CN116350188A - 一种无创可视化导引气管插管的光声成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种无创可视化导引气管插管的光声成像系统，其包括：高频激光器、512通道数据采集卡、Labview软件、光纤束、光纤固定出口、手持式聚焦环形探头、万向机械手臂及PC机，其中，所述高频激光器由PC机控制，作为光信号激励源，高频激光器的输出端经过凸透镜聚焦后与光纤束相连，所述512通道数据采集卡将光声信号转换为数字信号，所述光纤束的光纤出口固定在环形探头上方，所述手持式聚焦环形探头接收生物组织在激光照射下产生的光声信号，所述万向机械手臂与手持式聚焦环形探头可移动的组合设置，通过Labview软件导入延迟叠加算法，重建实时图像，PC机可视化生物组织结构。本发明提高了气管插管的成功率以及减少患者插管后并发症的发生率。

Description

一种无创可视化导引气管插管的光声成像系统及方法

技术领域

本申请涉及光声成像设备技术领域，主要涉及一种无创导引气管插管的成像方法。

背景技术

气管插管是临床麻醉工作中最基本的组成部分，是全身麻醉患者维持呼吸循环稳定的基础措施。传统普通喉镜气管插管技术在气管插管过程中要求声门充分暴露，这就需要操作者将喉镜片置入会厌根部并用力提向前上方，操作时往往会诱发较强烈的应激反应，进而引起心率增快，血压升高等不良血流动力学反应，增加患者心脑血管意外的发生率。近年来随着可视化技术在临床上的广泛运用，如何有效通过可视化技术替代传统插管技术从而减轻患者插管过程中的血流动力学波动成为广大临床麻醉医师的共同难题。

目前临床上使用的医学影像技术如超声多普勒成像、X光、核医学成像以及磁共振等由于自身技术机理的原因，都存在着各自的缺陷。传统光学成像技术虽然能够进行快速安全的无创检查，但其难以突破成像深度极限，无法在生物深层组织实现高分辨率的成像，使得光学成像技术的特点与优势不能彻底地发挥，临床上的应用仍然有限。近年来，光声成像技术的发展引起了生物医学成像技术领域的关注，这一技术使用脉冲激光来激励超声波信号，获得生物组织的光吸收分布信息。光声成像技术是一种结合了光学成像与超声成像特点的混合成像模式，能够快速准确地获取生物组织一定深度上的光吸收参数分布，图像分辨率能够与超声成像技术相媲美。

寻求一种操作简单、快捷、无创、维护方便的导引气管插管设备及方法非常重要，使其提高气管插管的成功率和减轻传统插管技术对人体造成的一定程度上伤害。

CN107174208A，一种适用于外周血管成像的光声成像系统及方法。其中，所述系统包括：分别与激光器和多通道数据采集卡相连的触发器；激光器；包括光纤束、超声换能器和夹持器的扫描探头，光纤束包括多根光纤，一端与激光器相连，另一端平均一分二被夹持器对称地固定在超声换能器的两侧，以实现声光共轴。光纤束用于将激光器产生的激光照射到待扫描目标产生光声信号，超声换能器用于接收光声信号；可拆卸地安装扫描探头的机械臂，机械臂用于带动扫描探头对待扫描目标进行扫描；分别与超声换能器和上位机相连的多通道数据采集卡。本发明提供的适用于用于外周血管疾病诊断的光声成像系统及方法，提高了成像的安全性及准确性。

该专利中所用的超声换能器为线性阵列超声换能器，由于光学成像的特殊性，角度覆盖是决定PAI图像质量的主要因素，而线阵换能器成像范围有限，导致图像质量下降，表现为圆形结构的特征水平延伸、边界缺失。而本发明提出了一种适用于气管的手持式聚集环形探头，角度覆盖范围更广，由于增加视场周围的层析覆盖范围，图像质量明显提升。

该专利中多通道数据采集卡根据采集信号采集超声换能器接收的光声信号，并将光声信号传输到上位机成像，并没有实现实时成像。而本发明通过Labview软件导入延迟叠加成像算法，重建实时图像，PC机实时可视化生物组织结构。以此根据实时的图像，可导引气管插管整个过程。可视化气管的整个结构和导管进入气管的整个过程。

