CN115791632A - 一种血管内超声成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种血管内超声成像装置及方法，属于超声成像技术领域，本发明将气动马达引入探头结构设计中，省去了复杂的电气化控制元件，大幅度简化了探头制作工艺和成本；气动马达通过采用空心结构或透明结构，保证探测光正常通过；使用全光进行超声信号的激发和检测，无需在探头内注入生理盐水，避免生理盐水带来负面影响；采用光声原理激发超声信号方式以及白光干涉检测超声信号方法，取代了传统血管内超声系统中的超声换能器，使得血管内超声探头不再被超声换能器尺寸所限制，可以省去超声换能器带来的需要声耦合介质的不便，有利于探头小型化；使用白光干涉仪检测激发的超声信号所带来的探测窗口振动，由于白光干涉灵敏度优于超声换能器，图像质量更优。

Description

一种血管内超声成像装置及方法

技术领域

本发明属于超声成像技术领域，特别是涉及一种血管内超声成像装置及方法。

背景技术

血管内超声(Intravascular ultrasound，简称IVUS)作为一种血管内的成像方式，属于超声成像技术和内窥镜技术的结合，可用于各类介入学科用以表征病变形态、量化斑块负荷、指导器械尺寸选择、评估器械植入以及识别并发症。

传统的血管内超声成像原理基于超声成像技术，需要将超声换能器集成在导管内部，通过检测组织反射的超声信号并转为电信号，进而通过信号处理得到超声图像。血管内超声诊断导管需要直接放置在血管内进行工作，其是整个成像系统的核心部件。

目前，临床上使用的血管内超声诊断导管分为两种结构，一种是电子相控阵式，另一种是机械旋转式。

针对电子相控阵式血管内超声诊断导管来说，其在导管顶端集成了多个换能器的阵元，通过阵元的分时触发以获得血管内的超声图像，但其头端存在一个约7mm的硬段，且导管整体需要在前端封装一块集成电路板，这就使得导管的制作工艺十分复杂，导致导管的制作成本高昂。

针对机械旋转式血管内超声导管来说，其需要使用一个旋转驱动器驱动超声换能器进行旋转，用以实现血管内的圆周扫查成像，并且在机械旋转式的血管内超声导管系统内，还需要在传感器和导管鞘之间充满生理盐水，用以获得最佳的声学耦合，但生理盐水对超声换能器和电子系统产生负面影响。

申请号为201410829245.5的中国专利申请，公开了一种血管内成像系统及方法，该方案属于光声成像技术和内窥镜的结合，激光照射到血管组织，由血管组织吸收能量并产生光声信号。但是，该方案与超声成像相比属于吸收成像，反映的是样品的光吸收特性，其对于血管组织斑块的成像对比度较小，而且该方案需要在内窥镜内集成光声系统和超声系统，但光声系统和超声系统并不兼容，导致成像系统非常复杂。此外，该方案使用超声换能器来接收光声信号，在内窥镜的内部仍需要使用声耦合介质，这必然会影响光学元件、换能器及电子系统的性能。

申请号为201910587192.3的中国专利申请，公开了一种全光的光声内窥成像装置及方法，该方案也是基于光声成像技术，也属于吸收成像，因此并不适用于血管组织斑块的检测，同时该方案还存在干涉方法灵敏度较低的缺点。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种血管内超声成像装置及方法，将气动马达引入探头结构设计中，省去了复杂的电气化控制元件，大幅度简化了探头的制作工艺和成本；气动马达通过采用空心结构或透明结构，保证探测光的正常通过；使用全光进行超声信号的激发和检测，无需在探头内注入生理盐水，避免生理盐水带来的负面影响；采用光声原理激发超声信号方式以及白光干涉检测超声信号的方法，取代了传统血管内超声系统中的超声换能器，使得血管内超声探头不再被超声换能器尺寸所限制，可以省去超声换能器带来的需要声耦合介质的不便，有利于探头的小型化；使用白光干涉仪检测激发的超声信号所带来的探测壁表面振动，由于白光干涉灵敏度优于超声换能器，因此可以得到更优质的图像质量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种血管内超声成像装置，包括激发光源、波分复用器、低相干光源、环形器、光纤耦合器、准直器、外设透镜、外设反射镜、探头、光谱仪及计算机；所述激发光源发出的光经光纤进入波分复用器；所述低相干光源通过环形器与光纤耦合器进行光连接，环形器与光谱仪进行光连接，光谱仪与计算机进行电连接；所述光纤耦合器输出的光分为两路，分别为样品光和参考光；所述光纤耦合器的样品光输出端与波分复用器进行光连接，波分复用器与探头进行光连接；所述光纤耦合器的参考光输出端与准直器进行光连接，准直器发出的光通过外设透镜射向外设反射镜；所述外设透镜和外设反射镜组成参考臂。

