CN114010151A - 一种光声超声多模态成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光声超声多模态成像系统，将光声显微成像技术、光声层析成像技术、宽波束B‑mode超声成像技术与超声多普勒成像技术相结合，在对同一目标组织进行成像时，可以同时获得光学吸收与声学衰减特性；光声成像技术以不同尺度不同视野下目标组织的功能信息为标志，揭示表面组织与深部组织的精细血管网络、血流动力学以及形态学变化；超声成像技术补充目标组织的结构信息与流体的流动速度，方向等；多模态的集合有利于充分发挥各个模态的成像优点，为多尺度多功能生物医学成像提供条件。
Description
技术领域
本发明属于医疗设备领域，具体涉及一种光声超声多模态成像系统。
背景技术
光声成像技术是一种结合光学探测与声学监测的新兴的无创功能成像技术，由于超声波在生物组织中的高穿透，光声成像技术可以突破传统的光学成像技术在探测深度方面的限制，同时保留高分辨率的特点。光声成像技术是一种无标记的成像技术，它的原理是生物组织中分子对于光的吸收系数不同，产生不同强度的超声信号，一般利用血红蛋白与去氧血红蛋白得到血管网络以及血氧饱和度等结构与功能信息。
超声成像是目前临床上应用最广泛、最安全的方法之一，它利用超声波扫描生物组织，并由超声换能器对反射的超声波进行接收，其主要目的是暴露生物组织的声阻抗和弹性特性。除了传统的亮度模式(B-mode)超声，基于多角度平面波复合的超声多普勒方法是近年来提出的高分辨的超声成像技术，高帧率和高灵敏度的特点使实时跟踪血液流动和循环成为可能。
但是，由于其固有的局限性，超声成像在浅表生物组织以及截面的空间分辨率低，对血流以外的血流动力学不够敏感。整合超声成像技术与光声成像技术与每一种单模态相比，不仅提供了互补的光学对比度和声学特性，并且可以由相同的超声换能器与数据采集装置实现信号传输，是一种可行的具有巨大潜力的研究方向。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明的目的就是为了集成上述多个模态的成像优势，为多尺度多功能的生物医学成像需求提供一种多模态成像装置。
（二）技术方案
本发明为解决其技术问题，提供了一种光声超声多模态成像系统，发明的目的可以通过一下技术方案来实现：
一种光声超声多模态成像系统，其特征在于：
该多模态成像系统包括四个成像子系统，分别为光声显微成像系统、光声层析成像系统、宽波束B-mode超声成像系统和超声多普勒成像系统；
该多模态成像系统包括光源组件、光路整形组件、光路传输组件、光束扫描组件、反射式支架、信号采集与控制平台、计算机和耦合水槽；
所述光源组件包括应用于光声显微成像系统的固体激光器与连续谱发光二极管，和应用于光声层析成像系统的发射短脉冲激光的泵浦激光器与光学参数振荡器，用于向成像目标发射一定频率的脉冲激光；其中，光声显微成像系统应用可见光波段的高频激光，光声层析成像系统应用近红外波段的低频激光；
所述光路整形组件包括应用于光声显微成像系统的滤光片与反射镜，和应用于光声层析成像系统的扩束器与透镜组，用于发射激光的光斑整形；
所述光路传输组件包括应用于光声显微成像系统的聚焦物镜、滤光小孔以及单模光纤，和应用于光声层析成像系统的平凸透镜与多模光纤，用于传输激光并根据不同成像需求射出单模或多模光斑；
所述光束扫描组件包括可调焦准直透镜、二维MEMS扫描振镜以及平凸透镜，用于对光声显微成像系统中单模光纤出射的脉冲激光进行准直，扫描与聚焦；
所述反射式支架包含光束传输组件与超声反射组件，并设置入光口与第一出光口用于激光信号与超声信号传输，所述激光器产生的脉冲激光通过入光口进入反射式支架，并通过第一出光口到达成像目标；所述第一出光口也作为宽波束B-mode超声成像系统与超声多普勒成像系统中超声信号与成像目标反应的中介；
所述信号采集与控制平台使用商用的超声平台，该平台附带有一体化的阵列超声探头，用于超声信号的发射与接收；该平台通过程序编码对发射和采集到的超声信号进行简单操作，包括放大，滤波以及信号显示等预处理；
