CN114984470B - 一种基于光声引导的超声治疗系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光声引导的超声治疗装置，包含可调谐激光器、光声共焦模块、数据采集模块、超声治疗模块和控制与数据采集模块。所述可调谐激光器，用于输入脉冲激光。激光经过光声共焦模块的光学聚焦组件，聚焦于成像并根据光声效应产生光声信号，超声接收组件接收放大所产生的光声信号，控制与数据采集模块进行数据采集并经PC控制端图像处理。根据图像结果，选择治疗位点，移动待测物，所述超声治疗模块用于产生超声信号，经放大后作用于治疗位点。治疗结束后，系统重新进行图像扫描并与治疗前对比以实现实时治疗效应评估。本发明以光声共焦共轴引导超声焦点定位并通过光声显微成像实时评估治疗效果，有效解决了术中定位和评估的难题。

Description

一种基于光声引导的超声治疗系统

技术领域

本发明涉及超声治疗装置领域，尤其涉及一种基于光声引导的超声治疗系统。

背景技术

血脑屏障作为存在于脑组织和血液间的一个复杂紧密结构, 其作用是将外周循环系统与中枢神经系统分隔开，限制有害物质的进入，但同时成为了药物靶向治疗中枢神经系统疾病的主要障碍。微泡介导聚焦超声(focusd ultrasound，FUS)技术具备非侵入性、靶向性、可逆性等优势，是促药物跨血脑屏障输送的有效技术。然而，由于缺乏实时的术中定位技术，无法将最佳的超声能量作用于靶点，从而达到最佳治疗效果。

光声显微（photoacoustic micrtoscopy，PAM）技术作为新型无损伤、无辐射的成像方法，结合了超声的高穿透深度和光学的高对比度等优点，可提供高特异性的组织和分子。光-声共焦共轴的光声显微镜可以利用共焦共轴的特性，根据扫描结果，精准控制焦点在图像上的位置。进一步的，设计与显微镜中超声接收换能器焦点共焦的环形超声发射换能器，可精准控制超声治疗的靶点位置，同时可实现术中的治疗效果评估。

发明内容

为了实现超声治疗的精准定位和术中治疗效果评估，本发明提供了一种基于光声引导的超声治疗系统。具体来说是在光声显微系统共焦共轴模式基础上，利用光声信号和治疗探头共焦，并进一步实现实时超声定位治疗及治疗效果评估。

实现本发明目的的技术解决方案为：本发明实施例提供了一种基于光声引导的超声治疗系统，所述装置包括：

可调谐激光器，用于输入脉冲激光；

光声共焦模块，包括共焦共轴的光学聚焦组件和超声接收组件，所述光学聚焦组件用于将脉冲激光聚焦于待测物，所述超声接收组件用于接收该成像样品根据光声效应产生对应的光声信号，并放大该光声信号；

超声治疗模块，用于产生脉冲信号，经放大后作用于待测物的治疗位点；所述超声治疗模块还包括超声治疗换能器，所述超声治疗换能器的焦点与光声共焦模块的焦点位于同一点，作为光-声焦点；

控制与数据采集模块，用于采集光声共焦模块输出的光声信号，并将其转化为光声图像，分析该光声图像以选取治疗位点，并基于治疗区造影剂扩散情况及出血情况进行治疗前后效果评估；控制超声治疗换能器的位置与角度，使光-声焦点对准待测物的治疗位点。

进一步地，所述光声共焦模块中的超声接收组件包括超声接收换能器和与其相连的信号放大器。

进一步地，所述光声共焦模块中的光学聚焦组件沿脉冲激光前进方向依次设置有光阑、第一凸透镜、针孔、第二凸透镜、光束提升器、显微物镜；所述光阑对脉冲激光光束进行初步整形，脉冲激光光束通过第一凸透镜后经小孔进行空间滤波，第二凸透镜将脉冲激光光束调整为平行光，使其完整覆盖在显微物镜的透镜上；所述显微物镜对脉冲激光光束进行聚焦，穿过超声接收换能器聚焦于待测物，且与所述超声接收换能器共焦。

进一步地，所述超声接收换能器为水浸式聚焦环形超声换能器，其焦距等于超声接收换能器弧面的半径。

进一步地，所述超声治疗换能器为水浸式聚焦环形超声换能器，其内径等于超声接收换能器的外径，其焦距等于超声治疗换能器弧面的半径，且其焦点与超声接收换能器的焦点重叠。

进一步地，所述超声接收换能器内部开有由上至下的圆台和圆柱形通孔；根据显微物镜的分辨率R设计显微物镜的孔径即圆台上底面的直径；根据显微物镜的镜头的折射率、光聚焦角度设计圆台下底面的直径即圆柱底面直径以及超声接收换能器底部开口孔径。