该专利系统不具备可移动性，本发明有可移动落地式支架滑轮推车，使整个设备具有可移动性，能更好的适用于医院和急救中心。该专利适用于外周血管成像的光声成像系统能够对血流、血氧、氧代谢等重要生理参数进行无标记的定量高分辨率功能成像。更注重血管的功能成像。而本发明旨在无创可视化导引气管插管，更注重气管插管过程中结构性成像和实时成像两方面，是针对两种组织和器官的不同应用。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种无创可视化导引气管插管的光声成像系统及方法。本发明的技术方案如下：

一种无创可视化导引气管插管的光声成像系统，其包括：高频激光器、512通道数据采集卡、Labview软件、光纤束、光纤固定出口、手持式聚焦环形探头、万向机械手臂及PC机，其中，

所述高频激光器由PC机控制，作为光信号激励源，高频激光器的输出端经过凸透镜聚焦后与光纤束相连，所述光纤束与手持式聚焦环形探头相连接，所述手持式聚焦环形探头还分别与512通道数据采集卡、万向机械手臂相连接，所述512通道数据采集卡将光声信号转换为数字信号，其中512通道数据采集卡的一端与手持式聚焦环形探头相连，另一端与PC机相连；所述光纤束的光纤出口固定在手持式聚焦环形探头上方，所述手持式聚焦环形探头接收生物组织在激光照射下产生的光声信号，所述万向机械手臂与手持式聚焦环形探头可移动的组合设置，通过Labview软件导入延迟叠加算法，重建实时图像，PC机可视化生物组织结构。

进一步的，所述高频激光器是OPO脉冲激光器，重复频率10-100HZ可调，波长范围690～980nm，其能量密度<10mJ/cm2，采用波长910nm的激光。

进一步的，所述光纤束为单向单光纤，光纤与环形探头之间相对倾斜角度呈30°。

进一步的，所述光纤固定出口采用3D打印制成。

进一步的，所述手持式聚焦环形探头采用512晶元环形聚集探头，中心频率-6dB,属于水浸线聚焦环形阵列探头，中心频率5MHz，阵元数量512个，阵元间距0.95mm,阵元宽度0.85mm。

进一步的，所述通过Labview软件导入延迟叠加算法，重建实时图像，具体包括两个过程，计算延迟时间与数据求和：

(1)延迟时间：通过计算从目标点到传感器接收单元的距离，再根据传输介质的速度，以及超声传感器阵列的采样频率，求光声信号从目标点到信号接收处所需要的时间，由此定位出所收集的数据点在传感器接收数据集中的位置，找到目标点在某个传感器所对应的时间的接收信号。

(2)在确定了传感器阵列中每个单元所对应的接收时间及对应的信号强度，将数据全部提前进行求和，即为该目标点的信号强度。

根据这个方法，可以求出图像中每个像素所对应的所有阵列信号之和，由此得到整个图像区域的强度信息。

进一步的，所述万向机械手臂包括：气压悬停伸缩旋转升降通用挂架(吊顶两节臂)、可移动落地式支架滑轮推车、3D打印的成像接口。可移动落地式支架滑轮推车与气压悬停伸缩旋转升降通用挂架(吊顶两节臂)相连，气压悬停伸缩旋转升降通用挂架(吊顶两节臂)与3D打印的成像接口相连，构成万向机械手臂。使设备具有可移动性，高操作性和高灵活性。

进一步的，包括以下步骤：

高频激光器通过光纤束发射激光，照射到生物组织上，生物组织热膨胀产生光声信号，手持式聚焦环形探头接收信号；512通道数据采集卡根据采集所述手持式聚焦环形探头接收到的光声信号，并传输到连接的PC机上；所述PC机对数据采集卡采集的数据进行整理，并用基于延迟叠加算法的Labview软件重建实时图像。

进一步的，所述PC机控制OPO激光器发射出重复频率10-100HZ可调，波长910nm的激光；

激光通过凸透镜聚焦后耦合到光纤束中，光纤束是1mm*60mm的单向单光纤，超声换能器上方固定光纤出口，光纤与探头之间相对倾斜角度呈30°，激光照射到待扫描目标，组织体会吸收光能，在极短的时间内发生温度上升；周期性的温度变化引起热弹效应，激发出较高频率的声波产生光声信号；