所述计算机用于驱动二维MEMS扫描振镜实现光栅扫描并控制电机转动；此外，图像的重建过程在计算机上实现；
所述耦合水槽，用于传输激光信号与超声信号，通过超声耦合剂与成像目标直接接触。
更具体地，所述采集控制平台与激光器共同合作完成对四种模态的时序控制，每一采集周期完成一个成像截面的信号采集；所述连续谱发光二极管接收固体激光器的激光脉冲并传送到采集控制平台提供触发信号，采集控制平台接收触发信号，并在一个采集周期内先后完成光声显微成像模态信号采集，短脉冲激光发射，光声层析成像模态信号采集，宽波束超声信号发射与接收，平面波超声信号发射与接收；所述短脉冲激光由泵浦激光器与光学参数振荡器接收采集控制平台的触发信号进行发射；
更具体地，所述采集与控制平台控制阵列换能器向成像目标发射宽波束超声信号以进行B-mode成像扫描，并接收超声回波信号；所述采集与控制平台控制阵列换能器向成像目标发射平面波超声信号进行多普勒成像扫描，控制换能器接收超声回波信号，并对信号进行存储，以备后续的图像重建与处理；阵列超声换能器利用所有阵元对四种模态产生的超声信号进行接收。
更具体地，所述光声显微成像系统利用光束扫描组件对成像目标进行二维扫描，计算机控制二维MEMS扫描振镜的第一个轴进行移动，带动聚焦的点激光遍历快轴的扫描范围，形成一幅B-scan图像后，二维MEMS扫描振镜改变另一个轴的位置作为慢轴，重复B-scan扫描过程；这样遍历成像区域后，利用多个B-scan图像获得成像目标的最大值投影图像。
更具体地，所述宽波束B-mode超声成像系统在控制阵列超声换能器发射超声波时以发射线位置为中点，并在阵列换能器两侧对称设置相等阵元数的阵元形成一组探头阵元组，使每一探头阵元组按照排布顺序依次聚焦于所设置的每一个焦点，该焦点深度在成像平面外；得到深度方向上的波束宽度和能量均匀分布，从而获得视场范围内灰阶和分辨率一致性高的超声图像。
更具体地，所述超声多普勒成像系统在控制阵列超声换能器发射超声波时全部阵元都执行发射动作，并接收反射的超声回波信号；通过平面波复合技术得到平面波B-scan图像；之后，对同一位置进行快速多帧采集，并通过GPU加速的算法重建获得高时空分辨率的超声多普勒图像。
更具体地，所述反射式支架是一个内部装有透明去离子水的半封闭矩形腔体；所述光束传输组件包括进光口、二向色镜、透光反声薄片以及出光口，在光声显微成像系统中，可见光波段的脉冲激光经过光束扫描组件聚焦后通过进光口照射到二向色镜，在光声层析成像系统中，多模光纤出射的脉冲激光直接照射二向色镜；二向色镜作为进光组件实现对可见光的反射与近红外波段激光的透射，使得两种不同波长的激光通过透光反声薄片和出光口进入耦合水槽；超声反射组件包含出光口、透光反声薄片、反声金属薄片、齿轮、防水轴承以及旋转电机。
更具体地，所述光束传输组件与超声反射组件中，二向色镜与所述入光口呈45°角，与所述第一出光口呈45°角；透光反声薄片与所述第一出光口呈45°角，二向色镜与透光反声薄片有一定距离并呈90°角，即非平行摆放；超声换能器与入射光束平行，并接收经过透光反声薄片与反声金属材料两次反射的超声回波信号。
更具体地，超声信号的扫描有两种方式：（1）所述超声反射组件的反声金属薄片通过防水轴承与齿轮与旋转电机相连置于超声探头下方与超声探头成一定角度，通过计算机控制旋转电机带动薄片进行旋转，从而控制声信号的入射角度，照射到成像目标的不同截面并进行超声回波接收，从而实现对超声信号的扫描；（2）将耦合水槽固定于步进电机并将成像目标放置在电机上随电机移动，使得光信号与超声信号照射在不同的成像平面，从而实现超声信号的扫描。
更具体地，耦合水槽的水槽设计浅而宽，目的是尽量减少光传输与声反射的路程，同时尺寸略宽于反射式支架可以在随电机移动时保持扫描的稳定；水槽底部开有附有透明材料的第二出光口，内部装满去离子水用于超声信号耦合；水槽放置在反射式支架下方，两个出光口之间用水耦合，并保持相对平行。
（三）有益效果
相对于现有技术而言，本发明具有以下优点：
（1）光声、超声同时监测：采用将光发射与多通道阵列换能器结合在一起的方式，可以实现光信号的传入与声信号的接收，并由同一超声平台对信号进行采集与预处理，可以实现对同一平面的光声与超声以及超声多普勒信息的同时获得。
