CN116491900A - 一种基于光声成像的创伤参数检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于光声成像的创伤参数检测系统及方法，属于医疗器械领域。其包括输入模块、创伤检测模块、创伤评估模块和结果输出模块。其中输入模块包括计算机、OPO高频激光器和光纤，其输出端与创伤检测模块的输入端单向电相连；创伤检测模块包括凹面超声阵列探测器和采集卡，以实现快速数据采集与实时成像，其输出端与创伤评估模块的输入端为单向电连接；创伤评估模块的输出端与结果输出模块的输入端为单向电连接。本发明基于光声成像的创伤现场诊断系统联合延迟叠加算法和多光谱光声定量图像重建算法集成于计算机中，其同时提供组织内部结构、组织灌注和组织代谢参数的高分辨率的实时图像，可作为创伤现场诊断的新型影像系统。

Description

一种基于光声成像的创伤参数检测系统及方法

技术领域

本发明属于医疗器械领域，特别涉及一种基于光声成像的创伤参数检测系统。

背景技术

随着社会经济的迅猛发展，科学技术的不断进步和人们生活水平的提高，在人为尚未能有效控制的情况下地震、工地事故、交通事故、军队演习、战场引发的创伤频繁发生。

在众多的自然灾害中，地震是自然灾害之首，可造成大量人员伤亡，在地震后，强烈地震会造成大量人群困于倒塌的建筑下；建筑业具有劳动力密集、多工种交叉作业、劳动强度大、危险系数高等特点，安全隐患无处不在。建筑物的坍塌事故时有发生，伤亡惨重；在我国交通道路持续快速发展，机动化进程不断加快，道路交通事故多发易发，造成大量的人员伤亡；军队演习现场的情况比较复杂，规则再多也难免出现差池造成人员伤亡；由于大量高新技术武器和高能高爆炸武器的广泛应用，以及多兵种联合作战，现代战争的模式和形态发生了巨大的变化，但是出血依然是战场创伤的主要死因。

现代创伤以严重损伤，多发伤和同时多人受伤为特点，严重创伤可造成心、脑、肺和脊髓等重要脏器功能障碍，以及出血过多导致休克和死亡。在突发的创伤事故现场，医疗救援力量往往是有限的，尤其是在事发初期急救医生资源可能十分匮乏。因此必须将有限的急救资源用在刀刃上，优先保证抢救重要伤员。创伤现场诊断创伤程度，并根据伤情进行分类能够尽快地把重伤员从一大批伤亡人群中筛查出来，争取宝贵的时机在第一时间拯救，从而避免重伤员因得不到及时救治而死于现场。

医学检测影像技术有X线成像、功能性磁共振成像、超声成像和近红外功能成像。X线检查图像清晰，设备价格适中，然而其具有电离辐射，且不能实现创伤现场患者实时动态连续检查；功能性磁共振对创伤检查优于X线成像，然而其通常所需扫描时间较长，要求伤员安静制动，且身体内部需要排除金属，其设备一般体积庞大，所以不适用于创伤现场的实时检测；超声成像具有便捷、可视、无创的优点，然而其不能提供创伤伤员肢体损伤程度的直接判据，且对医生操作水平要求较高；近红外功能成像能够对早期现场创伤进行诊断，然而其空间分辨率有限，不能对损伤部位进行精准定位，对于微小病灶难以探测。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于光声成像的创伤参数检测及检测方法。本发明的技术方案如下：

一种基于光声成像的创伤参数检测系统，其包括：输入模块、创伤检测模块、创伤评估模块和结果输出模块；所述输入模块的输出端与所述创伤检测模块的输入端连接；所述创伤检测模块的输出端与创伤评估模块的输入端连接；所述创伤评估模块的输出端与结果输出模块的输入端连接；其中，