所述探头包括壳体、内设GRIN透镜、气动马达及内设反射棱镜；所述内设GRIN透镜固定设置在壳体；所述气动马达采用空心结构或透明结构，气动马达的定子组件与壳体固定连接配合；所述内设反射棱镜固定设置在气动马达的转子组件上，在内设反射棱镜圆周方向的壳体上设有探测窗口，探测窗口采用光的强吸收材料制成；所述气动马达的进气口通过进气管与进气泵相连，气动马达的出气口通过出气管与抽气泵相连；所述内设GRIN透镜通过光纤与波分复用器进行光连接，内设GRIN透镜发出的光穿过气动马达射向内设反射棱镜，内设反射棱镜反射的光聚焦到探测窗口。

一种血管内超声成像方法，采用了所述的血管内超声成像装置，包括如下步骤：

步骤S1：超声信号激发过程

启动激发光源，由激发光源发射激发光，激发光依次经过波分复用器、光纤、内设GRIN透镜及内设反射棱镜射向探测窗口，使探测窗口激发出超声波，当超声波进入血管壁并遇到血管组织斑块后，由于声阻抗的差异，超声波会在血管组织斑块表面产生强反射，反射的超声波会返回探测窗口，使探测窗口产生振动；

步骤S2：超声信号检测过程

启动低相干光源，由低相干光源发射探测光，探测光经环形器及光纤进入光纤耦合器，由光纤耦合器分别射出样品光和参考光；样品光依次经过波分复用器、光纤、内设GRIN透镜及内设反射棱镜射向振动的探测窗口，样品光经振动的探测窗口反射后原路返回光纤耦合器；参考光依次经过准直器和外设透镜射向外设反射镜，参考光经外设反射镜反射后原路返回光纤耦合器，并与返回的样品光一起经环形器进入光谱仪，由光谱仪形成干涉光谱，最后由计算机对干涉光谱进行解调，得到探测窗口的振动强度，并在计算机中实现成像；同时，启动进气泵和抽气泵，用以驱动气动马达的转子组件旋转，进而带动内设反射棱镜做回转运动，用以实现圆周扫描成像。

本发明的有益效果：

本发明的血管内超声成像装置及方法，将气动马达引入探头结构设计中，省去了复杂的电气化控制元件，大幅度简化了探头的制作工艺和成本；气动马达通过采用空心结构或透明结构，保证探测光的正常通过；使用全光进行超声信号的激发和检测，无需在探头内注入生理盐水，避免生理盐水带来的负面影响；采用光声原理激发超声信号方式以及白光干涉检测超声信号的方法，取代了传统血管内超声系统中的超声换能器，使得血管内超声探头不再被超声换能器尺寸所限制，可以省去超声换能器带来的需要声耦合介质的不便，有利于探头的小型化；使用白光干涉仪检测激发的超声信号所带来的探测壁表面振动，由于白光干涉灵敏度优于超声换能器，因此可以得到更优质的图像质量。

附图说明

图1为本发明的一种血管内超声成像装置的结构示意图；

图2为本发明的探头(位于血管内时)的结构示意图；

图中，1—激发光源，2—波分复用器，3—低相干光源，4—环形器，5—光纤耦合器，6—准直器，7—外设透镜，8—外设反射镜，9—探头，10—光谱仪，11—计算机，12—壳体，13—内设GRIN透镜，14—气动马达，15—内设反射棱镜，16—探测窗口，17—进气管，18—进气泵，19—出气管，20—抽气泵，21—光纤，22—血管组织斑块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1、2所示，一种血管内超声成像装置，包括激发光源1、波分复用器2、低相干光源3、环形器4、光纤耦合器5、准直器6、外设透镜7、外设反射镜8、探头9、光谱仪10及计算机11；所述激发光源1发出的光经光纤进入波分复用器2；所述低相干光源3通过环形器4与光纤耦合器5进行光连接，环形器4与光谱仪10进行光连接，光谱仪10与计算机11进行电连接；所述光纤耦合器5输出的光分为两路，分别为样品光和参考光；所述光纤耦合器5的样品光输出端与波分复用器2进行光连接，波分复用器2与探头9进行光连接；所述光纤耦合器5的参考光输出端与准直器6进行光连接，准直器6发出的光通过外设透镜7射向外设反射镜8；所述外设透镜7和外设反射镜8组成参考臂。

所述探头9包括壳体12、内设GRIN透镜13、气动马达14及内设反射棱镜15；所述内设GRIN透镜13固定设置在壳体12；所述气动马达14采用空心结构或透明结构，气动马达14的定子组件与壳体12固定连接配合；所述内设反射棱镜15固定设置在气动马达14的转子组件上，在内设反射棱镜15圆周方向的壳体12上设有探测窗口16，探测窗口16采用光的强吸收材料制成，用以提高光声转换效率；所述气动马达14的进气口通过进气管17与进气泵18相连，气动马达14的出气口通过出气管19与抽气泵20相连；所述内设GRIN透镜13通过光纤21与波分复用器2进行光连接，内设GRIN透镜13发出的光穿过气动马达14射向内设反射棱镜15，内设反射棱镜15反射的光聚焦到探测窗口16。

