CN116262027A - 一种多点聚焦光声内窥成像导管 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种多点聚焦光声内窥成像导管，涉及生物成像技术领域。包括外壳、扭矩线圈、超声换能器以及沿光路依次同轴设置的光纤、聚焦透镜、至少一个分光棱镜和反射镜，聚焦透镜、至少一个分光棱镜、超声换能器、反射镜均设置在外壳的内部，光纤的一端固定在外壳内，光纤和聚焦透镜之间具有间隙；每个分光棱镜均用于将入射的光束分成被反射的第一激发光束和透过的第二激发光束，第一激发光束和经反射镜反射后射出的光束均交汇在超声换能器的正上方，第一激发光束和经反射镜反射后射出的光束的焦点不重叠。本申请用于获得更大的成像范围，以获取完整的高分辨内窥图像。
Description
技术领域
本申请涉及生物成像技术领域，尤其涉及一种多点聚焦光声内窥成像导管。
背景技术
光声成像是一种新兴的生物医学成像方式，其基本原理是：生物组织吸收脉冲激光后，被部分或全部转化为热能，引起压力升高，这种压力以超声波的形式在生物组织内传播，进而被超声换能器接收并转化为电信号，经过数据处理后变为图像。光声成像结合了光学成像的高分辨率和超声成像深度大的优点，可以对生物组织进行结构和功能成像，具有较高的临床应用前景。
目前，光声在内窥成像领域的诸多应用中，针对消化道内微血管网络成像和血管内粥样硬化斑块成像发展较为突出。由于血红蛋白较强的光吸收，光声成像无需外部标记即可进行高灵敏的微血管成像，这非常适合于对消化道肿瘤的滋养血管进行无创、精确、长时间的观察，对癌症的早诊早治提供重要帮助。针对血管内应用，由于光声成像技术可以获得组织成分信息，结合超声信息，血管内光声可以分辨血管壁结构、纤维帽厚度以及斑块内成分分布，为血管内易损板块识别、诊断提供新的有力依据。光声内窥成像时，需要将导管深入腔体，比如消化道或血管内，导管一般运动机构带动在腔体内快速旋转，同时做回撤运动，完成对腔体扫描。
现有光声内窥导管主要利用单路高斯光束作为脉冲激发光产生光声信号，采用这种设计的脉冲激发光只有一个焦点，设计时需要平衡焦点处光斑大小和景深长度。一般而言焦点处光斑越小，景深也会越短，反之亦然。而光斑越大，激发效率越低，图像信噪比越差。现有技术通常采用减小光斑的方式实现更好的激发效率，以提高信噪比。但直接减小光斑会使得成像景深变短，从而使得成像范围变小。在实际应用过程中，由于待测生物组织不可能以完美的几何形状分布，比如消化道内存在很多褶皱，血管也不会是标准的圆形，因此，离焦位置处光声信号会变差。现有技术难以获得全面完整光声信号。另外，现有技术中还有采用多角度激发光束的方法提高激发效率和改善分辨率。但是这种实现方式体积较大，难以集成在光声内窥导管中，而且现有技术中，多个光束的焦点均设置在同一点，这种方式不能增大景深。
发明内容
本申请提供一种多点聚焦光声内窥成像导管，在内窥导管的微小空间中，形成双焦点激发光，在同等光斑大小情况实现更长景深，更好适应内窥成像中生理上的褶皱变化，获得更大的成像范围，实现高分辨成像。
为达到上述目的，本申请提供一种多点聚焦光声内窥成像导管，包括外壳、扭矩线圈、超声换能器以及依次同轴排列的光纤、聚焦透镜、至少一个分光棱镜和反射镜，所述聚焦透镜、分光棱镜、换能器、反射镜均设置在外壳的内部，所述光纤的一端固定在外壳内，所述光纤和聚焦透镜之间具有可调间隙；
从光纤出射的脉冲激光通过光纤和聚焦透镜之间的间隙后由聚焦透镜进行聚焦，聚焦后的脉冲激光经过分光棱镜后被分为被反射的第一激发光束和透过的第二激发光束，第一激发光束直接射出，第二激发光束经反射镜反射后射出并与第一激发光束交汇，第一激发光束和第二激发光束的焦点不重叠。