进一步地，根据显微物镜分辨率R与显微物镜的数值孔径NA之间的关系为：

NA=0.5λ/R

其中，NA为显微物镜的数值孔径，即圆台上底面的直径；λ为脉冲激光激发波长；R为显微物镜的分辨率。

进一步地，根据显微物镜的镜头的折射率、光聚焦角度设计圆台下底面的直径即圆柱底面直径以及超声接收换能器底部开口孔径包括以下计算公式：

NA=n*sinθ

式中，NA为显微物镜的孔径；n为显微物镜的镜头的折射率；θ为光聚焦时最大孔径锥角的一半；

D=2h/tanθ

式中，h为显微物镜的焦距。

进一步地，所述超声治疗模块包括依次连接的信号发生器、功率放大器和超声治疗换能器；所述信号发生器用于发生治疗所需的射频脉冲信号；所述功率放大器用于放大所述信号发生器产生的射频信号，以满足治疗所需的能量大小；所述超声治疗换能器用于产生治疗所需的超声波。

进一步地，所述控制与数据采集模块包括数据采集仪和与其相连的PC控制端；所述数据采集仪用于采集超声接收换能器经放大后输出的光声信号；所述PC控制端同步控制可调谐激光器脉冲激光发射、数据采集卡的采集和待测物的移动；所述光声信号通过逐点扫描经PC控制端进行重建获得样品的三维图像结果

本发明的有益效果为：本发明提供了一种基于光声引导的超声治疗系统，使得超声接收换能器与超声治疗换能器共焦共轴，以光声共焦共轴引导超声焦点定位；将脉冲激光聚焦于待测物，并可精准控制超声治疗的靶点位置，提高超声治疗的精准度，有效解决了术中定位和评估的难题。

附图说明

图1是本发明的原理示意框图；

图2是本发明光声聚焦-超声治疗共焦结构示意图；

图3是本发明光声聚焦-超声治疗共焦结构细节图；

图中，1-去汽水；201-显微镜物镜；202-超声接收换能器；203-超声治疗换能器；3-激光束；301-光声信号；302-超声治疗脉冲信号；303-脉冲激光；304-治疗位点；4-水槽。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

下面结合附图，对本发明进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例公开一种基于光声引导的超声治疗系统，包括可调谐激光器、光声共焦模块、控制与数据采集模块和超声治疗模块。

所述可调谐激光器用于输入脉冲激光303。

所述光声共焦模块包括光学聚焦组件和超声接收组件。所述光学聚焦组件用于将脉冲激光聚焦于待测物；所述超声接收组件包括超声接收换能器202和放大器，用于接收该成像样品根据光声效应产生对应的光声信号，并放大该光声信号。具体地，所述光学聚焦组件沿脉冲激光前进方向依次设置有光阑、第一凸透镜、针孔、第二凸透镜、光束提升器、显微物镜201。其中，光阑对光束进行初步整形，光束通过第一凸透镜后经小孔进行空间滤波，第二凸透镜将光束调整为平行光，使其完整覆盖在显微物镜的透镜上；显微物镜对光束进行聚焦，穿过超声接收换能器202中间的孔洞，聚焦于成像样品（即待测物的治疗位点），并且与所述超声接收换能器共焦。

本发明实施例中，如图2所示，所述超声接收换能器202选用水浸式环形超声换能器，其焦距等于换能器弧面的半径。超声接收换能器202的接收面置于水槽4中，水槽4中设有去汽水1。

所述控制与数据采集模块包括PC控制端和与其相连的数据采集仪。所述数据采集仪用于采集光声共焦模块中的超声接收换能器202输出的光声信号。所述PC控制端用于同步控制可调谐激光器的脉冲激光发射、数据采集仪的采集和待测物的移动，具体地，所述PC控制端接收数据采集仪输出的光声信号，再将其转化为光声图像，进行重建获得样品的三维图像结果；

所述PC控制端还包括运动控制器，通过该运动控制器驱动位移平台，移动待测物，使得光-声焦点对准待测物的治疗位点，所述光-声焦点为光学聚焦组件的焦点、超声接收换能器202和超声治疗换能器203共同的焦点。

所述PC控制端根据该光声图像选取待测物的治疗位点，本发明实施例中选取待测物的治疗位点的过程具体为：以光-声焦点初始位置为坐标原点，根据光声图像选取治疗位点位置并获取相应的坐标，再通过PC控制端控制位移平台移动待测物，使治疗位点与光-声焦点重合。所述PC控制端还基于治疗区造影剂扩散情况及出血情况进行治疗前后效果评估。