所述输入模块包括计算机、OPO高频激光器和光纤，计算机控制OPO高频激光器发出脉冲激光，激光经过光纤传输照射到被测生物组织产生超声信号即光声信号；

所述创伤检测模块包括采集模块和图像显示模块；所述采集模块包括凹面超声阵列探测器、万向机械手臂、多通道数据采集卡；通过调整万向机械手臂使得手持式凹面超声阵列探测器正中心垂直置于被测生物组织上，使其凹面超声阵列探测器能够快速接收输入模块输出端发出的激励光引起的光声信号，凹面超声阵列探测器与采集卡单向电连接，多通道数据采集卡采集所述凹面超声换能器接收到的光声信号，并将采集到的光声信息传至计算机；

所述图像显示模块的硬件包括计算机；软件基于Labview实时图像显示；算法包括延迟叠加算法；所述计算机与多通道数据采集卡单向电连接，其接收采集卡采集的光声信号并结合基于Labview软件和延迟叠加算法进行图像实时显示；

所述创伤评估模块，若是创伤状态则结合多光谱光声定量重建算法计算出创伤组织的血流动力学异常参数。

进一步的，所述OPO高频激光器可以实现波长的快速切换，在脉冲频率都为100Hz的情况三波长760nm、840nm和930nm的快速切换，即只改变波长其余实验条件均不变。

进一步的，所述光纤一分为十沿着半环形方向对称固定所述凹面超声阵列探测器的两侧，以实现光声共轴。

进一步的，所述凹面超声阵列探测器晶元数量为256个；多通道数据采集卡通道数为256个。

进一步的，所述凹面超声阵列探测器对光声信号的接收是在半环形超声耦合垫的配合下完成的，将半环形超声耦合垫嵌入被测生物组织与探测器之间，能够排除探头和被测生物组织之间的空气，使得光声信号能够最大耦合地传入被测生物组织。

进一步的，所述实时图像显示能够判断出组织是否有表面和内部创伤；是否有创伤的判定规则为：所示软组织成像区域中，结合延迟叠加算法判断其组织表面是否有缺血、出血、水肿和其内部结构是否会发生组织结构错位；所述延迟叠加算法，原理是待成像物体的不同部分会产生不同时延的光声信号，在进行图像反演的时候每个位置采集到的光声信号反投影到探头为中心的圆上进行重建，可以提供生物组织内部的结构和功能特性。

进一步的，所述创伤程度判定规则为：所示组织创伤的区域中，结合多光谱光声定量图像重建算法计算出的含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白、总血红蛋白、血流速度、氧饱和度、氧代谢率以及水含量参数的具体值。

进一步的，所述多光谱光声定量图像重建算法具体为：将三个波长分别为760nm、840nm和930nm对创伤肢体病灶处内部脉管系统清晰成像，然后代入内源对比剂之间关系的公式中，计算出含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白、总血红蛋白、血流速度、氧饱和度、氧代谢率以及水含量，这些指标都可作为肢体创伤程度早期诊断的直接判据。

一种基于任一项所述系统的创伤参数检测方法，其包括以下步骤：

步骤1、开启各设备，并设置激光脉冲和采集卡采样的参数；

步骤2、将半环形超声耦合垫嵌入被测生物组织与探测器之间，移动万向机械手臂使得创伤生物组织区域位于凹面超声阵列探测器正中心；

步骤3、利用计算机触发OPO高频激光器发射脉冲激光；

步骤4、脉冲激光经过光纤照射到创伤后生物组织表面，生物组织吸收激光能量后进而转化为热能，引起瞬态温度变化，生物组织进一步由于热致膨胀导致局部压力变化产生超声信号即光声信号；

