CN117080855A - 一种可发射近红外光的便携式笔型激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可发射近红外光的便携式笔型激光器，包括：外壳，所述外壳内设有安装腔；高效激光二极管阵列，所述高效激光二极管阵列位于所述安装腔内；激光驱动器，所述激光驱动器位于所述安装腔内，设置在高效激光二极管阵列的顶部；柱面透镜，所述柱面透镜位于所述安装腔内，设置在高效激光二极管阵列的底部；衍射光学元件，所述衍射光学元件位于所述安装腔内，激光驱动器、高效激光二极管阵列、柱面透镜和衍射光学元件通过基板相连接；触发器，所述触发器的一端与激光驱动器连接，触发器的另一端与外壳连接。便携式笔型激光器结构紧凑，实现了照明系统的小型化，易集成于光声成像系统中。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，更具体的说是涉及一种可发射近红外光的便携式笔型激光器。
背景技术
光声成像结合了光学照明和超声检测，以提供更高的光学对比度、更深的成像深度和更高的空间分辨率。其最常见的光源是脉冲固态激光器，可提高光声信号生成效率，并保持超声换能器规格规定的轴向分辨率。然而，这种激光器一般体积巨大不易携带，且价格昂贵，因此，开发结构紧凑、便携且低成本的光源系统是需要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可发射近红外光的便携式笔型激光器，以期解决背景技术中的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种可发射近红外光的便携式笔型激光器，包括：
外壳，所述外壳内设有安装腔；
高效激光二极管阵列，所述高效激光二极管阵列位于所述安装腔内；
激光驱动器，所述激光驱动器位于所述安装腔内，设置在高效激光二极管阵列的顶部；
柱面透镜，所述柱面透镜位于所述安装腔内，设置在高效激光二极管阵列的底部；
衍射光学元件，所述衍射光学元件位于所述安装腔内，激光驱动器、高效激光二极管阵列、柱面透镜和衍射光学元件通过基板相连接；
触发器，所述触发器的一端与激光驱动器连接，触发器的另一端与外壳连接。
在一些实施例中，还包括圆形玻璃，所述圆形玻璃设置在所述外壳的头部。
在一些实施例中，所述外壳为铝外壳。
在一些实施例中，所述高效激光二极管阵列发射的近红外激光束的波长范围为900～1100nm。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
(1)便携式笔型激光器结构紧凑，实现了照明系统的小型化，易集成于光声成像系统中。
(2)笔型激光器发射的近红外激光束穿透深度更大，利于深部组织的成像。
附图说明
图1为实施例中笔型激光器的结构示意图。
图2为实施例中可穿戴柔性近红外透明超声换能器的结构示意图。
图3为实施例中刚性CMUT的结构示意图。
图4为实施例中是光声/超声双模态成像系统工作原理示意图.
图5是光声/超声双模态成像系统检测胸部中心血管的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请的优选实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。
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”应作广义理解，例如，可以使固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者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。
此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或显示不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或显示固有的其它步骤或单元。
以下将结合图1-5，对本申请实施例所涉及的一种可发射近红外光的便携式笔型激光器进行详细说明。值得注意的是，以下实施例，仅仅用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。为了更好的阐述本申请的笔型激光器，下面将其应用到基于可穿戴柔性近红外透明光声/超声双模态成像系统中进行说明。