本发明实施例中校准超声接收换能器202和超声治疗换能器203共同的焦点的过程包括：使用超声治疗换能器为超声源，利用超声接收换能器接收物体表面反射的超声信号，通过示波器显示该超声信号，控制超声治疗换能器位置与角度，使获得的超声信号达到最大值，该最大值对应的位置即超声接收换能器202和超声治疗换能器203共同的焦点。

所述超声治疗模块用于产生脉冲信号，经放大后作用于待测物的治疗位点。所述超声治疗模块包括依次连接的信号发生器、功率放大器和超声治疗换能器；所述信号发生器用于发生治疗所需的射频脉冲信号；所述功率放大器用于放大所述信号发生器产生的射频信号，以满足治疗所需的能量大小；所述超声治疗换能器用于产生治疗所需超声信号。

本发明实施例中，如图2所示，所述超声治疗换能器203选用水浸式环形超声换能器，其内径等于超声接收换能器的外径，其焦距等于换能器弧面的半径。超声治疗换能器203的发射面置于水槽4中，水槽4中设有去汽水1。

作为优选的，如图3所示，所述超声接收换能器202内部开有由上至下的圆台和圆柱形通孔；其中，圆台部分的设计计算过程包括：

（1）设计光声显微成像的分辨率R，得到显微物镜的数值孔径NA。

记光学分辨的显微镜的分辨率为R，那么：

R=0.5λ/NA

其中，λ为激发波长，NA为显微物镜的数值孔径。

那么所需的显微物镜的数值孔径NA=0.5λ/R。

（2）计算超声接收换能器202圆台的下底面直径D。

根据数值孔径的计算公式

NA=n*sinθ

其中n为显微物镜镜头工作介质的折射率，θ为光聚焦时最大孔径锥角的一半。

换能器圆台倾斜角度与光聚焦角度相等。

因此圆台部分上底面直径为：

D=2h/tanθ

其中，h为显微物镜的焦距。

那么可以得到D=4n* h*R*cosθ/λ。

如图1-图3所示，本发明实施例提供的基于光声引导的超声治疗系统包括可调谐激光器、光声共焦模块、数据采集模块、超声治疗模块。可调谐激光器输出脉冲激光303，经光声共焦模块中的光学聚焦组件聚焦于治疗位点304，根据光声效应所产生的光声信号301由超声接收组件接收并放大。超声接收组件与数据采集模块连接，用于采集光声信号301，并处理转化为光声图像。超声接收组件中的超声接收换能器202为水浸式环形超声换能器，与光学聚焦组件中的显微镜物镜201共焦共轴。超声接收换能器202中间为空心，用于聚焦脉冲激光303的穿过。超声治疗模块用于产生超声治疗脉冲信号302，经放大后作用于治疗位点304。超声治疗模块包括信号发生器、功率放大器和超声治疗换能器203。信号发生器与功率放大器连接，用于发生治疗所需的射频脉冲信号，功率放大器与超声治疗换能器203连接，用于放大所述信号发生器产生的射频信号，以满足治疗所需的能量大小，超声治疗换能器203与功率放大器连接，用于产生治疗所需超声信号。超声治疗换能器203为水浸式环形超声换能器，内径等于前述超声接收换能器202的外径，且焦点与超声接收换能器202的焦点重叠于治疗位点304。

实际应用时，本发明系统的具体使用步骤如下：

步骤1：固定待测物小动物。

本发明实施例中选择小鼠作为待测物，首先将裸鼠俯卧固定，头部涂抹超声耦合剂后与水槽4底部的薄膜水囊紧密接触。所述水槽内盛满去汽水1，超声治疗换能器的发射面和超声接收换能器的接收面均浸没于水中，便于声耦合，减少超声能量的反射损失。

步骤2：光声信号激发与采集

超声接收换能器202与数据采集仪连接，脉冲激光器发射的脉冲激光通过光声共焦模块中的光学聚焦组件，最终经过显微镜物镜201照射在裸鼠脑部，产生的光声信号由超声接收换能器202接收；可调谐激光器的同步信号触发数据采集仪对超声接收换能器202接收的光声信号进行同步采集。本发明实施例中，所述超声接收换能器202为水浸式环形超声换能器。

步骤3：脑部影像扫描机成像

沿着x-y平面对裸鼠脑部进行逐点扫描，对治疗靶点区域附近进行成像。

步骤4：超声治疗位点选择

控制与数据采集模块中的PC控制端在扫描的影像结果上选取治疗位点，控制移动平台移动待测物，使光-声焦点对准治疗位点。

步骤5：超声治疗

在选取治疗位点后，在信号发生器上设置参数，并通过功率放大器连接至超声治疗换能器203。通过尾静脉在裸鼠体内注射生理盐水稀释后的微泡及伊文氏蓝（造影剂），打开使信号发生器，使超声治疗换能器203产生的脉冲超声信号作用于光-声焦点位置的病灶区（即步骤4选取的治疗位点），实现精准超声治疗。本发明实施例中，所述超声治疗换能器203为水浸式环形超声换能器，其内径等于前述超声接收换能器202的外径，且焦点与超声接收换能器203的焦点重叠。