所述手持式聚集环形探头对信号进行探测，采集光声信号；

所述PC机控制多通道数据采集卡采集所述手持式聚集环形探头接收到的光声信号，并将所述光声信号发送至PC机中；

通过Labview软件导入延迟叠加成像算法，重建实时图像，PC机实时可视化生物组织结构。

本发明的优点及有益效果如下：

1.本发明针对于传统普通喉镜气管插管技术在操作时会诱发较强烈的应激反应，增加患者心脑血管意外的发生率。提出一种新型可视化技术，替代传统插管技术，导引气管插管。其具有安全便携、无创、可重复操作的优点，并逐渐应用于围术期气道评估和解剖定位。基于光声成像技术搭建的光声系统，操作简便，可直接在屏幕中显示出呼吸道的解剖图像以确认气管导管是否在气道内。由于颈段气管相对表浅，在光声图像中易被辨别，经过短期相关培训后的麻醉医师就可以快速且准确地分辨气管导管位置的准确性。

2.整个系统具有可移动性，小型化的特点，使其适用于医院。其中，气管插管患者术后咽痛及口唇黏膜损伤主要是由普通喉镜在置入镜片及暴露声门过程中造成的，光声引导下气管插管避免的这些操作，有效降低了患者术后咽痛及口唇黏膜损伤的发生率。

3.本发明不仅可以实时动态检测气管的结构，还能观测气管的功能参数。对气管壁内的结构层次显示优于其它影像学检查，可显示气管壁结构，而超声、CT及MRI均不能较好地分辨气管壁层次结构。进一步可以通过多光谱算法获取气管壁不同组织成分含量的定量参数，评估气管功能变化，减轻患者插管过程中的血流动力学波动。

创新性：利用光声成像技术动态检测气管插管整个过程，实现无创导引气管插管。 生成实时图像，以此调整插管的角度，有效减少插管用时，提高插管成功率。整个设备具有 无创、可移动性、小型化以及可视化的特点，使其能应用于紧急场合。而气管插管通常要求 快速且准确，在紧急时候该设备能使气管插管尽快尽早的完成，为患者争取到宝贵的急救 时间。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例适用于引导气管插管的光声成像系统的结构示意图；

图2本发明一实施例适用于引导气管插管的光声成像方法的流程示意图。

图中，1-PC机；2-高频激光器；3-凸透镜；4-光纤束；5-手持式聚集环形探头；6-万向机械手臂；7-512通道数据采集卡；8-Labview软件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

光声成像是近年来蓬勃兴起的一种基于生物组织内部的光学吸收特性差异，以光声作为信息载体的新型无损生物医学成像方法，具备纯光学成像的高对比度特性和纯超声成像的深穿透特性。光声成像技术其工作原理是光声效应，即吸收物质经脉冲调制的激光后吸收激光能量，激光脉冲激发的热弹性膨胀时间远大于激光脉冲的持续时间，热量难以瞬时平衡，从而吸收物质会把吸收的光能转换为对应的热能，热弹性效应的存在会让吸收物质进行具有规律性的周期变化，从而激励出超声波信号，最后使用超声探测器接收信号实现对数据的图像重建。

一种用于无创导引气管插管的成像方法，图1为本发明一实施例适用于引导气管插管的光声成像系统的结构示意图，本光声成像系统包括高频激光器2、512数据采集卡7、光纤束4、手持式聚集环形探头5、凸透镜3、Labview软件8、PC机1以及万向机械手臂6。其中高频激光器2作为激励源，凸透镜3和光纤束4作为激光耦合模块，手持式聚集环形探头5和万向机械手臂6作为成像接口，512通道数据采集卡7作为快速数据采集模块，PC机1和Labview软件8作为实时成像模块。

高频激光器2由PC机1控制，作为光信号激励源，一端经过凸透镜3聚焦后与光纤束4相连，512通道数据采集卡7将光声信号转换为数字信号并尽量减少信号失真，其中一端与手持式聚集环形探头5相连，另一端与PC机1相连。光纤束4其中有多根光纤，其中一端与耦合后的激光相连，另一端由所述光纤出口固定在手持式聚集环形探头5上方，光纤与探头之间相对倾斜角度呈30°。手持式聚集环形探头5接收生物组织在激光照射下产生的光声信号，其中一端与512通道数据采集卡7相连。万向机械手臂6可以与手持式聚集环形探头5相组合，从而使手持式聚集环形探头5与其一起移动，方便操作，使系统实现可移动性。通过Labview软件8导入延迟叠加算法，重建实时图像。PC机1可视化生物组织结构。