实施例1:
如图1-5所示，基于可穿戴柔性近红外透明光声/超声双模态成像系统，包括：笔型激光器1，可穿戴柔性近红外透明超声换能器2，所述笔型激光器用于产生激光光源；所述可穿戴柔性近红外透明超声换能器用于传输超声信号或用于接收并传输当笔型激光器照射血管3时，产生的光声信号。
所述笔型激光器通过外部触发器实现了自由控制激光的发射，与超声换能器集成并应用于光声成像系统时，这确保了近红外光照射与光声信号接收的同步进行，从而实现深部组织的连续、实时和动态检测。
笔型激光器可通过控制与外部相连接的触发器11来启动激光驱动器12，从而驱动高效激光二极管阵列13发射激光束，使近红外激光照射深部组织的过程能够被自由控制。当笔型激光器与超声换能器集成并应用于光声成像系统时，这对于激光照射和光声信号接收的同步进行至关重要。
笔型激光器的三维视图呈现圆柱体结构，圆柱体的长为12cm，底面直径为3cm。位于笔型激光器内部中央的主体部件是高效激光二极管阵列，位于其顶部和底部的分别是激光驱动器和柱面透镜。激光驱动器、高效激光二极管阵列、柱面透镜14和衍射光学元件15通过基板相连接。激光驱动器的顶部与触发器的一端连接，触发器的另一端与圆柱体外壳的尾部连接，以通过外部的开关按钮实现自由控制激光发射，以满足光声成像的基本条件。圆形玻璃17构成圆柱体外壳的头部，外壳16是铝制的，具备冷却功能，以限制热量增加。
通过按压连接笔型激光器尾部的触发器，能够启动与触发器另一端相连的激光驱动器，从而驱动由基板连接的高效激光二极管阵列发射近红外激光束。此时的发光激光束质量较差，发散非常明显，故需要光学系统实现准直和重新塑造激光束，以最大限度减少能量的损失，并确保以所需的激光束轮廓照亮深部组织感兴趣的区域。发射的激光束首先通过置于高效激光二极管阵列前面的柱面透镜进行准直，以最小化光束的发散，实现光束整形。准直后的激光束经衍射光学元件进行重塑，使激光束均匀化，并以矩形形式通过笔型激光器底部的圆形玻璃照射至感兴趣的区域。
本申请提供的便携式笔型激光器结构紧凑，实现了照明系统的小型化，易集成于光声成像系统中。笔型激光器发射的近红外激光束穿透深度更大，利于深部组织的成像。
本申请提供的可穿戴柔性近红外透明的超声换能器，允许近红外激光束穿透进行光声/超声成像，以实现更加广泛的临床应用场景。
本发明的可穿戴柔性近红外透明超声换能器是由一系列微型电容式微加工超声换能器(CMUT)刚性元件通过蛇形银纳米线路相互连接，封装于柔性聚二甲基硅氧烷(PDMS)所构成。它结构紧凑，允许近红外光穿透，可舒适的贴合于目标组织表面，能够传输和(或)接收超声波信号，获得连续、实时和高质量的检测图像，可应用于超声成像和光声成像系统中。
所述可穿戴柔性近红外透明超声换能器包括：PDMS柔性基板21、多个微型刚性CMUT元件22、蛇形银纳米线电极23和与外部连接的电极24，多个微型刚性CMUT元件并联设置，基于银纳米线电极相互连接组成蛇形互连线路，刚性CMUT元件、蛇形银纳米线电极和与外部连接的电极共同封装于PDMS柔性基板中。
所述微型刚性CMUT元件由氧化铟锡(ITO)顶部电极25、振动膜26、具有真空腔的电容器板结构、ITO底部电极和基底组成；其中，所述顶部电极固定在振动膜的上表面，所述具有真空腔的电容器板结构贴合在振动膜的下表面；所述ITO底部电极贴合在具有真空腔的电容器板结构的下部，所述基底贴合在ITO底部电极29的下部；所述振动膜为氮化硅振动膜，所述基底为硅晶基底30。
所述具有真空腔的电容器板结构包括若干块绝缘体苯丙环丁烯(BCB)，其中，两块分布在侧部的绝缘体BCB以及分布在底部的绝缘体BCB与振动膜组成密封真空腔27；所述具有真空腔的电容器板结构由若干块绝缘体BCB28、振动膜和真空腔构成。
当CMUT工作时，通常会施加直流偏置电压以使振动膜沉入真空腔内，这样振动膜的应力可增加换能器的灵敏度。在发射或传输超声波时，交流信号与施加的直流偏置电压相叠加。直流电压使顶部电极和底部电极更接近，交流电压驱动振动膜以产生超声波信号，信号的驱动频率就是超声波的传输频率。在接收超声波信号时，仅施加直流电压以保持固定电位差，入射声波可根据波的频率调制真空腔间隙的高度，以使振动膜的电容发生变化，从而产生输出电流。该输出电流被转换为电压信号，并由跨阻放大器增强，以实现信号的接收。
