CN113951933A - 一种超声和光声的多模态实时成像设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超声和光声的多模态实时成像设备，其特征在于，包括：成像探头，包括超声换能器和激光扩束器；以及成像分析装置，包括协同处理模块、信号采集模块、光信号调制模块、超声波束形成模块、图像重建模块、光源模块以及光学透镜模组。其中，光源模块和光信号调制模块产生调制激光并传输到激光扩束器。激光扩束器对调制激光进行扩束照射在待测生物组织并且采集声光信号，得到第一电信号。超声波束形成模块发射超声波输出至待测生物组织上。超声换能器采集反射超声波信号并形成第二电信号。协同处理模块对第一电信号和第二电信号进行分析处理，得到多模态数据。图像重建模块对多模态数据进行实时图像重建和图像融合分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声和光声的多模态实时成像设备。
背景技术
早期诊断人体运动系统疾病对于人口健康至关重要，运动系统中的肌肉骨骼等组织结构复杂，其主要成分由非有机基质(大部分是矿物质)和有机基质组成。非有机基质主要包括羟基磷灰石钙、磷酸盐、水；有机基质主要包括胶原蛋白、血红蛋白及脂质等。上述成分分布在复杂组织中维持人体运动，当运动系统中的组织发生病变时，其物理结构特性发生改变，并且生化指标也将发生不同程度变化。因此无创获取组织的物理结构和生化指标信息，进行成像、分析和预警，对于运动系统疾病早期诊断和治疗具有非常重要的临床意义。
目前医疗机构广泛使用基于X光的CT成像方法诊断人体运动系统中骨组织物理结构特性，主要通过成像表征骨组织密度作为诊断参数，但该方法无法有效获取组织中胶原蛋白、血红蛋白及脂质含量及分布等生化指标信息，无法实现对运动系统实时监测和预警。成像非实时，重建时间长，并且具有辐射，不适用于各年龄人群诊断和随访。
目前医疗机构广泛使用的超声成像方法可以有效获取生物组织的物理结构特性，通过超声多普勒成像方法还可以获取心肺等器官中血流信息，但上述超声方法无法有效针对运动系统组织同时提供物理结构信息及所含生化指标信息。
研究表明运动系统中肌骨组织具有光吸收特性和光声效应，通过对各组织发射不同谱段激光，可通过获取和分析光声信号，表征的组织的生化指标含量。但仅通过光声单一成像方法仍然难以实现对组织的物理结构特性和生化成分含量及分布有效表征。如果能够通过超声方法和光声方法对运动系统中的组织同步成像，并定量分析和表征其物理结构变化及生化指标含量及空间分布情况，将是早期精准诊断运动系统疾病的重大突破，将为患者争取最宝贵的诊治时间，将有助于提高人口健康水平。
发明内容
为解决上述问题，提供一种超声和光声的多模态实时成像设备，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供了一种超声和光声的多模态实时成像设备，其特征在于，包括：成像探头，包括超声换能器和激光扩束器；以及成像分析装置，包括协同处理模块、信号采集模块、光信号调制模块、超声波束形成模块、图像重建模块、光源模块以及光学透镜模组。其中，协同处理模块与光源模块进行电连接，协同处理模块控制光源模块产生激励激光。光源模块、光学透镜模组和光信号调制模块依次排列，该激励激光通过光学透镜模组照射在光信号调制模块。光信号调制模块通过光纤与激光扩束器相连接，光信号调制模块将激励激光调制成调制激光并通过光纤将调制激光传输到激光扩束器。激光扩束器对调制激光进行扩束，产生扩束激光并照射在待测生物组织上，使得待测生物组织接收扩束激光激励产生光声信号。超声换能器采集光声信号并将其转化为第一电信号。超声换能器与信号采样模块电连接，将第一电信号传输到信号采样模块。信号采样模块与协同处理模块进行电连接，并将第一电信号传输到协同处理模块。超声波束形成模块与协同处理模块电连接，当第一电信号传输到协同处理模块后，协同处理模块向超声波束形成模块发出控制信号。超声波束形成模块与超声换能器电连接，超声波束形成模块在接收到控制信号后，根据该控制信号控制超声换能器发射超声波输出至待测生物组织上使得待测生物组织产生反射超声波信号。超声换能器采集反射超声波信号并形成第二电信号，将第二电信号传输到协同处理模块。所述协同处理模块对所述第一电信号和所述第二电信号进行分析处理，得到多模态数据。所述图像重建模块与所述协同处理模块进行电连接，用于对所述多模态数据进行实时图像重建和图像融合分析。