（2）信息互补：本发明同时获取同一成像目标的统一采集平面的结构信息如骨骼，肌肉等与功能信息如血氧水平，使得所监测的组织信号信息更加丰富，且与单一成像模态相比对成像劣势进行补充，为多功能成像提供条件；此外，每一种成像模态拥有不同的成像性能，其中，光声显微成像的分辨率可以达到几微米，但是成像深度不超过1mm，超声成像模态与光声层析成像模态的分辨率基本在几百微米，但是拥有到高的穿透能力，使得本发明涉及的多模态系统成为一种多尺度的成像装置。
（3）本发明具有便携且易拓展的特点。发明中加入二维MEMS扫描振镜，与传统的扫描振镜相比，系统尺寸大大减小，可调焦准直透镜与平凸透镜的使用保证聚焦光束的灵活可调；光声层析成像模态发射的脉冲激光的波长连续可调，对应不同分子的光学吸收特性可以拓展到不同组织作为成像目标，同时也可以通过多光谱的方法进一步提高成像质量；由于扫描方式中可以通过反声金属的角度偏转实现声学平面的扫描，该系统的反射式支架可以与超声换能器结合，成为手持式多模态成像装置。
（4）本发明可以实现生物组织的高空间分辨率的三维成像，揭露更多内部细节。相比传统线阵使用电动平移台三维成像，本发明涉及的装置可以通过转换声平面，对超声声场进行扫描实现小体积的三维成像。结合光声显微成像模态的高横向分辨率，光声层析成像模态，超声模态与超声多普勒的高轴向分辨率，实现三维高分辨成像。
附图说明
图1为本发明的光声超声多模态成像系统的结构示意图。
图2为本发明的光声显微成像模态中光束扫描装置的内部结构示意图。
图3为本发明中反射式支架在光声显微成像模态与光声层析成像模态中的使用示意图。
具体实施方式
本发明为了解决其技术问题，提供了一种光声超声多模态成像系统。下面结合说明书附图，通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明例提供的一种光声超声多模态成像系统，包括光声显微成像系统、光声层析成像系统、宽波束B-mode超声成像系统和超声多普勒成像系统。
具体地，如图1所示，该装置包括光源组件1-1，1-2、光路整形组件2-1，2-2、光路传输组件3-1，3-2、光束扫描组件4、反射式支架5、信号采集与控制平台6-1、计算机7-1与耦合水槽8，反射式支架5是集成四种模态的主要腔室。
如图2所示，光束扫描组件包括可调焦准直透镜4-2、二维MEMS扫描振镜4-3以及平凸透镜4-4，二维扫描振镜通过振镜控制器4-1接收计算机驱动进行扫描。使用时，二维MEMS扫描振镜放置在45°支架上，改变光束传播方向。
如图3所示，反射式支架包含二向色镜5-1、透光反声薄片5-2和反声金属5-3，其中二向色镜透过近红外波束，反射可见光，在不同的光声成像模态中都作为光路的一部分，是两种光声成像模态进行集合的主要部件。
进一步地，在光声层析成像模态中，泵浦激光器与光学参数震荡器1-1发射短脉冲的高能量激光通过光路整形组件2-1进行整形后射入多模光纤3-1，有多模光纤出射的激光通过反射式支架5中的二向色镜5-1与透光反声薄片5-2照射到整个成像目标表面激励物体不同位置产生超声信号以备后续接收。
进一步地，在光声显微成像模态中，固体激光器1-2作为光源产生一定频率的高频激光，激光通过光路整形组件2-2后聚焦通过单模光纤3-2进入光束扫描组件4，光束扫描组件中包含可调焦准直透镜4-2，二维MEMS扫描振镜4-3与平凸透镜4-4。在计算机7-1的控制下，振镜控制器4-1驱动振镜进行光栅扫描，改变光束进入反射式支架5的方向。当聚焦光束进入到反射式支架5后，首先通过二向色镜5-1改变入射方向，再经过透光反声薄片5-2通过出光口与成像目标发生反应，产生光声信号。
进一步地，在B-mode宽波束成像模态与超声多普勒成像模态中，信号采集与控制平台6-1通过一体化超声换能器6-2发射对应类型的超声信号，超声信号经过反声金属薄片5-3与透光反声薄片5-2后于成像目标相互作用。铲射高的超声反射波再次经过透光反声薄片5-2于金属薄片5-3被超声换能器6-2接收并传输到信号采集控制平台6-1以备后续处理。