步骤5、利用凹面超声换能器在创伤生物组织周围多个位置接收光声信号；

步骤6、被凹面超声换能器接收的光声信号紧接着由多通道数据采集卡实现采集；

步骤7、维持所有的实验条件不变，利用计算机触发脉冲激光的波长840nm和930nm，并重复步骤4-7；

步骤8、采集的光声数据结合Labview软件和延迟叠加算法定性判断创伤后组织是否创伤；

步骤9、如若是创伤状态再进一步结合多光谱定量光声重建算法定量判断创伤程度；

步骤10、结果输出。

本发明的优点及有益效果如下：

现有技术对于现场创伤检测的影像学诊断往往有一定的不足之处。相比于X线诊断，本发明能够对患者病情动态的连续检查且无电离辐射伤害；相比于功能性磁共振成像，本发明能够快速的进行成像；相比于超声成像，本发明是结合了光学成像的高对比度和超声成像的高穿透度优点，能够对现场创伤伤员进行快速检测并进行分类；对于近红外功能成像，本发明的光声图像清晰明了，能够对创伤的损伤部位进行精准定位，为后续治疗提供了宝贵的“黄金十分钟”。

本发明的基于光声成像的创伤现场诊断系统的技术采用延迟叠加算法和多光谱光声定量图像重建算法集成于创伤自动检测模块，其同时提供组织内部结构、组织灌注和组织代谢参数的高分辨率的实时图像，可以将众多创伤伤员分为不同的等级，按照创伤程度进行轻重缓急有条不紊地展开现场医疗急救和梯队顺序后送，可作为创伤现场诊断的新型影像系统，地震救援现场、工地事故、交通事故、军队演习、战场等。

本发明的巧妙之处在于：(1)万向机械手臂和凹面超声阵列探测器的组合使得成像操作方便；(2)Labview软件结合延迟叠加算法实时快速判断其组织表面是否有缺血、出血、水肿和其内部结构是否会发生组织结构错位；(3)结合多光谱定量光声重建算法重建出创伤参数，能够在创伤的状态下定性、定量地判断创伤的程度。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例适用于光声成像的创伤现场诊断系统的结构示意图；

图2是本发明一实施例创伤分析模块流程示意图；

图3是本发明一实施例适用于光声成像的创伤现场诊断方法的流程示意图。

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：

如图1所示，本发明的基于光声成像的创伤现场诊断系统包括输入模块3、创伤检测模块4、创伤评估模块5和结果输出模块6；其中输入模块3的输出端与所述创伤检测模块4的输入端连接；所述创伤检测模块4的输出端与创伤评估模块5的输入端连接；所述创伤评估模块5的输出端与结果输出模块6的输入端连接。

输入模块3又包括计算机1、OPO高频激光器9和光纤10。其中计算机1控制OPO高频激光器9发出脉冲激光，激光经过光纤10传输照射到被测生物组织产生超声信号即光声信号。

在上述实施例的基础上，OPO高频激光器9可以实现波长的快速切换，在脉冲频率都为100Hz的情况三波长760nm、840nm和930nm的快速(10ms)切换，即只改变波长其余实验条件均不变。

在上述实施例的基础上，光纤10一分为十沿着半环形方向对称固定所述凹面超声阵列探测器11的两侧，以实现光声共轴。

创伤检测模块4包括采集模块7和图像显示模块8。通过调整万向机械手臂12使得手持式凹面超声阵列探测器11正中心垂直置于被测生物组织上，使其凹面超声阵列探测器11能够快速接收输入模块3输出端发出的激励光引起的光声信号，凹面超声阵列探测器11与多通道数据采集卡13单向电连接，多通道数据采集卡13采集凹面超声换能器11接收到的光声信号，并将采集到的光声信息传至计算机2，并结合基于Labview软件14和延迟叠加算法15进行图像实时显示。

在上述实施例的基础上，采集模块包括凹面超声阵列探测器11、万向机械手臂12、多通道数据采集卡13；图像显示模块包括计算机2、Labview软件14、延迟叠加算法15。

在上述实施例的基础上，凹面超声阵列探测器11晶元数量为256个；多通道数据采集卡13通道数为256个。

在上述实施例的基础上，凹面超声阵列探测器11对光声信号的接收是在半环形超声耦合垫的配合下完成的，将半环形超声耦合垫嵌入被测生物组织与探测器之间，能够排除探头和被测生物组织之间的空气，使得光声信号能够最大耦合地传入被测生物组织。

