用以发射超声信号透过声信号发射和接收窗口照射与光信号发射窗口相同的待成像组织区域，并同时接收光声信号以及反射回的超声信号。
所述的探头外壳呈圆柱台状，并且前端检测部的截面积小于后端手持部。
所述的光学模块包括相互连接的光能量输出模块和光束整形模块。
经过光束整形模块整形后的光束包括点状、线状和面状，用以实现大功率和/或大范围覆盖待测组织成像区域。
所述的超声模块包括相互连接的声头以及用以控制声头收发状态的控制电路，所述的声头固定在超声发射和接收窗口处，所述的控制电路固定在后端手持部内。
所述的控制电路一端通过连接电线与声头连接，另一端通过电缆与外接信号采集与成像系统连接。
所述的声头为线状声阵列声头，用以实现同时对较大待测区域进行信号接收成像。
所述的光信号发射窗口和声信号发射和接收窗口呈椭圆或矩形。
所述的光学模块发出整形后的光束，透过光信号发射窗口照射到与声信号发射和接收窗口覆盖的同一片待测组织区域，产生光声信号，具体有：
Figure BDA0003029924790000031
其中，p(r,t)为声压，H(r,t)为入射光在待测组织的成像区域激发的热源函数，H(r,t)＝A(r)I(t)，A(r)为待测组织的光吸收分布，I(t)为照射光强，β为热膨胀系数，Cp为比热容，c为待测组织声速，
Figure BDA0003029924790000032
为拉普拉斯算子，r为成像点到入射点的距离，t为时间。
该光声及超声双模态经直肠内窥成像探头的检测方法包括以下步骤：
1)根据光声超声双模态同步成像系统中主机的激励信号，控制多个通道同时发射经波束合成后的超声波，照射待测组织区域；
2)光能量输出模块发射脉冲光，经光束整形模块整形后透射到与超声模块覆盖的同一待测组织区域，产生光声信号；
3)超声模块接收组织反射的超声信号，经脉冲光触发后，经过设定的延时，接收光声信号；
4)接收到的超声信号和光声信号经过电缆传输到主机，实现直肠内同时同步光声超声双模态成像。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明采用将光学模块和声学模块结合在一起的方式，使得二者的检测区域一致，实现了光声、超声两种信号的同时检测，并且通过采用同一探头装置进行检测，能同时获得同一扫查平面的物理信息和化学信息，使得所检测的组织信号信息更加丰富，操作方便快捷。
二、通过光束整形模块可调节出射光的角度，使其侧面出光，更符合经直肠对器官检测操作的要求。
三、经过光束整形模块的光在安全范围内可为功率较大的点状、线状和面状，可实现大覆盖范围内高对比度的光声成像，超声声头为线状声阵列，也可实现较大声覆盖区域的超声成像。
四、本发明将声学模块的电路控制模块放置于探头后端手持处，可以在符合人体工程学要求的尺寸下，为光路搭建留出更多空间，例如可以在探头前端放置更大尺寸多模光纤，实现大功率硬光纤的导光和超声的探测，也即能满足超声光声双模态检测的需求。
附图说明
图1为本发明实施例中的探头侧视图。
图2为本发明实施例中的探头俯视图。
图3为进行阵列式多窗口检测的结构示意图。
图中标记说明：
1、探头外壳，2、光信号发射窗口，3、声信号发射和接收窗口，4、光能量输出模块，5、光束整形模块，6、声头，7、控制电路，8、电缆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提供一种临床用新型光声超声双模态经直肠内窥成像探头，针对硬件上光声和超声双模态信号的检测难以在尺度足够小的情况下，集成于同一内窥探头装置并提供较高的发光效率，本发明通过将控制电路改置于探头的手柄端，又将光学模块和声学模块结合在一起，实现同步且同位地对超声和光声信号的采集。
具体的，如图1～图2所示，该光声及超声双模态经直肠内窥成像探头包括：
探头外壳1：包括前端检测部分和后端手持部分，其前端侧面设有并列排布的光信号发射窗口2及声信号发射和接收窗口3；
光学模块：用以发出整形均匀的脉冲光，透过探头外壳1的光发射窗口2照射待成像组织区域后产生光声信号；
超声模块：用以透过探头外壳1的声信号发射和接收窗口3发射超声信号照射与光发射窗口相同的待成像组织区域，并同时接收光声信号和反射回的超声信号。
如图1所示，光学模块包括沿光路依次设置的光能量输出模块4和光束整形模块5，用以发出整形均匀的脉冲光，经过探头外壳1上的光信号发射窗口2将脉冲光透射到直肠及周边待测组织中，并与声学模块覆盖同一待测组织区域，用于分别产生光声信号，且满足方程：
Figure BDA0003029924790000051
其中，p(r,t)为声压，H(r,t)为入射光在成像区域激发的热源函数，H(r,t)＝A(r)I(t)，A(r)为待测组织的光吸收分布，I(t)为照射光强，β为热膨胀系数，Cp为比热容，c为组织声速，
Figure BDA0003029924790000052