蛇形银纳米线电极的制造：将银纳米线与银片油墨混合，然后将混合的银纳米线/银复合油墨使用丝网印刷机在室温下基于PDMS柔性基板上进行丝网印刷。在此过程中，使用具有蛇形图案开放区域的定制屏幕作为打印模板，并将银纳米线/银复合油墨添加到定制的屏幕上。这样刮刀刮过屏幕表面时，银纳米线/银复合油墨会通过屏幕中的开放区域留在柔性基板PDMS上，从而制成蛇形图案。连接超声换能器的所有互连电极线及与外部连接的电极线，均通过上述丝网印刷技术构建。
可穿戴柔性近红外透明超声换能器的结构轻薄而柔软，能够适应接触界面的任意形状，且可以自行对准目标界面，以满足连续检测的临床需求。可穿戴柔性近红外透明超声换能器允许近红外激光束穿透，能有效实现光源与超声换能器的集成。
CMUT刚性元件的制造：采用粘合剂晶圆键合工艺制备CMUT，BCB是一种光敏聚合物，将其作为CMUT的粘合剂和侧壁层。CMUT封闭的真空腔结构更具优势，且在控制腔体的尺寸、形状和膜材料均匀性方面具备更好的性能。
首先准备两个晶圆，一个含有氮化硅的硅晶圆一和一个硅基底晶圆二。将晶圆片均置于过氧化氢和浓硫酸混合液中进行氧化溶解，清洗金属杂质。
在氮化硅晶圆一上使用低压化学气相沉积工艺沉积氮化硅层，以构建低应力的振动膜。使用光刻和反应离子蚀刻工艺，在光刻胶保护振动膜正面的情况下去除背面的氮化硅后，剥离正面的光刻胶，形成CMUT元件的振动膜氮化硅。
为了提高硅晶基底的光学透射率，需满足三个关键的制造步骤：(1)将硅基底晶圆二进行研磨减薄，以实现减薄硅基底厚度而减少光的吸收。(2)使用化学机械抛光工艺以实现镜面的光洁度，最大限度地减少照明过程中红外光的散射。(3)在硅基底表面添加抗反射涂层以实现更高的光学透射率。
在硅基底晶圆二上通过溅射250nm的透明导电材料ITO层，形成ITO底部电极。然后在氢氧化铵，过氧化氢和去离子水的混合溶液中清洗，以去除任何可能的有机污染物，氨和过氧化氢可清洁附着于硅片表面的颗粒并提高其清洁度，其清洁程度会直接影响下一步的粘接效果。
为确保BCB与ITO底部电极进行适当粘合，首先将一层薄薄的AP3000粘合剂(陶氏化学)在硅基底晶圆二上以3000rpm的速度旋转涂覆30秒，然后在150℃下软烘烤60秒。这一步骤同样需要在氮化硅晶圆一上执行，以改善工艺后期粘合剂粘合步骤中的附着力。随后，将BCB以6500rpm的速度在硅基底晶圆二上旋转涂覆45秒钟，在60℃下软烘烤90秒。BCB层需暴露在紫外线下，后在50℃下烘烤固化60秒。随后，使用DS2100显影剂冲洗2分钟后旋转干燥2分钟，以定义空腔。BCB层的厚度决定了CMUT元件的间隙距离。
利用晶圆键合机通过粘合剂将氮化硅晶圆一和硅基底晶圆二粘合在一起。首先将晶圆由垫片隔开，以确保真空密封的间隙。装载晶圆后，将腔室泵调低至0.5mTorr，移除垫片，允许两晶圆之间相互接触，同时形成真空密封腔。然后在晶圆上施加0.5MPa的压缩压力保持1小时，晶圆冷却后从腔室内取出。通过干法蚀刻和湿法蚀刻的结合工艺以加速完成去除晶圆硅手柄的过程。
在氮化硅振动膜上溅射200nm的透明导电材料ITO层作为顶部电极，然后利用正性光刻胶和湿法蚀刻对顶部ITO层图案化，以定义CMUT元件的顶部电极。为了减低顶部电极的电阻率和保持器件的透明率，通过剥离技术以细条形式进行图案化。随后，使用切割工具在预定义的水平和垂直方向上切割晶圆，将晶圆切割成带有单独CMUT元件的芯片岛，在晶圆背面迅速旋转涂覆PDMS柔性层并固化。最后，将蛇形银纳米线互连电极和CMUT阵列同时封装于PDMS柔性基底中，形成柔性近红外透明CMUT阵列。
制造CMUT时需考虑一些关键的设计因素，包括直径，材料类型和真空间隙高度，这些可能会影响CMUT的性能。CMUT建模为二阶系统，以获得谐振频率和吸合电压等重要的参数。
谐振频率(ω0)是决定图像分辨率的关键参数。
t代表振动膜的厚度，a是膜的半径，E表示膜材料的杨氏模量，v是膜的泊松比，ρm是介质的密度，ρ是膜的密度。
另一个关键参数是吸合电压(Vpull in)。吸合电压是静电力和机械力相等的点，此时会导致顶部电极卡在基板上。因此，在低于吸合电压的情况下操作CMUT是非常重要的。
geff代表有效的间隙高度，计算公式为g0是原本的间隙高度，tm是膜的厚度，ti是绝缘体的厚度，εr是绝缘体和膜材料的相对介电常数，ε0是自由空间的介电常数，k是弹簧常数，A是电极面积。
可穿戴柔性近红外透明超声换能器的结构轻薄而柔软，能够适应接触界面的任意形状，且可以自行对准目标界面，以满足连续检测的临床需求。可穿戴柔性近红外透明超声换能器允许近红外激光束穿透，能有效实现光源与超声换能器的集成。
