CN113951802A - 一种光学超声胶囊内窥镜及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种光学超声胶囊内窥镜成像方法及装置，利用激光激发出超声波，通过压电陶瓷管和旋转反射镜组合进行螺旋轨迹超声扫描，并结合声透镜聚焦换能器进行超声成像的光学超声胶囊内窥镜；其结构包括：外壳、多功能集成电路板、激光光源、压电陶瓷管、光纤悬臂、聚焦透镜、薄膜、声透镜聚焦换能器、旋转反射镜、微型电机；本发明优势在于利用光学超声原理产生高带宽的超声声源从而提高图像分辨率和对比度，压电陶瓷管驱动光纤悬臂对薄膜进行扫描，激发出超声波，并配合旋转反射镜，达成对侧壁的螺旋扫描，使得扫描机构非常紧凑，可制成体积较小的胶囊内窥镜，扩展了超声内窥镜的应用范围。

Description

一种光学超声胶囊内窥镜及成像方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种光学超声胶囊内窥镜，具体的讲是一种利用激光激发出超声，通过压电陶瓷管和旋转反射镜组合进行超声扫描，并结合声透镜聚焦换能器进行超声成像的光学超声胶囊内窥镜。

背景技术

在临床医学检查中，超声内镜是将内镜和超声相结合的消化道检查技术，将微型高频超声探头安置在内镜顶端，当内镜插入体腔后，在内镜直接观察消化道粘膜病变的同时，可以利用超声内镜下的超声实时扫描，获得胃肠道层次结构的组织学特征及周围邻近脏器的超声图像，它在消化道疾病的诊断中有着极为重要的作用。胶囊内镜是一类检查消化道的无创检查方式，它是在一粒像胶囊大小的装置中的光学摄像头，将其吞咽到体内，随着它逐渐向下运动可以沿途拍摄消化道内壁的黏膜，医生通过与之连线的电脑上观察图像，可以判断消化道的病变。

超声胶囊内窥镜，结构与光学胶囊内镜类似，在人体肠胃检查中非常具有临床应用价值。超声胶囊内窥镜的体积与普通胶囊相近，其体积小的优点可减轻患者在检查过程中的痛苦。超声胶囊内窥镜在消化道内向前运动，通过内置的超声装置，可对消化道侧壁进行详细的检查，以获得深层次的病理信息，对消化道疾病的诊断有非常重要的参考作用。在超声胶囊进入人体开始检查的同时，医生利用体外的接收装置进行显像，可以观察到患者的消化道病变情况，从而帮助对患者的病情做出准确诊断。超声胶囊内窥镜具有体积小、灵活性高、稳定性强、无痛苦、易操作等一系列优点，不仅扩展了超声内窥镜的检查领域，而且更容易被各种类型的患者所接受，不影响检测后患者的正常生活。现有的胶囊内窥镜，可以用于检测消化道、胃、小肠等部位，用于对侧壁成像的超声胶囊内镜一般通过旋转超声换能器进行成像，但是在成像视野上会存在缺失；同时，由于传统超声采用压电陶瓷或复合材料作为超声声源，受限于压电材料特性，具有激发带宽窄的缺点，因此成像分辨率受限。

专利一种超声胶囊内窥镜《201510930435.0》公开了一种360°视野成像的超声胶囊内窥镜，该专利采用齿轮组包括一个内齿轮和两个外齿轮，啮合后以实现所述超声换能器360°旋转摆动，该专利方法无法实现三维超声成像，只能实现二维断层成像，因此在成像功能方法上具有局限性。

本发明采用一种新型声源激发系统进行超声成像，采用光学超声作为超声声源，光学超声的带宽和主频由激发超声的光斑大小决定，本发明中采用10微米级的光斑激发声源，因此超声成像具有高带宽特性，同时结合光纤悬臂扫描和微型电机旋转扫描能够实现三维成像。

发明内容

解决的技术问题

针对现有技术的缺点与不足，本发明提供一种光学超声胶囊内窥镜，使用压电陶瓷管和旋转反射镜组合进行超声扫描，在不采用回撤扫描装置的情况下，实现了对组织侧壁的三维扫描，在降低结构复杂程度的同时，加快了扫描成像速度，也避免了回撤扫描中导致的图像错位，可适应临床中复杂的检测环境。