进一步地，还包括第一匹配管、第二匹配管以及固定在外壳上的支撑件，所述外壳、第一匹配管和第二匹配管从外向内依次套设，所述光纤的一端穿出第二匹配管，所述聚焦透镜插接在第一匹配管内，所述反射镜以及至少一个分光棱镜均设置在所述支撑件上。
进一步地，所述超声换能器为中空型超声换能器，所述中空型超声换能器固定在分光棱镜上。
进一步地，第一激发光束和第二激发光束的焦点均位于空型超声换能器中心轴线上。
进一步地，所述超声换能器嵌设于支撑件内并位于分光棱镜和反射镜之间的位置，所述支撑件上开设有与超声换能器相配合的通孔。
进一步地，还包括透明保护管，外壳套设在透明保护管内，外壳的直径小于透明保护管的直径。
进一步地，所述透明保护管和外壳的外壳之间填充有超声耦合剂。
进一步地，所述外壳的材质为金属。
本申请相比现有技术具有以下有益效果：本申请能够在保持焦点处光斑不变或者减小焦点处光斑的同时增大景深，从而获得更大的成像范围，从生物组织中获取更完整全面的光声信号。本申请采用分光棱镜形成两束激发光束，无需增大导管体积。利用分光棱镜和反射镜形成两个错位焦点，使得总景深变长，可以获得更大范围的光声信号，更适应人体内腔道内各种褶皱环境的扫描，增强临床的实用性。利用多个分光棱镜和反射镜形成多个错位焦点，进一步加大景深。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例2中多点聚焦光声内窥成像导管的结构示意图；
图2为本申请实施例2中具有分光棱镜的成像导管的景深图；
图3为不具有分光棱镜的成像导管的景深图；
图4为本申请中空型超声换能器结构示意图；
图5为本申请实施例3中多点聚焦光声内窥成像导管的示意图；
图6为本申请实施例4中多点聚焦光声内窥成像导管的结构示意图；
图7为本申请实施例2中光学仿真模拟图。
图中，1-外壳，2-扭矩线圈，3-超声换能器，4-光纤，5-聚焦透镜，6-分光棱镜，7-反射镜，8-第一匹配管，9-第二匹配管，10-支撑件，11-透明保护管。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本申请实施例1提供了一种多点聚焦光声内窥成像导管，包括外壳1、扭矩线圈2、超声换能器3以及沿光路依次同轴设置的光纤4、聚焦透镜5、至少一个分光棱镜6和反射镜7，聚焦透镜5、至少一个分光棱镜6、超声换能器3、反射镜7均设置在外壳1的内部，光纤4的一端固定在外壳1内，光纤1和聚焦透镜5之间具有可调间隙；光纤4的另一端连接在三维螺旋扫描装置的光电滑环上。扭矩线圈2一端固定在外壳1末端，另一端固定在三维螺旋扫描装置内。每个分光棱镜6均用于将入射的光束分成被反射的第一激发光束和透过的第二激发光束，第一激发光束和经反射镜反射后射出的光束均交汇在超声换能器3的正上方，各个第一激发光束的焦点不重合，经反射镜反射后射出的光束和第一激发光束的焦点也不重叠。
从光纤4出射的脉冲激光通过光纤4和聚焦透镜5之间的间隙后由聚焦透镜5进行聚焦，聚焦后的脉冲激光经过分光棱镜6后被反射的第一激发光束和透过的第二激发光束，第二激发光束经反射镜7反射后射出并与第一激发光束交汇，交汇后的光束反射到样品上激发超声信号，超声信号经超声换能器3转换成电信号并由同轴电缆传送到采集系统，超声换能器3通过发出和接收独立完成超声成像。若光路中有多个分光棱镜6，从第一个分光棱镜6透射的第二激光束会入射至第二个分光棱镜6，光束再次被分为被反射的第一激发光束和透过的第二激发光束，经分光棱镜6反射的第一激光束和经反射镜反射后射出的光束均交汇在超声换能器3的正上方，并且每个光束的焦点均不重叠。