本发明提供的一种超声和光声的多模态实时成像设备，还可以具有这样的技术特征，其中，成像探头还包括：CCD传感器，用于采集待测感兴趣区域图像，温度传感器，用于采集待测感兴趣区域温度和环境温度，三轴姿态传感器，用于采集成像探头的方位数据，环境光传感器，用于通过采集环境光强度来判断是否放置于测量位置，控制模块，通过有线或者无线的方式与协同处理模块进行连接，无线网络模块，用于将控制模块和协同处理模块进行无线连接。其中，成像探头中的控制模块与CCD传感器、温度传感器、三轴姿态传感器、环境光传感器以及无线网络模块进行电连接，并将CCD传感器、温度传感器、三轴姿态传感器和环境光传感器中所采集的数据传输到协同处理模块。
本发明提供的一种超声和光声的多模态实时成像设备，还可以具有这样的技术特征，其中，成像分析装置还包括信号同步模块。信号同步模块与协同处理模块进行电连接，通过协同处理模块对信号采集模块、光信号调制模块、超声波束形成模块和光源模块进行时序控制。
本发明提供的一种超声和光声的多模态实时成像设备，还可以具有这样的技术特征，其中，成像分析装置还包括通信模块，该通信模块通过PCI-E接口与外部设备进行连接。
本发明提供的一种超声和光声的多模态实时成像设备，还可以具有这样的技术特征，其中，成像分析装置还包括电源模块。所述电源模块为所述多模态实时成像设备提供电能，所述电源模块还包括散热模块，所述散热模块对所述成像分析装置进行散热。
本发明提供的一种超声和光声的多模态实时成像设备，还可以具有这样的技术特征，其中，发射超声波信号的频带范围为0.5MHz～50.0MHz。
本发明提供的一种超声和光声的多模态实时成像设备，还可以具有这样的技术特征，其中，扩束激光的波长范围为405nm～2600nm，输出强度小于20mj/cm2。
发明作用与效果
根据本发明的一种超声和光声的多模态实时成像设备，通过对待测生物组织发射多频段超声脉冲和多谱段激光脉冲，采集并分析处理各组织的光声信号和超声信号进行重建及融合成像，实现对组织的物理结构实时成像同时显示其中生化指标含量及分布情况，成像探头通过连接成像分析装置，采集组织的超声和光声信号并进行图像重建，通过内置的智能图像分析算法，快速完成肌肉和骨骼的物理结构成像以及获取组织中生化指标及其分布等信息，实时反映受试者的运动系统中组织变化及提供预警，为相关疾病诊断提供重要数据。本发明应用于医疗健康领域，可应用于肌骨成像、术中成像、运动健康监测、康复监测等领域，用于解决现有技术中实时无创监测及诊断运动系统疾病困难的问题。
附图说明
图1是本发明实施例中的超声和光声的多模态实时成像设备的结构示意图；
图2是本发明实施例中的成像探头的结构示意图；
图3是本发明实施例中的成像分析装置的结构示意图；
图4是本发明实施例中的超声和光声的多模态实时成像设备工作原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明的一种超声和光声的多模态实时成像设备作具体阐述。
<实施例>
图1是本发明实施例中的超声和光声的多模态实时成像设备的结构示意图。
如图1所示，本实施例中的多模态实时成像设备100包括成像探头1和成像分析装置2。
图2是本发明实施例中的成像探头的结构示意图。
如图2所示，成像探头1包括防水外壳101以及设置在防水外壳101内的控制模块102、无线网络模块103、激光扩束器104、光纤105、超声换能器106、电缆107、CCD传感器108、温度传感器109、三轴姿态传感器110和环境光传感器111。
防水外壳101为中空结构，表面涂有能够避免皮肤接触过敏或摩擦损伤的亲肤材质层。整体可通过酒精或水进行消毒、清洗，具备防喷溅防水功能。
控制模块102与成像分析装置2通信连接，控制模块102与CCD传感器108、温度传感器109、三轴姿态传感器110、环境光传感器111以及无线网络模块103电连接。
控制模块102用于接收来自成像分析装置2的控制命令，并将CCD传感器108、温度传感器109、三轴姿态传感器110和环境光传感器111中所采集的监测数据传输到成像分析装置2。本实施例中的控制模块102采用的是ARM控制模块。