技术方案

为了达到上述目的，本发明提供一种光学超声胶囊内窥镜，包括：外壳、多功能集成电路板、激光光源、压电陶瓷管、光纤悬臂、聚焦透镜、薄膜、声透镜聚焦换能器、旋转反射镜、微型电机。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述装置进行超声成像的方法，利用该方法，可以获得三维超声图像。

为了达到上述第一目的，本发明采用以下技术方案：

一种光学超声胶囊内窥镜，包括：外壳、多功能集成电路板、激光光源、压电陶瓷管、光纤悬臂、聚焦透镜、薄膜、声透镜聚焦换能器、旋转反射镜、微型电机。

其中，所述光学超声胶囊内窥镜有一外壳，外壳形状与胶囊类似，其材料的声阻抗较小，压电陶瓷管、光纤悬臂、薄膜、声透镜聚焦换能器、旋转反射镜、微型电机均安装于外壳内部；

所述激光光源、压电陶瓷管、光纤悬臂、聚焦透镜、声透镜聚焦换能器均同轴设置。

作为优选的技术方案，所述光学超声胶囊内窥镜外壳为医学材料制成，能与人体消化道等部位较好适应和兼容，同时这种材料的声阻抗较小，能减少超声波在传递过程中的衰减；

作为优选的技术方案，所述光学超声胶囊内窥镜外壳，外壳内固定有：多功能集成电路板、激光光源、压电陶瓷管、光纤悬臂、聚焦透镜、薄膜、声透镜聚焦换能器、旋转反射镜、微型电机；所述外壳的前端固定有微型电机，后端为底座，底座用于安装多功能集成电路板和激光光源，在外壳内表面有三圈凸台，用于限定聚焦透镜、薄膜、声透镜聚焦换能器的位置，聚焦透镜、薄膜、声透镜聚焦换能器依次置于光纤悬臂和旋转反射镜之间。

作为优选的技术方案，所述多功能集成电路板具有供电、控制、无线发射三大功能，电路板用于对压电陶瓷管、微型电机、激光光源进行供电和控制，同时无线传输声透镜聚焦换能器收集到的超声信息。

作为优选的技术方案，所述激光光源是由激光二极管和光耦合器件组成，激光二极管能产生稳定的激光，在经过光耦合器件将激光耦合进光纤之中。

作为优选的技术方案，所述压电陶瓷管固定于外壳的圆形限位孔内，所述压电陶瓷管为中空圆柱结构，其空腔内固定有光纤悬臂，光纤悬臂由光纤去除外包层后的纤芯制成，采用弹性胶水粘附于压电陶瓷管内表面，并向前悬出一定长度，呈悬臂状。压电陶瓷管固定好后，压电陶瓷管控制系统通过信号线控制压电陶瓷管产生振动，在一定频率范围内，可以使光纤悬臂产生共振，从而进行光纤扫描，光纤扫描范围以及轨迹由控制系统的控制电压决定。

作为优选的技术方案，所述聚焦透镜对激光进行汇聚，使得激光聚焦于薄膜表面。

作为优选的技术方案，所述薄膜在激光的照射下，对应的极小区域会产生超声波，作为本装置超声波的声源。

作为优选的技术方案，所述声透镜聚焦换能器包括超外壳、匹配层、压电材料、背衬块、第二信号线以及声透镜，所述超声换能器外壳为圆柱形；所述声透镜安装于外壳之中，用于将薄膜产生的超声波进行聚焦；所述压电材料粘接于声透镜之上，用于将返回的超声波转换为电信号；所述匹配层的作用是进行声阻抗匹配，提高声能的传输效率，使超声波更多的传递到压电材料上，同时也有一定的保护压电材料的作用；所述背衬块的作用是消除后向干扰，减小压电材料的震荡时间，实现窄脉冲，提高纵向分辨力；超声换能器得到的电信号经信号线传到计算机处理系统。

作为优选的技术方案，所述旋转反射镜，用于反射经过声透镜聚焦后的超声波，使超声波信号反射到探测区域，其外观为一直角三角形棱柱，安装时，反射镜的上平面与电机转轴并非平行，用于配合压电陶瓷管驱动的光纤悬臂的扫描，从而实现超声对侧壁区域进行螺旋扫描。