步骤6：治疗效果评估

治疗结束后，将裸鼠移动至治疗前起始位点，并重新进行图像扫描。扫描结束后，对比治疗前后的影像结果，对治疗区造影剂扩散情况及出血情况进行评估。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。

Claims (6)

1.一种基于光声引导的超声治疗系统，其特征在于，所述系统包括：

可调谐激光器，用于输入脉冲激光；

光声共焦模块，包括共焦共轴的光学聚焦组件和超声接收组件，所述光学聚焦组件用于将脉冲激光聚焦于待测物，所述光学聚焦组件包括显微物镜，显微物镜对脉冲激光光束进行聚焦，穿过超声接收换能器中间的孔洞，聚焦于待测物，并且与超声接收换能器共焦；所述超声接收组件用于接收待测物根据光声效应产生对应的光声信号，并放大该光声信号；

所述光声共焦模块中的超声接收组件包括超声接收换能器和与其相连的信号放大器；

所述超声接收换能器内部开有由上至下的圆台和圆柱形通孔；其中根据显微物镜的分辨率R设计显微物镜的数值孔径即圆台上底面的直径的计算公式为：

NA=0.5λ/R

其中，NA为显微物镜的数值孔径即圆台上底面的直径；λ为脉冲激光激发波长；R为显微物镜的分辨率；

根据显微物镜的镜头的折射率、光聚焦角度设计圆台下底面的直径D即圆柱底面直径以及超声接收换能器底部开口孔径包括以下计算公式：

NA=n*sinθ

式中，NA为显微物镜的孔径；n为显微物镜的镜头的折射率；θ为光聚焦时最大孔径锥角的一半；

D=2h/tanθ

式中，h为显微物镜的焦距；

超声治疗模块，用于产生脉冲信号，经放大后作用于待测物的治疗位点；所述超声治疗模块还包括超声治疗换能器，所述超声治疗换能器的焦点与光声共焦模块的焦点位于同一点，作为光-声焦点；

控制与数据采集模块，用于采集光声共焦模块输出的光声信号，并将其转化为光声图像，分析该光声图像以选取治疗位点，并基于治疗区造影剂扩散情况及出血情况进行治疗前后效果评估；控制超声治疗换能器的位置与角度，使光-声焦点对准待测物的治疗位点。

2.根据权利要求1所述的一种基于光声引导的超声治疗系统，其特征在于，所述光声共焦模块中的光学聚焦组件沿脉冲激光前进方向依次设置有光阑、第一凸透镜、针孔、第二凸透镜、光束提升器、显微物镜；所述光阑对脉冲激光光束进行初步整形，脉冲激光光束通过第一凸透镜后经小孔进行空间滤波，第二凸透镜将脉冲激光光束调整为平行光，使其完整覆盖在显微物镜的透镜上；所述显微物镜对脉冲激光光束进行聚焦，穿过超声接收换能器聚焦于待测物，且与所述超声接收换能器共焦。

3.根据权利要求1所述的一种基于光声引导的超声治疗系统，其特征在于，所述超声接收换能器为水浸式聚焦环形超声换能器，其焦距等于超声接收换能器弧面的半径。

4.根据权利要求1所述的一种基于光声引导的超声治疗系统，其特征在于，所述超声治疗换能器为水浸式聚焦环形超声换能器，其内径等于超声接收换能器的外径，其焦距等于超声治疗换能器弧面的半径，且其焦点与超声接收换能器的焦点重叠。

5.根据权利要求1所述的一种基于光声引导的超声治疗系统，其特征在于，所述超声治疗模块包括依次连接的信号发生器、功率放大器和超声治疗换能器；所述信号发生器用于发生治疗所需的射频脉冲信号；所述功率放大器用于放大所述信号发生器产生的射频信号，以满足治疗所需的能量大小；所述超声治疗换能器用于产生治疗所需的超声波。

6.根据权利要求1所述的一种基于光声引导的超声治疗系统，其特征在于，所述控制与数据采集模块包括数据采集仪和与其相连的PC控制端；所述数据采集仪用于采集超声接收换能器经放大后输出的光声信号；所述PC控制端同步控制可调谐激光器脉冲激光发射、数据采集卡的采集和待测物的移动；所述光声信号通过逐点扫描经PC控制端进行重建获得样品的三维图像结果。

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