无线网络模块103与控制模块102进行电连接，用于将控制模块102和成像分析装置2通信连接。
激光扩束器104通过光纤105与成像分析装置2相连接，将成像分析装置2产生的调制激光进行扩束并照射待测生物组织上，从而产生光声信号。
光纤105连接激光扩束器104和成像分析装置2，用于将调制激光传输到激光扩束器104。本实施例中的光纤105采用的是柔性可弯曲光纤。
超声换能器106通过电缆107与成像分析装置2进行连接，用于输出超声信号到待测生物组织上，并采集光声信号和反射超声信号，且分别转换为第一电信号和第二电信号，再通过电缆107将信号回传至成像分析装置2进行光声成像和超声成像。本实施例中的超声换能器106采用的是256阵元多频段超声换能器。
电缆107连接成像分析装置2和超声换能器106。电缆107用于将超声换能器106采集到的信号传输到成像分析装置2进行超声成像。本实施例中的电缆107采用的是多模态并行信号传输电缆。
CCD传感器108与控制模块102电连接，用于采集待测感兴趣区域图像。
温度传感器109与控制模块102电连接，用于采集待测感兴趣区域温度和环境温度。
三轴姿态传感器110与控制模块102电连接，用于采集成像探头的方位数据。
环境光传感器111与控制模块102进行电连接，用于通过采集环境光强度数据。
图3是本发明实施例中的成像分析装置的结构示意图。
如图3所示，成像分析装置2，包括散热外壳201以及设置在散热外壳201内的协同处理模块209、信号采集模块210、光信号调制模块211、超声波束形成模块212、图像重建模块213、光源模块214、光学透镜模组215、电源模块216、散热模块(图中未示出)、数据缓存及存储模块217、通信模块218和信号同步模块219。
散热外壳201采用金属材料制成，用于将成像分析装置2的其他器件进行包裹，具有散热和防尘功能。
协同处理模块209与信号采集模块210、控制光信号调制模块211、超声波束形成模块212、图像重建模块213、光源模块214，电源模块216、散热模块、数据缓存及存储模块217、通信模块218和信号同步模块219电连接，用于对成像信号的控制和集中处理。本实施例中的协同处理模块209采用的是FPGA、ARM、x86协同处理单元。
协同处理模块209与控制模块102电连接，利用智能算法对控制模块102传输的监测数据进行分析，判断成像探头1正确放置于测量位置。
协同处理模块209具有三个外部接口，分别为外部触发信号接口206、多模态并行信号传输接口207和多模态并行信号测试接口208，该三个接口均安装在散热外壳201上。
外部触发信号接口206与信号同步模块219电连接。
多模态并行信号传输接口207分别与协同处理模块209、超声波束形成模块212和信号采集模块210电连接，同时多模态并行信号传输接口207通过电缆107与成像探头1相连接。
多模态并行信号测试接口208与多模态并行信号传输接口207电连接，作为多模态并行信号传输接口207的测试用端子。
信号采集模块210通过多模态并行信号传输接口207和电缆107与控制超声换能器106连接，控制超声换能器106发射和输出多频段超声脉冲信号以及采集声光信号和反射超声信号。信号采集模块210与协同处理模块209进行电连接，信号采集模块210将采集得到的第一电信号和第二电信号发送至协同处理模块209。
超声波束形成模块212与协同处理模块209电连接，超声波束形成模块212接收到协同处理模块209发出的控制信号，通过多模态并行信号传输接口207和电缆107控制超声换能器106发射超声波。
图像重建模块213与协同处理模块209电连接，图像重建模块213用于将协同处理模块209的多模态数据进行分析处理。图像重建模块213配置四个图像显示接口分别为223、224、225和226，通过图像显示接口223、224、225和226与外部图像显示设备进行连接，输出成像结果和分析结果。本实施例中的图像重建模块213采用的是GPU图像处理器。