作为优选的技术方案，所述薄膜至旋转反射镜之间，填充有超声耦合液，用于传导超声波，减少传递过程中的衰减。

作为优选的技术方案，所述螺旋扫描为本装置所发出的超声波对目标区域进行成像扫描的方式，光纤悬臂在压电陶瓷管的驱动下，产生一维扫描运动，激光从光纤悬臂端口射出，激光光斑在薄膜上沿着圆周轨迹扫描，并激发所照射的圆周区域产生超声波，超声波经过声透镜聚焦换能器进行声聚焦，再传播到旋转反射镜上，以圆周轨迹向前传递的超声波会绕微型电机的中心轴旋转，从而形成对侧壁区域的螺旋扫描。这一扫描方式不仅完成了对侧壁进行全角度扫描，也在横向上产生了运动，能有效完成对目标区域的扫描。

为了达到上述第二目的，本发明采用以下技术方案：

一种光学超声胶囊内窥镜的成像方法，包括以下步骤：

(1)将光学超声胶囊内窥镜从口腔吞入消化道；

(2)激光光源、压电陶瓷管、微型电机通电，激光发射模块出射激光；

(3)多功能集成电路同时给压电陶瓷管控制模块、微型电机控制模块和数据采集模块同步触发信号，使得超声波能以螺旋轨迹对相应区域进行扫描，同时对返回的超声信号进行采集、无线发射；

(4)根据需要可以在使用前调整微型电机的旋转速度，用来获取更多采样点数，提高成像分辨率；

(5)使用完毕后，用计算机接收胶囊内镜采集到的超声信号，通过相应的算法，快速重建出反映目标区域不同的结构和组织信息。

有益效果

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明使用压电陶瓷管对薄膜进行光扫描从而激发出超声用于检测，所述压电陶瓷管的整体尺寸小于10×10×20mm³，远小于目前常用的扫描结构，减小了超声胶囊内窥镜的体积、重量、成本和工作噪声。

2、本发明的一种光学超声胶囊内窥镜，通过使用压电陶瓷管和光纤悬臂进行激发光的扫描，同时配合旋转反射镜的旋转，对侧壁进行螺旋扫描，从而获得三维图像。相比于传统结构，更加简单，扫描速度也更快。

3、本发明中使用声透镜聚焦换能器用于对薄膜产生的超声波进行聚焦，并且接收返回的超声信号。检测时，超声波从薄膜上发出经过声透镜聚焦换能器聚焦后，再由旋转反射镜反射，穿过超声窗口到检测部位上，与传统的换能器相比，具有更好的灵敏度，更大的带宽。

附图说明

图1是本发明一种光学超声胶囊内窥镜的结构示意图

图2是本发明的系统模块结构示意图

图3是本发明光纤悬臂和旋转电机扫描形成的螺旋三维扫描轨迹。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1、图2所示，本实施例公开了本发明一种光学超声胶囊内窥镜，包括：外壳1、多功能集成电路板2、激光光源3、压电陶瓷管4、光纤悬臂5、聚焦透镜6、薄膜7、声透镜聚焦换能器8、旋转反射镜9、微型电机10。

连接完毕后，所述激光光源3、压电陶瓷管4、光纤悬臂5、聚焦透镜6、声透镜聚焦换能器8均同轴设置；激光由胶囊内窥镜中的激光光源3发出并耦合进入光纤，再通过固定于压电陶瓷管4内的光纤悬臂5，从光纤悬臂5端口出射，经过聚焦透镜6对激光进行聚焦后照射在薄膜7上，激发薄膜7上相应的区域产生超声波，超声波再传递至声透镜聚焦换能器8，经过声透镜进行声聚焦后再由旋转反射镜9反射，最后到达样品，返回的超声波将与原路径相逆最后抵达声透镜聚焦换能器8，由换能器转为电信号，传入信号采集系统。在电机控制系统的控制下，进行高速扫描，信号经过信号采集系统采集后，由多功能集成电路进行无线发射，最后由计算机读取，进行图像重建，最终实现图像显示。

所述外壳1的作用是将其他各个部分固定于胶囊内；所述多功能集成电路板2的作用是对激光光源3、压电陶瓷管4、微型电机10进行供电和控制，同时无线发射换能器所接收到的信号；所述激光光源3是由激光二极管和光耦合器件组成，能产生稳定的激光，并且将激光耦合进光纤之中；所述压电陶瓷管4为中空圆筒状结构，去掉外包层后的光纤纤芯穿过其空腔，并在前端悬出，构成光纤悬臂5；所述聚焦透镜6的作用是对从光纤悬臂5射出的激光进行聚焦；所述薄膜7的作用是在激光的照射下能被激发产生超声波；所述声透镜聚焦换能器8的作用是对超声进行聚焦，同时可以接收超声信号；所述旋转反射镜9的作用是反射超声波；所述微型电机10的作用是带动旋转反射镜9进行旋转。

