聲、光共旋轉(zhuǎn)掃描的直腸光聲內(nèi)窺鏡裝置及其成像方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種聲、光共旋轉(zhuǎn)掃描的直腸光聲內(nèi)窺鏡裝置及其成像方法。聲、光共旋轉(zhuǎn)掃描的直腸光聲內(nèi)窺鏡包括套管、單模光纖、光纖準(zhǔn)直耦合器、中空聚焦超聲換能器、成像窗口、鍍膜聲/光高反射鏡和微型步進(jìn)電機(jī)；所述光聲直腸內(nèi)窺鏡的直徑僅為12毫米。本發(fā)明中光激發(fā)與聲接收采用共焦模式，并通過內(nèi)部前置的微型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動鍍膜聲/光高反射鏡，實(shí)現(xiàn)聲、光焦點(diǎn)的共同旋轉(zhuǎn)及掃描，避免了一般內(nèi)窺鏡通過外部驅(qū)動旋轉(zhuǎn)整個探頭掃描所引起的機(jī)械抖動及探頭偏心的問題，能夠快速穩(wěn)定的獲得直腸腔內(nèi)高靈敏度、高分辨率的快速斷層掃描成像。
【專利說明】聲、光共旋轉(zhuǎn)掃描的直腸光聲內(nèi)窺鏡裝置及其成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于內(nèi)窺鏡【技術(shù)領(lǐng)域】,具體涉及一種聲、光共旋轉(zhuǎn)掃描的直腸光聲內(nèi)窺鏡裝置及其成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光聲成像技術(shù)是基于檢測組織吸收脈沖激光后產(chǎn)生的光聲信號進(jìn)行成像，反映組織內(nèi)部的光學(xué)吸收差異，結(jié)合了純光學(xué)成像高對比度特性和純超聲成像高穿透深度特性的優(yōu)點(diǎn)，此項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)已應(yīng)用到內(nèi)窺成像領(lǐng)域中。 [0003]現(xiàn)有技術(shù)《一種血管內(nèi)光聲超聲成像內(nèi)窺裝置及其成像方法》，公開了一種血管內(nèi)光聲超聲成像內(nèi)窺裝置及成像方法。該技術(shù)的不足之處有:所用的脈沖激光沒有聚焦，所需的激光能量大；通過錐面反射鏡反射，同時激發(fā)整個血管內(nèi)部，得到的光聲圖像的分辨率不高；另外該裝置的超聲換能器采用64個超聲陣元，單個陣元的接收效率不高，而且由于陣元數(shù)目太多導(dǎo)致采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。此外，另一現(xiàn)有技術(shù)《聚焦式旋轉(zhuǎn)掃描光聲超聲血管內(nèi)窺成像裝置及其成像方法》，該技術(shù)中超聲換能器采用平場設(shè)計，掃描過程通過外部驅(qū)動旋轉(zhuǎn)整個探頭實(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)過程中探頭的機(jī)械抖動及探頭偏心會使成像質(zhì)量下降。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明為了克服以上現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供了一種聲、光共旋轉(zhuǎn)掃描的直腸光聲內(nèi)窺鏡裝置。本發(fā)明中光激發(fā)與聲接收采用共焦模式，并通過內(nèi)部前置的微型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動鍍膜聲/光高反射鏡，實(shí)現(xiàn)聲、光焦點(diǎn)的共同旋轉(zhuǎn)及掃描，避免了一般內(nèi)窺鏡通過外部驅(qū)動旋轉(zhuǎn)整個探頭掃描所引起的機(jī)械抖動及探頭偏心的問題，能夠快速穩(wěn)定的獲得直腸腔內(nèi)高靈敏度、高分辨率的快速斷層掃描成像。
[0005]本發(fā)明還提供了一種提供了一種聲、光共旋轉(zhuǎn)掃描的直腸光聲內(nèi)窺鏡裝置的成像方法，采用前置微型步進(jìn)電機(jī)帶動反射鏡旋轉(zhuǎn)掃描，克服了以往技術(shù)中探頭整體機(jī)械旋轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性，同時也簡化了內(nèi)窺鏡的結(jié)構(gòu)。該直腸光聲內(nèi)窺鏡結(jié)構(gòu)緊湊，聲、光共焦點(diǎn)設(shè)計降低了所需激發(fā)光的能量，提高了檢測靈敏度，具有更好的成像質(zhì)量。
[0006]本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):本聲、光共旋轉(zhuǎn)掃描的直腸光聲內(nèi)窺鏡裝置，包括套管、光聲信號激發(fā)組件、超聲信號采集組件、探測掃描組件及圖像重建及顯示組件；