光源模块214与协同处理模块209电连接。光源模块214配置有激光外部控制信号输入接口202、激光外部控制信号输出接口203和激光开关外部控制信号输入接口204。协同处理模块209将控制信号输入到激光外部控制信号输入接口202，并控制光源模块214发射激励激光，同时光源模块214通过激光外部控制信号输出接口203将信号输出到协同处理模块209和信号同步模块219。
本实施例中光源模块214发射激励激光，输出强度小于人体使用安全阈值20mj/cm2，覆盖波长范围405nm～2600nm。
光学透镜模组215与光源模块214一并封装于具有光屏蔽特性的金属外壳中。光学透镜模组215用于对激励激光进行变焦。
光信号调制模块211与光学透镜模组215连接。光信号调制模块211配置有光纤输出端子205。输出端子205连接光纤105。光信号调制模块211通过输出端子205和光纤105将调制激光输入到激光扩束器104。
电源模块216与协同处理模块209电连接，用于为多模态实时成像设备100的各个模块提供电能。电源模块216配置有电源接口220以及散热模块。散热模块对成像分析装置2进行散热。
数据缓存及存储模块217与协同处理模块209和图像重建模块213进行电连接，为这些模块提供数据缓存及数据存储功能。
数据缓存及存储模块217还配置存储拓展接口221，数据缓存及存储模块217通过存储拓展接口221与外部存储设备进行连接，并将数据存储至外部存储设备，例如U盘、移动硬盘等。
通信模块218配置外部设备通信接口222。通信模块218通过外部设备通信接口222可以与鼠标、键盘、触摸屏等其他外部设备连接。通信模块218还可以通过外部设备通信接口222对多台超声和光声实时成像分析装置级联，扩展超声和光声测量通道数量和拓展图像重构性能。
信号同步模块219与协同处理模块209、信号采集模块210、光信号调制模块211、超声波束形成模块212、光源模块214、光学透镜模组215和通信模块218电连接，通过产生同步信号或产生延迟触发信号，实现对多模态实时成像设备100进行时序控制。
图4是本发明实施例中的超声和光声的多模态实时成像设备工作原理示意图。
如图4所示，本实施例中的多模态实时成像设备100的工作过程包括光声信号过程和超声信号过程。
光声信号过程：协同处理模块209控制光源模块214产生激励激光。该激励激光通过光学透镜模组215照射在光信号调制模块211。光信号调制模块211将激励激光调制成调制激光并通过光纤105将调制激光传输到激光扩束器104。激光扩束器104对调制激光进行扩束，产生扩束激光并照射在待测生物组织上，使得待测生物组织接收扩束激光激励产生光声信号。超声换能器106采集光声信号并将其转化为第一电信号。超声换能器106将第一电信号传输到信号采样模块210。信号采样模块210将第一电信号传输到协同处理模块209。
超声信号过程：当第一电信号传输到协同处理模块209后，协同处理模块209向超声波束形成模块212发出控制信号，超声波束形成模块212在接收到控制信号后，根据该控制信号控制超声换能器106发射超声波输出至待测生物组织上，使得待测生物组织产生反射超声波信号。超声换能器106采集反射超声波信号并形成第二电信号，将第二电信号传输到协同处理模块209，
最后，协同处理模块209将第一电信号和第二电信号进行分析处理，得到多模态数据并传输到图像重建模块213，图像重建模块213对多模态数据进行实时图像重建和图像融合分析。
实施例作用与效果
根据本实施例提供的一种超声和光声的多模态实时成像设备，通过对待测生物组织发射多频段超声脉冲和多谱段激光脉冲，采集并分析处理各组织的光声信号和超声信号进行重建及融合成像，实现对组织的物理结构实时成像同时显示其中生化指标含量及分布情况，成像探头通过连接成像分析装置，采集组织的超声和光声信号并进行图像重建，通过内置的智能图像分析算法，快速完成肌肉和骨骼的物理结构成像以及获取组织中生化指标及其分布等信息，实时反映受试者的运动系统中组织变化及提供预警，为相关疾病诊断提供重要数据。本发明应用于医疗健康领域，可应用于肌骨成像、术中成像、运动健康监测、康复监测等领域，用于解决现有技术中实时无创监测及诊断运动系统疾病困难的问题。
上述实施例仅用于举例说明本发明的具体实施方式，而本发明不限于上述实施例的描述范围。
Claims (7)