参见图1、7，本申请实施例2提供了一种多点聚焦光声内窥成像导管，包括透明保护管11、外壳1、扭矩线圈2、超声换能器3、第一匹配管8、第二匹配管9、固定在外壳1内的支撑件10以及沿光路依次同轴设置的光纤4、聚焦透镜5、分光棱镜6和反射镜7，扭矩线圈2一端固定在外壳1末端，另一端固定在三维螺旋扫描装置内。超声换能器3为如图4所示的中空型超声换能器，超声换能器3包括依次连接的匹配层、压电材料和背衬，超声换能器3能够接收生物组织内传播的超声波，并将其转化为电信号。中空型超声换能器固定在分光棱镜6上。
外壳1、第一匹配管8和第二匹配管9从外向内依次同轴套设，外壳1为管状结构，材质可以为但不限于金属。光纤4的一端穿出第二匹配管9，另一端连接在三维螺旋扫描装置的光电滑环上，聚焦透镜5插接在第一匹配管8内，光纤4和聚焦透镜5之间具有间隙。光纤4套设在第一匹配管8内，能够增大光纤端直径。第一匹配管8和第二匹配管9同轴套设，保证光纤4和聚焦透镜5同轴放置，还能固定光纤4和聚焦透镜5之间间隙，第一匹配管8的外径与外壳1的尺寸相适配，便于放置在外壳1内。反射镜7以及分光棱镜6均固定在支撑件10上。
通过改变反射镜7和分光棱镜6之间的间隔、光纤4到聚焦透镜5间隔以及反射镜7的角度可以控制两个焦点的分布。外壳1设置在透明保护管11内，外壳1的直径小于透明保护管11的直径，外壳1可在透明保护管11中旋转；透明保护管11和外壳1之间填充有超声耦合剂。
从光纤4出射的脉冲激光通过光纤4和聚焦透镜5之间的间隙后由聚焦透镜5进行聚焦，聚焦后的脉冲激光经过分光棱镜6后被分为被反射的第一激发光束和透过的第二激发光束，第一激发光束穿过超声换能器3的中心开孔处后直接射出，第二激发光束经反射镜7反射后射出并与第一激发光束交汇，第一激发光束和第二激发光束的焦点不重叠，并且两个焦点均位于超声换能器3中心轴线上。交汇后的光束反射到样品上激发超声信号，超声信号经所述超声换能器3转换成电信号并由同轴电缆传送到采集系统，超声换能器3通过发出和接收独立完成超声成像。第一激发光束与声束重合，另一束激发光束与声束以一定角度相交。
参见图2和图3分别为具有分光棱镜的成像导管和不具有分光棱镜的成像导管，图3中只有一个焦点的导管景深，加入分光棱镜后(如图2所示)有两个焦点的导管景深，景深被增大，因此具有分光棱镜的成像导管能克服单焦点的脉冲激光景深范围有限问题。
参见图5，本申请实施例3提供了一种多点聚焦光声内窥成像导管，包括透明保护管11、外壳1、扭矩线圈2、超声换能器3、第一匹配管8、第二匹配管9、固定在外壳1上的支撑件10以及沿光路依次同轴设置的光纤4、聚焦透镜5、分光棱镜6和反射镜7，扭矩线圈2一端固定在外壳1末端，另一端固定在三维螺旋扫描装置内。外壳1为金属的管状结构。外壳1、第一匹配管8和第二匹配管9从外向内依次同轴套设。光纤4的一端穿出第二匹配管9，光纤4的另一端连接在三维螺旋扫描装置的光电滑环上，聚焦透镜5插接在第一匹配管8内，光纤4和聚焦透镜5之间具有间隙。反射镜7以及分光棱镜6均固定在支撑件10上，超声换能器3嵌设于支撑件10内并位于分光棱镜6和反射镜7之间的位置。
从光纤4出射的脉冲激光通过光纤4和聚焦透镜5之间的间隙后由聚焦透镜5进行聚焦，聚焦后的脉冲激光经过分光棱镜6后被分为被反射的第一激发光束和透过的第二激发光束，第一激发光束直接射出，第二激发光束经反射镜7反射后射出并与第一激发光束交汇，第一激发光束和第二激发光束的焦点不重叠，并且两个焦点均位于超声换能器3中心轴线上。交汇后的光束反射到样品上激发超声信号，超声信号经所述超声换能器3转换成电信号并由同轴电缆传送到采集系统，超声换能器3通过发出和接收独立完成超声成像。第一激发光束和第二激发光束均与声束形成夹角。