本实施例还提供了一种基于可穿戴柔性近红外透明光声/超声双模态成像方法，基于所述的系统实现，包括以下步骤：
利用笔型激光器发射近红外激光束照射胸部中心血管产生光声信号；
调整超声扫描仪参数切换至光声成像模式；
贴合于胸部的可穿戴柔性近红外透明超声换能器接收所述光声信号；
利用图像重建算法构建血红蛋白的光吸收分布图，根据血红蛋白的吸收系数以定量血氧饱和度；
将超声扫描仪切换至超声成像模式；
通过可穿戴柔性近红外透明超声换能器发射脉冲超声波检测胸部中心血管，并同时接收反射体的回声信号；
利用图像重建算法显示出胸部中心血管的B型灰阶模式图像；基于胸部中心血管的B型灰阶模式图像计算血流在血管内的血压；通过多普勒效应探测流动的血液流速信息和空间分布。
笔型激光器由定制的激光驱动器驱动，驱动器通过外部触发器(即开关按钮)触发后发射近红外激光束，这时同步调整商用超声扫描仪4，阻止超声波的传输功能，允许切换至光声成像模式状态，确保激光脉冲照射和接收回波信号的过程能够同步进行。激光束照射至胸部中心血管后，局部组织引起热弹性膨胀效应，产生光声信号并继续向外传播至皮肤表面，被贴合于胸部的可穿戴柔性近红外透明超声换能器接收，利用图像重建算法构建血红蛋白的光吸收分布图，根据血红蛋白的吸收系数以定量血氧饱和度。
在本系统采用的近红外光谱范围内，不考虑碳氧血红蛋白和高铁血红蛋白的变化，因此，对光的吸收主要反映脱氧血红蛋白(Hb)和氧合血红蛋白(HbO2)的总浓度。
在一些实施例中，所述近红外激光束的波长范围为900～1100nm。本成像系统将近红外波长作为合适的光谱范围。近红外激光可穿透的生物组织深度长达数厘米，且血红蛋白在近红外波长范围内较其他内源性发色团具有强烈的吸收优势。在900～1100nm波长范围内，脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白之间吸收速率的差异最为显著。此外，基于硅对近红外波长的低吸收率，近红外光能够透过CMUT阵列而不会发生强烈衰减，从而使得产生的光声信号被可穿戴柔性近红外透明超声换能器成功接收。
所述根据血红蛋白的吸收系数以定量血氧饱和度包括：
在波长λ1和λ2满足预设条件下，吸收系数μλ可通过公式(1)和(2)计算得出：
其中，CHb和CHbO2分别表示是脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的含量；ελ1 Hb，ελ2 Hb和ελ1 HbO2，ελ2 HbO2分别代表脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白在波长λ1和λ2的消光系数；
已知光声信号强度与组织的吸收系数成正比，则简化方程后血氧饱和度SaO2可通过公式(3)、(4)和(5)计算得出：
随后，重新启动商用超声扫描仪使其处于超声成像模态，通过可穿戴柔性近红外透明超声换能器检测胸部中心血管以实现超声成像检测。将可穿戴柔性近红外透明超声换能器贴合于胸部中心血管相应的皮肤表面，CMUT阵列以某一固定的频率连续发射短脉冲超声波，相控阵元列的全部阵元会参与每一个声波束的发射。CMUT阵列沿着各个声束线的传输路径发射脉冲超声波，然后由浅及深逐一对声束路径上各个反射体的回声信号进行接收和处理。利用图像重建算法显示出胸部中心血管的B型灰阶模式图像。
已知被测动脉血管满足以下条件：旋转对称，具备一定弹性和粘弹性非常小的特征，则血压波形(pr(t))可以根据血管直径波形通过公式(6)计算得出：
血压波形(pr(t))可以根据血管直径波形通过公式(6)计算得出：
prd是通过袖带血压计测量的肱动脉舒张压；ard是动脉舒张期的横截面；
α是血管的刚性系数，可以通过公式(7)计算得出：
Prs是通过商用袖带血压计测量的肱动脉收缩压；ars是动脉收缩期的横截面；
ar(t)可通过公式(8)计算得出：
D(t)是通过可穿戴柔性近红外透明超声换能器测量的血管直径波形。
在一些实施例中，通过多普勒效应探测流动的血液流速信息和空间分布，包括：
通过多普勒效应探测流动的血液信息，采用多声束进行快速采样，将所获得的多普勒信息进行相位检测、自相关处理、彩色编码，以不同的颜色标识血流方向，彩色亮度显示速度的高低，并且将其叠加于B型灰阶超声图像上，获得血流在血管内的空间分布和流速信息；
动脉血管的血流速度(v)可利用多普勒原理通过公式(9)计算得出：