在上述实施例的基础上，实时图像显示能够判断出组织是否有表面和内部创伤。

进一步地，判断是否有创伤的判定规则为：所示软组织成像区域中，结合延迟叠加算法判断其组织表面是否有缺血、出血、水肿和其内部结构是否会发生组织结构错位。

进一步地，延迟叠加算法15的原理是待成像物体的不同部分会产生不同时延的光声信号，在进行图像反演的时候每个位置采集到的光声信号反投影到探头为中心的圆上进行重建，可以提供生物组织内部的结构和功能特性。

创伤评估模块5包括多光谱定量光声重建算法16。

在上述实施例的基础上，创伤检测模块4的输出端与创伤评估模块5的输入端单向电连接，如图2所示，如若是创伤状态再进一步结合多光谱光声定量重建算法16计算出创伤组织的血流动力学异常参数，这是评估损伤程度的直接判据。

进一步地，创伤程度判定规则为：所示组织损伤缺血的区域中，结合多光谱光声定量图像重建算法16计算出的含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白、总血红蛋白、血流速度、氧饱和度、氧代谢率以及水含量参数的具体值。

进一步地，多光谱光声定量图像重建算法16的原理是三个波长(760nm、840nm和930nm)对创伤肢体病灶处内部脉管系统清晰成像，然后代入内源对比剂之间关系的公式中，计算出含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白、总血红蛋白、血流速度、氧饱和度、氧代谢率以及水含量，这些指标都可作为肢体创伤程度早期诊断的直接判据。

结果输出模块6包括计算机2，计算机2既可以用于图像显示模块中的实时成像也可以进行最后是否创伤和创伤程度的结果输出。

如图3所示，本发明的基于光声成像的创伤现场诊断系统成像方法，其包括以下步骤：

步骤1开启各设备，并设置激光脉冲和采集卡采样的参数；

步骤2将半环形超声耦合垫嵌入被测生物组织与探测器之间，移动万向机械手臂使得创伤生物组织区域位于凹面超声阵列探测器正中心；

步骤3利用计算机触发OPO高频激光器发射脉冲激光；

步骤4脉冲激光经过光纤照射到创伤后生物组织表面，生物组织吸收激光能量后进而转化为热能，引起瞬态温度变化，生物组织进一步由于热致膨胀导致局部压力变化产生超声信号(即光声信号)；

步骤5利用凹面超声换能器在创伤生物组织周围多个位置接收光声信号；

步骤6被凹面超声换能器接收的光声信号紧接着由多通道数据采集卡实现采集；

步骤7维持所有的实验条件不变，利用计算机触发脉冲激光的波长840nm和930nm，并重复步骤4-7；

步骤8采集的光声数据结合Labview软件和延迟叠加算法定性判断创伤后组织是否创伤；

步骤9如若是创伤状态再进一步结合多光谱定量光声重建算法定量判断创伤程度；

步骤10结果输出。

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)

1.一种基于光声成像的创伤参数检测系统，其特征在于，包括：输入模块、创伤检测模块、创伤评估模块和结果输出模块；所述输入模块的输出端与所述创伤检测模块的输入端连接；所述创伤检测模块的输出端与创伤评估模块的输入端连接；所述创伤评估模块的输出端与结果输出模块的输入端连接；其中，

所述输入模块包括计算机、OPO高频激光器和光纤，计算机控制OPO高频激光器发出脉冲激光，激光经过光纤传输照射到被测生物组织产生超声信号即光声信号；

所述创伤检测模块包括采集模块和图像显示模块；所述采集模块包括凹面超声阵列探测器、万向机械手臂、多通道数据采集卡；通过调整万向机械手臂使得手持式凹面超声阵列探测器正中心垂直置于被测生物组织上，使其凹面超声阵列探测器能够快速接收输入模块输出端发出的激励光引起的光声信号，凹面超声阵列探测器与采集卡单向电连接，多通道数据采集卡采集所述凹面超声换能器接收到的光声信号，并将采集到的光声信息传至计算机；