下面对本发明中的光学超声胶囊内窥镜的结构做进一步的阐述：

所述光学超声胶囊内窥镜外壳1为医学材料制成，外壳1内固定有：功能集成电路板2、激光光源3、压电陶瓷管4、光纤悬臂5、聚焦透镜6、薄膜7、声透镜聚焦换能器8、旋转反射镜9、微型电机10；所述外壳1的前端固定有微型电机10，后端为底座，底座上开有一圆形限位孔，用于安装压电陶瓷管4，并作为光纤1进入的通道，在外壳1内表面有三圈凸台，用于限定薄膜7和声透镜聚焦换能器8的位置，薄膜7和声透镜聚焦换能器8依次置于光纤悬臂5和旋转反射镜9之间。外壳1内径在8-10mm，长度10-30mm。

所述激光光源3是由激光二极管和光耦合器件组成，激光二极管能产生稳定的激光，在经过光耦合器件将激光耦合进光纤之中。

所述压电陶瓷管4固定于外壳1的圆形限位孔内，所述压电陶瓷管4为中空圆柱结构，其空腔内固定有光纤悬臂5，光纤悬臂5由光纤去除外包层后的纤芯制成，采用弹性胶水粘附于压电陶瓷管4内表面，并向前悬出一定长度，呈悬臂状。压电陶瓷管4固定好后，压电陶瓷管4控制系统通过信号线控制压电陶瓷管4产生振动，在一定频率范围内，可以使光纤悬臂5产生共振，从而进行光纤扫描，光纤扫描范围以及轨迹由控制系统的控制电压决定。

所述聚焦透镜6对激光进行汇聚，使得激光聚焦于薄膜7表面。

所述薄膜7在激光的照射下，对应的区域会产生超声波，作为本装置超声波的声源。

所述声透镜聚焦换能器8包括超外壳1、匹配层、压电材料、背衬块、第二信号线以及声透镜，所述超声换能器外壳1为圆柱形；所述声透镜安装于外壳1之中，用于将薄膜7产生的超声波进行聚焦；所述压电材料粘接于声透镜之上，用于将返回的超声波转换为电信号；所述匹配层的作用是进行声阻抗匹配，提高声能的传输效率，使超声波更多的传递到压电材料上，同时也有一定的保护压电材料的作用；所述背衬块的作用是消除后向干扰，减小压电材料的震荡时间，实现窄脉冲，提高纵向分辨力；超声换能器得到的电信号经信号线传到计算机处理系统。

所述薄膜7至旋转反射镜9之间，填充有超声耦合液，用于传导超声波，减少传递过程中的衰减。

所述旋转反射镜9，用于反射经过声透镜聚焦后的超声波，使超声波信号反射到探测区域，其外观为一直角三角形棱柱，安装时，反射镜的上平面与电机转轴并非平行，可根据需要选择0-15°的角度进行安装，用于配合压电陶瓷管4驱动的光纤悬臂5的旋转，从而实现超声对侧壁区域进行螺旋扫描，如图3所示。

所述微型电机10，用于产生带动旋转反射镜9旋转的动力，能进行连续旋转。

本实施例中，应用上述光学超声胶囊内窥镜的成像方法，步骤如下：

(1)将光学超声胶囊内窥镜从口腔吞入消化道

(2)激光光源3、压电陶瓷管4与微型电机10通电，激光发射模块出射激光；

(3)多功能集成电路同时给压电陶瓷管4控制模块、微型电机10控制模块和数据采集模块同步触发信号，使得超声波能以螺旋轨迹对相应区域进行扫描，同时对返回的超声信号进行采集、无线发射；

(4)根据需要可以在使用前调整微型电机10的旋转速度，用来获取更多采样点数，提高成像分辨率；

(5)使用完毕后，用计算机读取胶囊内镜采集到的超声信号，通过相应的算法，快速重建出反映目标区域不同的结构和组织信息。

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做的改变、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 (8)