为拉普拉斯算子，r为成像点到入射点的距离，t为时间。
在实际检测中，光能量输出模块4既可以采用内置光源的形式设置在探头外壳1内，也可以采用通过光纤连接外部光源的形式。
本例中，光能量输出模块4采用一台外源激光器和多模光纤，光束整形模块5采用一套现有的光路系统，控制电路7采用现有的直肠超声探头电路。
光信号发射窗口2及声信号发射和接收窗口3可以根据实际需要设置为1组或扩展为多组，并按照阵列式排布，可以实现单一窗口输出或阵列式多窗口输出，如图3所示。
待测组织产生的光声信号p(r,t)传到固定在探头外壳前端侧面的超声发射和接收窗口3的线状阵列声头6，由外接信号采集与成像系统控制的控制电路7实现光声信号的采集，进一步实现较大光覆盖区域的光声成像。
外接信号采集与成像系统通过控制控制电路7进而调节线状阵列声头6的开关状态，以发射超声信号照射待成像组织区域，然后接收反射回的超声信号，实现较大声覆盖区域的超声成像。
如图2所示，超声模块包括声头6和控制电路7，声头6固定在探头外壳1前端侧面的超声发射和接收窗口3处，用于发射和接收超声信号，控制电路7固定在探头外壳后端(手柄端)，以在符合人体工程学要求的尺寸下实现大功率硬光纤的导光和超声的探测，该探头外壳用于容纳其他所有模块，以实现直肠内超声-光声双模态成像。

Claims (10)

1.一种临床用新型光声超声双模态经直肠内窥成像探头，其特征在于，包括：
探头外壳(1)：包括一体成型的前端检测部和后端手持部，所述的前端检测部的侧面设有并列排布的光信号发射窗口(2)和声信号发射和接收窗口(3)；
光学模块：设置在探头外壳(1)内，用以发出整形均匀的光束，透过光束发射窗口(2)照射待成像组织区域产生光声信号；
超声模块：与光学模块一起设置在探头外壳(1)内，用以发射超声信号透过声信号发射和接收窗口(3)照射与光信号发射窗口相同的待成像组织区域，并同时接收光声信号以及反射回的超声信号。
2.根据权利要求1所述的一种临床用新型光声超声双模态经直肠内窥成像探头，其特征在于，所述的探头外壳(1)呈圆柱台状，并且前端检测部的截面积小于后端手持部。
3.根据权利要求1所述的一种临床用新型光声超声双模态经直肠内窥成像探头，其特征在于，所述的光学模块包括相互连接的光能量输出模块(4)和光束整形模块(5)。
4.根据权利要求3所述的一种临床用新型光声超声双模态经直肠内窥成像探头，其特征在于，经过光束整形模块(5)整形后的光束包括点状、线状和面状，用以实现大功率和/或大范围覆盖待测组织成像区域。
5.根据权利要求1所述的一种临床用新型光声超声双模态经直肠内窥成像探头，其特征在于，所述的超声模块包括相互连接的声头(6)以及用以控制声头(6)收发状态的控制电路(7)，所述的声头(6)固定在超声发射和接收窗口(3)处，所述的控制电路(7)固定在后端手持部内。
6.根据权利要求5所述的一种临床用新型光声超声双模态经直肠内窥成像探头，其特征在于，所述的控制电路(7)一端通过连接电线与声头(6)连接，另一端通过电缆(8)与外接信号采集与成像系统连接。
7.根据权利要求5所述的一种临床用新型光声超声双模态经直肠内窥成像探头，其特征在于，所述的声头(6)为线状声阵列声头，用以实现同时对较大待测区域进行信号接收成像。
8.根据权利要求1所述的一种临床用新型光声超声双模态经直肠内窥成像探头，其特征在于，所述的光信号发射窗口(2)和声信号发射和接收窗口(3)呈椭圆或矩形。
9.根据权利要求3所述的一种临床用新型光声超声双模态经直肠内窥成像探头，其特征在于，所述的光学模块发出整形后的光束，透过光信号发射窗口(2)照射到与声信号发射和接收窗口(3)覆盖的同一片待测组织区域，产生光声信号，具体有：
Figure FDA0003029924780000021
其中，p(r,t)为声压，H(r,t)为入射光在待测组织的成像区域激发的热源函数，H(r,t)＝A(r)I(t)，A(r)为待测组织的光吸收分布，I(t)为照射光强，β为热膨胀系数，Cp为比热容，c为待测组织声速，
Figure FDA0003029924780000022
为拉普拉斯算子，r为成像点到入射点的距离，t为时间。
10.根据权利要求1所述的一种临床用新型光声超声双模态经直肠内窥成像探头，其特征在于，该光声及超声双模态经直肠内窥成像探头的检测方法包括以下步骤：
1)根据光声超声双模态同步成像系统中主机的激励信号，控制多个通道同时发射经波束合成后的超声波，照射待测组织区域；
2)光能量输出模块发射脉冲光，经光束整形模块整形后透射到与超声模块覆盖的同一待测组织区域，产生光声信号；
3)超声模块接收组织反射的超声信号，经脉冲光触发后，经过设定的延时，接收光声信号；
4)接收到的超声信号和光声信号经过电缆传输到主机，实现直肠内同时同步光声超声双模态成像。
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