1.一种超声和光声的多模态实时成像设备，其特征在于，包括：
成像探头，包括超声换能器和激光扩束器；以及
成像分析装置，包括协同处理模块、信号采集模块、光信号调制模块、超声波束形成模块、图像重建模块、光源模块以及光学透镜模组，
其中，所述协同处理模块与所述光源模块进行电连接，所述协同处理模块控制所述光源模块产生激励激光，
所述光源模块、光学透镜模组和光信号调制模块依次排列，该激励激光通过光学透镜模组照射在所述光信号调制模块，
所述光信号调制模块通过光纤与所述激光扩束器相连接，所述光信号调制模块将所述激励激光调制成调制激光并通过所述光纤将所述调制激光传输到所述激光扩束器，
所述激光扩束器对所述调制激光进行扩束，产生扩束激光并照射在所述待测生物组织上，使得所述待测生物组织接收所述扩束激光激励产生光声信号，
所述超声换能器采集所述光声信号并将其转化为第一电信号，
所述超声换能器与所述信号采样模块电连接，将第一电信号传输到所述信号采样模块，
所述信号采样模块与所述协同处理模块进行电连接，并将所述第一电信号传输到所述协同处理模块，
所述超声波束形成模块与所述协同处理模块电连接，当所述第一电信号传输到所述协同处理模块后，所述协同处理模块向所述超声波束形成模块发出控制信号，
所述超声波束形成模块与所述超声换能器电连接，所述超声波束形成模块在接收到所述控制信号后，根据该控制信号控制所述超声换能器发射超声波输出至所述待测生物组织上使得所述待测生物组织产生反射超声波信号，
所述超声换能器采集所述反射超声波信号并形成第二电信号，将所述第二电信号传输到所述协同处理模块，
所述协同处理模块对所述第一电信号和所述第二电信号进行分析处理，得到多模态数据；
所述图像重建模块与所述协同处理模块进行电连接，用于对所述多模态数据进行实时图像重建和图像融合分析。
2.根据权利要求1所述的一种超声和光声的多模态实时成像设备，其特征在于：
其中，所述成像探头还包括：
CCD传感器，用于采集待测感兴趣区域图像，
温度传感器，用于采集待测感兴趣区域温度和环境温度，
三轴姿态传感器，用于采集所述成像探头的方位数据，
环境光传感器，用于通过采集环境光强度来判断是否放置于测量位置，
控制模块，通过有线或者无线的方式与所述协同处理模块进行连接，
无线网络模块，用于将所述控制模块和所述协同处理模块进行无线连接，
其中，所述成像探头中的控制模块与所述CCD传感器、所述温度传感器、所述三轴姿态传感器、所述环境光传感器以及所述无线网络模块进行电连接，并将所述CCD传感器、所述温度传感器、所述三轴姿态传感器和所述环境光传感器中所采集的数据传输到所述协同处理模块。
3.根据权利要求1所述的一种超声和光声的多模态实时成像设备，其特征在于：
其中，所述成像分析装置还包括信号同步模块，
所述信号同步模块与所述协同处理模块进行电连接，通过所述协同处理模块对所述信号采集模块、所述光信号调制模块、所述超声波束形成模块和所述光源模块进行时序控制。
4.根据权利要求1所述的一种超声和光声的多模态实时成像设备，其特征在于：
其中，所述成像分析装置还包括通信模块，该通信模块通过PCI-E接口与外部设备进行连接。
5.根据权利要求1所述的一种超声和光声的多模态实时成像设备，其特征在于：
其中，所述成像分析装置还包括电源模块，
所述电源模块为所述多模态实时成像设备提供电能，
所述电源模块还包括散热模块，所述散热模块对所述成像分析装置进行散热。
6.根据权利要求1所述的一种超声和光声的多模态实时成像设备，其特征在于：
其中，所述发射超声波信号的频带范围为0.5MHz～50.0MHz。
7.根据权利要求1所述的一种超声和光声的多模态实时成像设备，其特征在于：
其中，所述扩束激光的波长范围为405nm～2600nm，输出强度小于20mj/cm2。
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|---|---|---|---|
| CN202111450571.1A CN113951933A (zh) | 2021-12-01 | 2021-12-01 | 一种超声和光声的多模态实时成像设备 |
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