1.具体地，激励源是高频激光器2，重复频率10-100HZ可调，波长范围690～980nm，其能量密度<10mJ/cm2(在欧盟规定的激光能量安全阈值之内)。选择适当波长的激光依次照射所述待扫描目标，不同成分在不同波长的激光照射下光吸收系数不同，由不同波长的激光激发获得的光声信号有差异，从而可以获得多种参数的功能成像。由于气管含有大量的胶原蛋白和弹性蛋白，两者作为内源性色素团，其光吸收系数的波长范围在900～1300nm，所以本发明采用波长910nm的激光，对气管气管整体结构显示的清晰度与对比度最佳。

进一步地，高频激光器2发出激光在经过凸透镜3聚集后与所述光纤束4相连。

进一步地，光纤固定出口采用3D打印制成。

可视化无创导引气管插管的整个过程：通过上述设备获取患者光声影像图像，经过数据重建可视化气管结构及其与气管周围正常组织之间的界限，显示气管的大小和空间位置，用于导引气管插管。

具体地，手持式聚集环形探头5中心频率-6dB,属于水浸线聚焦环形阵列探头，中心频率5MHz，阵元数量512个，阵元间距0.95mm,阵元宽度0.85mm

具体地，手持式聚集环形探头5的两端均光纤固定安装有光纤束4，激光束的一端与激光光纤连接。

激光器2通过所述光纤束4发射激光。照射到生物组织上，生物组织热膨胀产生光声信号，手持式聚集环形探头5接收信号；512通道数据采集卡7根据手持式聚集环形探头5接收到的光声信号，并传输到连接的PC机1上；所述PC机1对512通道数据采集卡7采集的数据进行整理，并用基于延迟叠加算法的labview软件8重建实时图像。

无创导引气管插管：定位气管所在位置，通过术前定标，调整导管的插入角度，保持气管与导管实时保持在同一光声图像中，实时获取气管与导管的位置，实现术中成功引导气管插管，减少传统普通喉镜插管后引发的并发症。

下面对本发明一实施例适用于引导气管插管的光声成像方法的流程示意图进行说明：

S01、PC机控制opo激光器发射出重复频率10-100HZ可调，波长910nm的激光。

具体地，在整个光声成像中，首先需要打开opo激光器的开关按钮，pc机打开OPO激光器的控制软件。通过软件，可以控制激光器的开关，激光的频率，能量以及波长。即可选择合适参数的激光进行以下的过程。

S02、激光耦合到光纤束中，照射生物组织上产生光声信号。

具体地，激光通过凸透镜聚焦后耦合到光纤束中，光纤束是单向单光纤，超声换能器上方固定光纤出口，光纤与探头之间相对倾斜角度呈30°，激光照射到待扫描目标，组织体会吸收光能，在极短的时间内发生温度上升。周期性的温度变化引起热弹效应，激发出较高频率的声波产生光声信号；在本发明中，用特定波长的激光照射人体气管，可以使人体气管结构成像。其中激光波长的选择，是根据气管组织内的内源性造影剂的组成，可显示气管的位置、壁结构，并可实时动态观察管腔的呼吸相变化。

S03、手持式聚集环形探头换能器对信号进行探测，采集光声信号。

具体地、志愿者仰卧位、头放正中，颈部自然伸展，光纤以30度角出光照射颈前区位置，超声换能器浸入至水囊中，即可采集气管部位发出的光声信号。

S04、PC机控制多通道数据采集卡采集所述超声换能器接收到的光声信号，并将所述光声信号发送至PC机中；

具体地、所述多通道数据采集卡接收所述采集信号，并在接收所述采集信号后，将采集到的所述光声信号发送至PC机。

S05、通过Labview软件导入延迟叠加成像算法，实时可视化生物组织结构。

具体地，通过Labview软件导入延迟叠加成像算法，重建实时图像，PC机实时可视化生物组织结构。以此根据实时的图像，可导引气管插管整个过程。可视化气管的整个结构和导管进入气管的整个过程。提升气管插管的一次成功率。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (9)

1.一种无创可视化导引气管插管的光声成像系统，其特征在于，包括：高频激光器、512通道数据采集卡、Labview软件、光纤束、光纤固定出口、手持式聚焦环形探头、万向机械手臂及PC机，其中，