具体地，为了实现对成像目标不同平面的信号采集，本发明提出的光声超声多模态系统有两种声信号扫描方式。如图1所示，所述第一种扫描方式通过将反声金属5-3与电机7-3相连，在计算机7-1的控制下，电机控制器7-2驱动电机7-3带动反声金属5-3进行小的角度偏转，实现对不同平面超声信号的采集。所述第二种采集方式是保持反声金属5-3不移动，在反射式支架5下加耦合水槽8，耦合水槽8与步进电机7-3相连，成像目标放置在耦合水槽8之下随电机与耦合水槽8移动，改变超声信号接收的平面。
本实施例的一种利用所述的多模成像装置进行成像的方法，包括下述步骤：
（1）信号触发与接收：利用超声耦合剂将该装置与成像目标相接触，固体激光器产生的激光照射到连续谱发光二极管触发信号采集与控制系统使其开始进行信号发射的时序控制。在两次激光触发信号接收之间，除对第一次光致超声信号进行采集外，采集控制平台需要控制阵列换能器依次发射两种类型的超声信号并接收回波信号，另外还需要给泵浦激光器一个外触发，控制激光器发射激光，并对第二次光致超声信号进行采集。之后重复上述过程，实现四个模态信号的触发与采集。
（2）当完成某一平面的光声与超声信号后数据采集后，通过两种方式实现声平面的变换。第一种方式是操纵计算机使旋转电机工作，旋转电机带动转子，转子与反声金属相连，从而使得反声金属偏转微小的角度，从而对下一个位置的光声与超声信号进行采集，直至完成整个范围内的扫描。第二种方式是将成像物体通过耦合水槽放置在步进电机上，随步进电机移动，一次采集完成后，采集控制平台给计算机一个触发信号使得计算机操作步进电机平移一定距离，从而实现对下一截面的数据采集。
（3）图像重建：计算机将采集到的数据用与光声图像，B-mode超声图像以及超声多普勒图像的重建。
本申请中所描述的具体实施案例仅仅是对本发明的主要思想作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (10)
1.一种光声超声多模态成像系统，其特征在于：
该多模态成像系统包括四个成像子系统，分别为光声显微成像系统、光声层析成像系统、宽波束B-mode超声成像系统和超声多普勒成像系统；
该多模态成像系统包括光源组件、光路整形组件、光路传输组件、光束扫描组件、反射式支架、信号采集与控制平台、计算机和耦合水槽；
所述光源组件包括应用于光声显微成像系统的固体激光器与连续谱发光二极管，和应用于光声层析成像系统的发射短脉冲激光的泵浦激光器与光学参数振荡器，用于向成像目标发射一定频率的脉冲激光；其中，光声显微成像系统应用可见光波段的高频激光，光声层析成像系统应用近红外波段的低频激光；
所述光路整形组件包括应用于光声显微成像系统的滤光片与反射镜，和应用于光声层析成像系统的扩束器与透镜组，用于发射激光的光斑整形；
所述光路传输组件包括应用于光声显微成像系统的聚焦物镜、滤光小孔以及单模光纤，和应用于光声层析成像系统的平凸透镜与多模光纤，用于传输激光并根据不同成像需求射出单模或多模光斑；
所述光束扫描组件包括可调焦准直透镜、二维MEMS扫描振镜以及平凸透镜，用于对光声显微成像系统中单模光纤出射的脉冲激光进行准直，扫描与聚焦；
所述反射式支架包含光束传输组件与超声反射组件，并设置入光口与第一出光口用于激光信号与超声信号传输，所述激光器产生的脉冲激光通过入光口进入反射式支架，并通过第一出光口到达成像目标；所述第一出光口也作为宽波束B-mode超声成像系统与超声多普勒成像系统中超声信号与成像目标反应的中介；
所述信号采集与控制平台使用商用的超声平台，该平台附带有一体化的阵列超声探头，用于超声信号的发射与接收；该平台通过程序编码对发射和采集到的超声信号进行简单操作，包括放大，滤波以及信号显示等预处理；
所述计算机用于驱动二维MEMS扫描振镜实现光栅扫描并控制电机转动；此外，图像的重建过程在计算机上实现；
所述耦合水槽，用于传输激光信号与超声信号，通过超声耦合剂与成像目标直接接触。