所述图像显示模块的硬件包括计算机；软件基于Labview实时图像显示；算法包括延迟叠加算法；所述计算机与多通道数据采集卡单向电连接，其接收采集卡采集的光声信号并结合基于Labview软件和延迟叠加算法进行图像实时显示；

所述创伤评估模块，若是创伤状态则结合多光谱光声定量重建算法计算出创伤组织的血流动力学异常参数。

2.根据权利要求1所述的一种基于光声成像的创伤参数检测系统，其特征在于，所述OPO高频激光器可以实现波长的快速切换，在脉冲频率都为100Hz的情况三波长760nm、840nm和930nm的快速切换，即只改变波长其余实验条件均不变。

3.根据权利要求1所述的一种基于光声成像的创伤参数检测系统，其特征在于，所述光纤一分为十沿着半环形方向对称固定所述凹面超声阵列探测器的两侧，以实现光声共轴。

4.根据权利要求1所述的一种基于光声成像的创伤参数检测系统，其特征在于，所述凹面超声阵列探测器晶元数量为256个；多通道数据采集卡通道数为256个。

5.根据权利要求1所述的一种基于光声成像的创伤参数检测系统，其特征在于，所述凹面超声阵列探测器对光声信号的接收是在半环形超声耦合垫的配合下完成的，将半环形超声耦合垫嵌入被测生物组织与探测器之间，能够排除探头和被测生物组织之间的空气，使得光声信号能够最大耦合地传入被测生物组织。

6.根据权利要求1所述的一种基于光声成像的创伤参数检测系统，其特征在于，所述实时图像显示能够判断出组织是否有表面和内部创伤；是否有创伤的判定规则为：所示软组织成像区域中，结合延迟叠加算法判断其组织表面是否有缺血、出血、水肿和其内部结构是否会发生组织结构错位；所述延迟叠加算法，原理是待成像物体的不同部分会产生不同时延的光声信号，在进行图像反演的时候每个位置采集到的光声信号反投影到探头为中心的圆上进行重建，可以提供生物组织内部的结构和功能特性。

7.根据权利要求1所述的一种基于光声成像的创伤参数检测系统，其特征在于，所述创伤程度判定规则为：所示组织创伤的区域中，结合多光谱光声定量图像重建算法计算出的含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白、总血红蛋白、血流速度、氧饱和度、氧代谢率以及水含量参数的具体值。

8.根据权利要求7所述的一种基于光声成像的创伤参数检测系统，其特征在于，所述多光谱光声定量图像重建算法具体为：将三个波长分别为760nm、840nm和930nm对创伤肢体病灶处内部脉管系统清晰成像，然后代入内源对比剂之间关系的公式中，计算出含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白、总血红蛋白、血流速度、氧饱和度、氧代谢率以及水含量，这些指标都可作为肢体创伤程度早期诊断的直接判据。

9.一种基于权利要求1-8任一项所述系统的创伤参数检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、开启各设备，并设置激光脉冲和采集卡采样的参数；

步骤2、将半环形超声耦合垫嵌入被测生物组织与探测器之间，移动万向机械手臂使得创伤生物组织区域位于凹面超声阵列探测器正中心；

步骤3、利用计算机触发OPO高频激光器发射脉冲激光；

步骤4、脉冲激光经过光纤照射到创伤后生物组织表面，生物组织吸收激光能量后进而转化为热能，引起瞬态温度变化，生物组织进一步由于热致膨胀导致局部压力变化产生超声信号即光声信号；

步骤5、利用凹面超声换能器在创伤生物组织周围多个位置接收光声信号；

步骤6、被凹面超声换能器接收的光声信号紧接着由多通道数据采集卡实现采集；

步骤7、维持所有的实验条件不变，利用计算机触发脉冲激光的波长840nm和930nm，并重复步骤4-7；

步骤8、采集的光声数据结合Labview软件和延迟叠加算法定性判断创伤后组织是否创伤；

步骤9、如若是创伤状态再进一步结合多光谱定量光声重建算法定量判断创伤程度；

步骤10、结果输出。