C是声速，即超声波在软组织中的传播速度；f0是发射频率；fd是多普勒频移，即接收频率和发射频率的差值；θ是多普勒角度，即超声束与血流运动方向之间的夹角。
因此，本发明的光声/超声双模态成像系统可以实现对胸部中心血管的血氧饱和度和血流动力学信息的实时、连续和动态的检测。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种可发射近红外光的便携式笔型激光器，其特征在于，包括：
外壳，所述外壳内设有安装腔；
高效激光二极管阵列，所述高效激光二极管阵列位于所述安装腔内；
激光驱动器，所述激光驱动器位于所述安装腔内，设置在高效激光二极管阵列的顶部；
柱面透镜，所述柱面透镜位于所述安装腔内，设置在高效激光二极管阵列的底部；
衍射光学元件，所述衍射光学元件位于所述安装腔内，激光驱动器、高效激光二极管阵列、柱面透镜和衍射光学元件通过基板相连接；
触发器，所述触发器的一端与激光驱动器连接，触发器的另一端与外壳连接。
2.根据权利要求1所述的一种可发射近红外光的便携式笔型激光器，其特征在于，还包括圆形玻璃，所述圆形玻璃设置在所述外壳的头部。
3.根据权利要求1所述的一种可发射近红外光的便携式笔型激光器，其特征在于，所述外壳为铝外壳。
4.根据权利要求1所述的一种可发射近红外光的便携式笔型激光器，其特征在于，所述高效激光二极管阵列发射的近红外激光束的波长范围为900～1100nm。
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| CN202310910612.3A CN117080855A (zh) | 2023-07-24 | 2023-07-24 | 一种可发射近红外光的便携式笔型激光器 |
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|---|---|---|---|---|
| CN117017280A (zh) * | 2023-07-24 | 2023-11-10 | 西南交通大学 | 基于可穿戴柔性近红外光声/超声双模态成像系统及方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN208923548U (zh) * | 2018-12-03 | 2019-05-31 | 江苏欧密格光电科技股份有限公司 | 一种含有安全监测功能的红外激光投射器件 |
| CN211929882U (zh) * | 2020-04-24 | 2020-11-13 | 武汉瑞兰天成科技有限公司 | 一种红外防伪激光笔 |
| CN115395347A (zh) * | 2022-05-23 | 2022-11-25 | 深圳市海目星激光智能装备股份有限公司 | 激光光束的处理方法、激光掺杂方法以及激光掺杂设备 |
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2023
- 2023-07-24 CN CN202310910612.3A patent/CN117080855A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN208923548U (zh) * | 2018-12-03 | 2019-05-31 | 江苏欧密格光电科技股份有限公司 | 一种含有安全监测功能的红外激光投射器件 |
| CN211929882U (zh) * | 2020-04-24 | 2020-11-13 | 武汉瑞兰天成科技有限公司 | 一种红外防伪激光笔 |
| CN115395347A (zh) * | 2022-05-23 | 2022-11-25 | 深圳市海目星激光智能装备股份有限公司 | 激光光束的处理方法、激光掺杂方法以及激光掺杂设备 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117017280A (zh) * | 2023-07-24 | 2023-11-10 | 西南交通大学 | 基于可穿戴柔性近红外光声/超声双模态成像系统及方法 |
| CN117017280B (zh) * | 2023-07-24 | 2024-03-19 | 西南交通大学 | 基于可穿戴柔性近红外光声/超声双模态成像系统及方法 |
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