参见图6，本申请实施例4提供了一种多点聚焦光声内窥成像导管，包括透明保护管11、外壳1、扭矩线圈2、超声换能器3、第一匹配管8、第二匹配管9、固定在外壳1内的支撑件10以及沿光路依次同轴设置的光纤4、聚焦透镜5、两个分光棱镜6和反射镜7。外壳1、第一匹配管8和第二匹配管9从外向内依次同轴套设，扭矩线圈2一端固定在外壳1末端，另一端固定在三维螺旋扫描装置内。外壳1为金属的管状结构。光纤4的一端穿出第二匹配管9，另一端连接在三维螺旋扫描装置的光电滑环上，聚焦透镜5插接在第一匹配管8内，光纤4和聚焦透镜5之间具有间隙。反射镜7以及两个分光棱镜6均固定在支撑件10上，超声换能器3固定在靠近聚焦透镜5的分光棱镜6上。
从光纤4出射的脉冲激光通过光纤4和聚焦透镜5之间的间隙后由聚焦透镜5进行聚焦，聚焦后的脉冲激光经过第一个分光棱镜6后被分为被反射的第一激发光束和透过的第二激发光束，第一激发光束穿过换能器的中心开孔处后直接射出，第二激发光束经过第二个分光棱镜6后再次被分为被反射的第一激发光束和透过的第二激发光束，被第二个分光棱镜6反射的第一激发光束与被第一个分光棱镜6反射的第一激发光束交汇，从第二个分光棱镜6透过的第二激发光束经反射镜7反射后射出并与第一激发光束交汇，三个光束交汇于超声换能器3的正上方且焦点均不重叠，三个焦点均位于超声换能器3中心轴线上。交汇后的光束反射到样品上激发超声信号，超声信号经所述超声换能器3转换成电信号并由同轴电缆传送到采集系统，超声换能器3通过发出和接收独立完成超声成像。这样可以产生三个焦点，进一步加大景深。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种多点聚焦光声内窥成像导管，其特征在于，包括外壳、扭矩线圈、超声换能器以及沿光路依次同轴设置的光纤、聚焦透镜、至少一个分光棱镜和反射镜，所述聚焦透镜、至少一个分光棱镜、超声换能器、反射镜均设置在外壳的内部，所述光纤的一端固定在外壳内，所述光纤和聚焦透镜之间具有可调间隙；
每个分光棱镜均用于将入射的光束分成被反射的第一激发光束和透过的第二激发光束，所述第一激发光束和经反射镜反射后射出的光束均交汇于超声换能器的正上方，第一激发光束和经反射镜反射后射出的光束的焦点不重叠。
2.根据权利要求1所述的一种多点聚焦光声内窥成像导管，其特征在于，还包括第一匹配管、第二匹配管以及固定在外壳内的支撑件，所述外壳、第一匹配管和第二匹配管从外向内依次套设，所述光纤的一端穿出第二匹配管，所述聚焦透镜插接在第一匹配管内，所述反射镜以及至少一个分光棱镜均设置在所述支撑件上。
3.根据权利要求2所述的一种多点聚焦光声内窥成像导管，其特征在于，所述超声换能器为中空型超声换能器，所述中空型超声换能器固定在分光棱镜上。
4.根据权利要求3所述的一种多点聚焦光声内窥成像导管，其特征在于，第一激发光束和第二激发光束的焦点均位于中空型超声换能器的中心轴线上。
5.根据权利要求2所述的一种多点聚焦光声内窥成像导管，其特征在于，所述超声换能器嵌设于支撑件内并位于分光棱镜和反射镜之间的位置，所述支撑件上开设有与超声换能器相配合的通孔。
6.根据权利要求1所述的一种多点聚焦光声内窥成像导管，其特征在于，还包括透明保护管，外壳套设在透明保护管内，外壳的直径小于透明保护管的直径。
7.根据权利要求6所述的一种多点聚焦光声内窥成像导管，其特征在于，所述透明保护管和外壳的外壳之间填充有超声耦合剂。
8.根据权利要求1所述的一种多点聚焦光声内窥成像导管，其特征在于，所述外壳的材质为金属。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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