2.根据权利要求1所述的光声超声多模态成像系统，其特征在于：所述采集控制平台与激光器共同合作完成对四种模态的时序控制，每一采集周期完成一个成像截面的信号采集；所述连续谱发光二极管接收固体激光器的激光脉冲并传送到采集控制平台提供触发信号，采集控制平台接收触发信号，并在一个采集周期内先后完成光声显微成像模态信号采集，短脉冲激光发射，光声层析成像模态信号采集，宽波束超声信号发射与接收，平面波超声信号发射与接收；所述短脉冲激光由泵浦激光器与光学参数振荡器接收采集控制平台的触发信号进行发射。
3.根据权利要求1所述的光声超声多模态成像系统，其特征在于：所述采集与控制平台控制阵列换能器向成像目标发射宽波束超声信号以进行B-mode成像扫描，并接收超声回波信号；所述采集与控制平台控制阵列换能器向成像目标发射平面波超声信号进行多普勒成像扫描，控制换能器接收超声回波信号，并对信号进行存储，以备后续的图像重建与处理；阵列超声换能器利用所有阵元对四种模态产生的超声信号进行接收。
4.根据权利要求1所述的光声超声多模态成像系统，其特征在于：所述光声显微成像系统利用光束扫描组件对成像目标进行二维扫描，计算机控制二维MEMS扫描振镜的第一个轴进行移动，带动聚焦的点激光遍历快轴的扫描范围，形成一幅B-scan图像后，二维MEMS扫描振镜改变另一个轴的位置作为慢轴，重复B-scan扫描过程；这样遍历成像区域后，利用多个B-scan图像获得成像目标的最大值投影图像。
5.根据权利要求1所述的光声超声多模态成像系统，其特征在于：所述宽波束B-mode超声成像系统在控制阵列超声换能器发射超声波时以发射线位置为中点，并在阵列换能器两侧对称设置相等阵元数的阵元形成一组探头阵元组，使每一探头阵元组按照排布顺序依次聚焦于所设置的每一个焦点，该焦点深度在成像平面外；得到深度方向上的波束宽度和能量均匀分布，从而获得视场范围内灰阶和分辨率一致性高的超声图像。
6.根据权利要求1所述的光声超声多模态成像系统，其特征在于：所述超声多普勒成像系统在控制阵列超声换能器发射超声波时全部阵元都执行发射动作，并接收反射的超声回波信号；通过平面波复合技术得到平面波B-scan图像；之后，对同一位置进行快速多帧采集，并通过GPU加速的算法重建获得高时空分辨率的超声多普勒图像。
7.根据权利要求1所述的光声超声多模态成像系统，其特征在于：所述反射式支架是一个内部装有透明去离子水的半封闭矩形腔体；所述光束传输组件包括进光口、二向色镜、透光反声薄片以及出光口，在光声显微成像系统中，可见光波段的脉冲激光经过光束扫描组件聚焦后通过进光口照射到二向色镜，在光声层析成像系统中，多模光纤出射的脉冲激光直接照射二向色镜；二向色镜作为进光组件实现对可见光的反射与近红外波段激光的透射，使得两种不同波长的激光通过透光反声薄片和出光口进入耦合水槽；超声反射组件包含出光口、透光反声薄片、反声金属薄片、齿轮、防水轴承以及旋转电机。
8.根据权利要求7所述的光声超声多模态成像系统，其特征在于，所述光束传输组件与超声反射组件中，二向色镜与所述入光口呈45°角，与所述第一出光口呈45°角；透光反声薄片与所述第一出光口呈45°角，二向色镜与透光反声薄片有一定距离并呈90°角，即非平行摆放；超声换能器与入射光束平行，并接收经过透光反声薄片与反声金属材料两次反射的超声回波信号。
9.根据权利要求7或8所述的光声超声多模态成像系统，其特征在于：超声信号的扫描有两种方式：（1）所述超声反射组件的反声金属薄片通过防水轴承与齿轮与旋转电机相连置于超声探头下方与超声探头成一定角度，通过计算机控制旋转电机带动薄片进行旋转，从而控制声信号的入射角度，照射到成像目标的不同截面并进行超声回波接收，从而实现对超声信号的扫描；（2）将耦合水槽固定于步进电机并将成像目标放置在电机上随电机移动，使得光信号与超声信号照射在不同的成像平面，从而实现超声信号的扫描。
10.根据权利要求1所述的光声超声多模态成像系统，其特征在于，耦合水槽的水槽设计浅而宽，目的是尽量减少光传输与声反射的路程，同时尺寸略宽于反射式支架可以在随电机移动时保持扫描的稳定；水槽底部开有附有透明材料的第二出光口，内部装满去离子水用于超声信号耦合；水槽放置在反射式支架下方，两个出光口之间用水耦合，并保持相对平行。
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