所述高频激光器由PC机控制，作为光信号激励源，高频激光器的输出端经过凸透镜聚焦后与光纤束相连，所述光纤束与手持式聚焦环形探头相连接，所述手持式聚焦环形探头还分别与512通道数据采集卡、万向机械手臂相连接，所述512通道数据采集卡将光声信号转换为数字信号，其中512通道数据采集卡的一端与手持式聚焦环形探头相连，另一端与PC机相连；所述光纤束的光纤出口固定在手持式聚焦环形探头上方，所述手持式聚焦环形探头接收生物组织在激光照射下产生的光声信号，所述万向机械手臂与手持式聚焦环形探头可移动的组合设置，通过Labview软件导入延迟叠加算法，重建实时图像，PC机可视化生物组织结构。

2.根据权利要求1所述的无创可视化导引气管插管的光声成像系统，其特征在于，所述高频激光器是OPO脉冲激光器，重复频率10-100HZ可调，波长范围690～980nm，其能量密度<10mJ/cm2，采用波长910nm的激光。

3.根据权利要求1所述的无创可视化导引气管插管的光声成像系统，其特征在于，所述光纤束为单向单光纤，光纤与环形探头之间相对倾斜角度呈30°。

4.根据权利要求1所述的无创可视化导引气管插管的光声成像系统，其特征在于，所述光纤固定出口采用3D打印制成。

5.根据权利要求1所述的无创可视化导引气管插管的光声成像系统，其特征在于，所述手持式聚焦环形探头采用512晶元环形聚集探头，中心频率-6dB,属于水浸线聚焦环形阵列探头，中心频率5MHz，阵元数量512个，阵元间距0.95mm,阵元宽度0.85mm。

6.根据权利要求1所述的无创可视化导引气管插管的光声成像系统，其特征在于，所述通过Labview软件导入延迟叠加算法，重建实时图像，具体包括两个过程，计算延迟时间与数据求和：

(1)延迟时间：通过计算从目标点到传感器接收单元的距离，再根据传输介质的速度，以及超声传感器阵列的采样频率，求光声信号从目标点到信号接收处所需要的时间，由此定位出所收集的数据点在传感器接收数据集中的位置，找到目标点在某个传感器所对应的时间的接收信号；

(2)在确定了传感器阵列中每个单元所对应的接收时间及对应的信号强度，将数据全部提前进行求和，即为该目标点的信号强度；

根据这个方法，可以求出图像中每个像素所对应的所有阵列信号之和，由此得到整个图像区域的强度信息。

7.根据权利要求1所述的无创可视化导引气管插管的光声成像系统，其特征在于，所述万向机械手臂包括：气压悬停伸缩旋转升降通用挂架(吊顶两节臂)、可移动落地式支架滑轮推车、3D打印的成像接口，可移动落地式支架滑轮推车与气压悬停伸缩旋转升降通用挂架(吊顶两节臂)相连，气压悬停伸缩旋转升降通用挂架(吊顶两节臂)与3D打印的成像接口相连，构成万向机械手臂，使设备具有可移动性，高操作性和高灵活性。

8.一种采用权利要求1至7任一项所述的系统的光声成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

高频激光器通过光纤束发射激光，照射到生物组织上，生物组织热膨胀产生光声信号，手持式聚焦环形探头接收信号；512通道数据采集卡根据采集所述手持式聚焦环形探头接收到的光声信号，并传输到连接的PC机上；所述PC机对数据采集卡采集的数据进行整理，并用基于延迟叠加算法的Labview软件重建实时图像。

9.根据权利要求8所述的光声成像方法，其特征在于，所述PC机控制OPO激光器发射出重复频率10-100HZ可调，波长910nm的激光；

激光通过凸透镜聚焦后耦合到光纤束中，光纤束是1mm*60mm的单向单光纤，超声换能器上方固定光纤出口，光纤与探头之间相对倾斜角度呈30°，激光照射到待扫描目标，组织体会吸收光能，在极短的时间内发生温度上升；周期性的温度变化引起热弹效应，激发出较高频率的声波产生光声信号；

所述手持式聚集环形探头对信号进行探测，采集光声信号；

所述PC机控制多通道数据采集卡采集所述手持式聚集环形探头接收到的光声信号，并将所述光声信号发送至PC机中；

通过Labview软件导入延迟叠加成像算法，重建实时图像，PC机实时可视化生物组织结构。

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