1.一种光学超声胶囊内窥镜，包括：外壳、多功能集成电路板、激光光源、压电陶瓷管、光纤悬臂、聚焦透镜、薄膜、声透镜聚焦换能器、旋转反射镜、微型电机；

其中，所述外壳的作用是固定胶囊内窥镜中的各种组件，外壳材料采用的是声阻抗较小的材料制成；

所述多功能集成电路板的作用是对激光光源、压电陶瓷管、微型电机进行供电和控制，同时将换能器所接收到的信号无线发射至主机端；

所述激光光源是由激光二极管和光耦合器件组成，能产生稳定的激光，并且将激光耦合进光纤之中；

所述压电陶瓷管为中空圆筒状结构，去掉外包层后的光纤纤芯穿过其空腔，并在前端悬出，构成光纤悬臂，形成扫描结构；

所述聚焦透镜的作用是对从光纤悬臂射出的激光进行聚焦；

所述薄膜的作用是在激光的照射下产生超声波；

所述声透镜聚焦换能器的作用是对超声进行聚焦，同时可以接收超声信号；

所述旋转反射镜的作用是反射超声波；

所述微型电机的作用是带动旋转反射镜进行旋转；

所述激光光源、压电陶瓷管、光纤悬臂、聚焦透镜、声透镜聚焦换能器均同轴设置。

2.根据权利要求1所述的光学超声胶囊内窥镜，其特征在于，所述压电陶瓷管的尾部有第一信号线用于控制压电陶瓷管，通电后，能驱动压电陶瓷管以0-1000Hz频率范围内振动；光纤悬臂置于压电陶瓷管空腔内，并使用弹性胶水进行固定，使得光纤悬臂与压电陶瓷管形成整体，压电陶瓷管以适当频率振动时，可以驱动光纤悬臂进行一维扫描，扫描范围和速度由控制信号决定。

3.根据权利要求1所述的光学超声胶囊内窥镜，其特征在于，所述的光纤悬臂由光纤去除包层所制成，悬臂长度可根据需要的扫描范围和速度进行调节，不同长度的光纤悬臂需要压电陶瓷管以不同频率的控制信号进行驱动。

4.根据权利要求1所述的光学超声胶囊内窥镜，其特征在于，所述的薄膜在激光的照射下，对应的区域会产生超声波，是本装置超声波的声源。

5.根据权利要求1所述的光学超声胶囊内窥镜，其特征在于，所述声透镜聚焦换能器包括超外壳、匹配层、压电材料、背衬块、第二信号线以及声透镜，所述超声换能器外壳为圆柱形；所述声透镜安装于外壳之中，用于将薄膜产生的超声波进行聚焦；所述压电材料粘接于声透镜之上，用于将返回的超声波转换为电信号；所述匹配层的作用是进行声阻抗匹配，提高声能的传输效率，使超声波更多的传递到压电材料上，同时也有一定的保护压电材料的作用；所述背衬块的作用是消除后向干扰，减小压电材料的震荡时间，实现窄脉冲，提高纵向分辨力；超声换能器得到的电信号经信号线传到计算机处理系统。

6.根据权利要求1所述的光学超声胶囊内窥镜，其特征在于，所述微型电机，用于带动旋转反射镜进行旋转。

7.根据权利要求1所述的光学超声胶囊内窥镜，其特征在于，所述旋转反射镜，用于反射经过声透镜聚焦后的超声波，使超声波信号反射到探测区域，其外观为一直角三角形棱柱，安装时，反射镜的上平面与电机转轴并非平行，用于配合压电陶瓷管驱动的光纤悬臂的扫描，从而实现超声对侧壁区域进行螺旋扫描。

8.根据权利要求1-7中任一项所述光学超声胶囊内窥镜的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将光学超声胶囊内窥镜从口腔吞入消化道；

(2)压电陶瓷管带动扫描光纤进行一维摆动、同时前置微型电机通电旋转，激光发射模块出射激光；

(3)多功能集成电路同时给压电陶瓷管控制模块、微型电机控制模块和数据采集模块同步触发信号，使得超声波能以螺旋轨迹对相应区域进行扫描，同时对返回的超声信号进行采集、无线传输；

(4)根据需要可以在使用前调整微型电机的旋转速度，用来获取更多采样点数，提高成像分辨率；

(5)使用完毕后，计算机实时读取胶囊内镜采集到的超声信号，通过相应的算法，快速重建出反映目标区域不同的结构和组织信息。

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