一种血管内超声成像方法，采用了所述的血管内超声成像装置，包括如下步骤：

步骤S1：超声信号激发过程

启动激发光源1，由激发光源1发射激发光，激发光依次经过波分复用器2、光纤21、内设GRIN透镜13及内设反射棱镜15射向探测窗口16，使探测窗口16激发出超声波，当超声波进入血管壁并遇到血管组织斑块22后，由于声阻抗的差异，超声波会在血管组织斑块22表面产生强反射，反射的超声波会返回探测窗口16，使探测窗口16产生振动；

步骤S2：超声信号检测过程

启动低相干光源3，由低相干光源3发射探测光，探测光经环形器4及光纤进入光纤耦合器5，由光纤耦合器5分别射出样品光和参考光；样品光依次经过波分复用器2、光纤21、内设GRIN透镜13及内设反射棱镜15射向振动的探测窗口16，样品光经振动的探测窗口16反射后原路返回光纤耦合器5；参考光依次经过准直器6和外设透镜7射向外设反射镜8，参考光经外设反射镜8反射后原路返回光纤耦合器5，并与返回的样品光一起经环形器4进入光谱仪10，由光谱仪10形成干涉光谱，最后由计算机11对干涉光谱进行解调，得到探测窗口16的振动强度，并在计算机11中实现成像；同时，启动进气泵18和抽气泵20，用以驱动气动马达14的转子组件旋转，进而带动内设反射棱镜15做回转运动，用以实现圆周扫描成像。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (3)

1.一种血管内超声成像装置，其特征在于：包括激发光源、波分复用器、低相干光源、环形器、光纤耦合器、准直器、外设透镜、外设反射镜、探头、光谱仪及计算机；所述激发光源发出的光经光纤进入波分复用器；所述低相干光源通过环形器与光纤耦合器进行光连接，环形器与光谱仪进行光连接，光谱仪与计算机进行电连接；所述光纤耦合器输出的光分为两路，分别为样品光和参考光；所述光纤耦合器的样品光输出端与波分复用器进行光连接，波分复用器与探头进行光连接；所述光纤耦合器的参考光输出端与准直器进行光连接，准直器发出的光通过外设透镜射向外设反射镜；所述外设透镜和外设反射镜组成参考臂。

2.根据权利要求1所述的一种血管内超声成像装置，其特征在于：所述探头包括壳体、内设GRIN透镜、气动马达及内设反射棱镜；所述内设GRIN透镜固定设置在壳体；所述气动马达采用空心结构或透明结构，气动马达的定子组件与壳体固定连接配合；所述内设反射棱镜固定设置在气动马达的转子组件上，在内设反射棱镜圆周方向的壳体上设有探测窗口，探测窗口采用光的强吸收材料制成；所述气动马达的进气口通过进气管与进气泵相连，气动马达的出气口通过出气管与抽气泵相连；所述内设GRIN透镜通过光纤与波分复用器进行光连接，内设GRIN透镜发出的光穿过气动马达射向内设反射棱镜，内设反射棱镜反射的光聚焦到探测窗口。

3.一种血管内超声成像方法，采用了权利要求1所述的血管内超声成像装置，其特征在于包括如下步骤：

步骤S1：超声信号激发过程

启动激发光源，由激发光源发射激发光，激发光依次经过波分复用器、光纤、内设GRIN透镜及内设反射棱镜射向探测窗口，使探测窗口激发出超声波，当超声波进入血管壁并遇到血管组织斑块后，由于声阻抗的差异，超声波会在血管组织斑块表面产生强反射，反射的超声波会返回探测窗口，使探测窗口产生振动；

步骤S2：超声信号检测过程

启动低相干光源，由低相干光源发射探测光，探测光经环形器及光纤进入光纤耦合器，由光纤耦合器分别射出样品光和参考光；样品光依次经过波分复用器、光纤、内设GRIN透镜及内设反射棱镜射向振动的探测窗口，样品光经振动的探测窗口反射后原路返回光纤耦合器；参考光依次经过准直器和外设透镜射向外设反射镜，参考光经外设反射镜反射后原路返回光纤耦合器，并与返回的样品光一起经环形器进入光谱仪，由光谱仪形成干涉光谱，最后由计算机对干涉光谱进行解调，得到探测窗口的振动强度，并在计算机中实现成像；同时，启动进气泵和抽气泵，用以驱动气动马达的转子组件旋转，进而带动内设反射棱镜做回转运动，用以实现圆周扫描成像。

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