[0007]所述光聲信號激發(fā)組件包括高重復(fù)頻率的脈沖激光器、單模光纖、光纖準(zhǔn)直器和消色差聚焦透鏡；
[0008]所述超聲信號采集組件包括中空聚焦超聲換能器以及超聲耦合介質(zhì)；
[0009]所述探測掃描組件包括鍍膜聲/光高反射鏡、微型步進(jìn)電機(jī)以及成像窗口 ；
[0010]所述圖像重建及顯示組件包括數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)；
[0011]所述單模光纖、光纖準(zhǔn)直器、消色差聚焦透鏡、中空聚焦超聲換能器、鍍膜聲/光高反射鏡和微型步進(jìn)電機(jī)依次同軸機(jī)械緊固，成像窗口為環(huán)形窗口，成像窗口安裝在套管上并位于鍍膜聲/光高反射鏡的位置；
[0012]光纖準(zhǔn)直器通過光纖FC/APC接頭連接單模光纖，單模光纖連接脈沖激光器，中空聚焦超聲換能器通過包芯屏蔽超聲信號線連接外部設(shè)備，微型步進(jìn)電機(jī)通過控制線連接外部設(shè)備；
[0013]所述脈沖激光器、中空聚焦超聲換能器、數(shù)據(jù)采集卡及計算機(jī)依次電氣連接。
[0014]所述單模光纖、光纖準(zhǔn)直器、消色差聚焦透鏡、中空聚焦超聲換能器、鍍膜聲/光高反射鏡和微型步進(jìn)電機(jī)安裝在套管之內(nèi)，內(nèi)窺鏡直徑為10mm，長度為4.5cm。
[0015]所述單模光纖的制備材料為塑料、石英或者多組分玻璃纖維，所述單模光纖可傳輸光的波段范圍為460~600nm,本發(fā)明中優(yōu)選傳輸波段在527nm的單模光纖。
[0016]光纖輸出光經(jīng)所述光纖準(zhǔn)直器、消色差聚焦透鏡后再由鍍膜聲/光高反射鏡反射后，光焦點(diǎn)位于成像窗口外部；所述中空聚焦超聲換能器的聲場探測焦點(diǎn)經(jīng)鍍膜聲/光高反射鏡反射后同樣位于成像窗口外部，通過調(diào)整消色差聚焦透鏡與中空聚焦超聲換能器之間的距離，實(shí)現(xiàn)光與聲的共焦點(diǎn)。
[0017]所述光纖準(zhǔn)直器的入射端為FC/APC光纖接口，直接連接具有FC/APC接頭的單模光纖。所述光纖準(zhǔn)直器通過固定件上的外螺紋緊固在套管內(nèi)，光纖輸出的光經(jīng)光纖準(zhǔn)直器后準(zhǔn)直輸出。
[0018]所述消 色差聚焦透鏡的焦距長度為5mm~50mm。該裝置優(yōu)選焦距長度為25mm。所述消色差聚焦透鏡的固定件為中空圓柱形，消色差聚焦透鏡通過固定件上的外螺紋同軸固定在套管內(nèi)，消色差透鏡的位置可以通過外螺紋在套管內(nèi)前后調(diào)節(jié)。光纖傳輸?shù)募ぐl(fā)光經(jīng)光纖準(zhǔn)直器后再經(jīng)過消色差聚焦透鏡形成匯聚光束，通過鍍膜聲/光高反射鏡90°反射，聚焦光束焦點(diǎn)在成像窗口外部。
[0019]所述鍍膜聲/光高反射鏡固定在微型步進(jìn)電機(jī)軸上，反射面與中空聚焦超聲換能器的中心軸成45° ,鍍膜聲/光高反射鏡位于成像窗口內(nèi)部，其中鍍膜聲/光高反射鏡的反射面尺寸為5mmX5mm，鍍膜聲/光高反射鏡的鍍膜為鋁膜，鋁膜對光的反射效率在98%以上，對超聲的反射率在90%以上。
[0020]所述中空聚焦超聲換能器由基礎(chǔ)固定件，襯底以及聲敏陣元構(gòu)成。所述基礎(chǔ)固定件為中空圓柱體，通過外螺紋固定于套管內(nèi)；所述襯底的一個端面為中空圓面，另一端面為中空圓凹面；所述中空聚焦超聲換能器的聲敏陣元為寬度3_的同心圓環(huán)，緊固在襯底圓凹面上，凹面的曲率半徑為15mm ;探測器的信號線采用0.5mm包芯屏蔽信號線，從襯底的中空圓面一側(cè)引出，沿固定件內(nèi)壁Imm凹槽排布引出。
[0021]中空聚焦超聲換能器襯底的中空圓面處，用光學(xué)膠緊固一層光學(xué)玻璃，將超聲耦合介質(zhì)隔離在光學(xué)窗口一側(cè)。超聲稱合介質(zhì)選用硅油，通過中空聚焦超聲換能器后方的光學(xué)玻璃、成像窗口密封在內(nèi)窺鏡中，用做超聲信號在內(nèi)窺鏡中的傳播介質(zhì)，同時硅油對激光是透明的，其絕緣性也可保證前置微型步進(jìn)電機(jī)正常工作。
[0022]所述中空聚焦超聲換能器用于光聲信號的檢測，主頻為15MHz，聲場焦距為15mm。中空聚焦超聲換能器的聲場焦點(diǎn)經(jīng)鍍膜聲/光高反射鏡反射后同樣位于成像窗口外部。
[0023]所述光與聲的共焦點(diǎn)模式通過調(diào)整消色差聚焦透鏡與中空聚焦超聲換能器之間的距離實(shí)現(xiàn)。
[0024]所述成像窗口由PVC/PC材料制成，厚度0.5mm;所述成像窗口左右兩端與中空聚焦超聲換能器固定件、電機(jī)固定件同軸緊固連接；所述成像窗口沿軸向的長度為5~10_，本發(fā)明中優(yōu)選5mm長的成像窗口。PVC/PC材料對激光透明，超聲在其中傳播衰減很小，故本發(fā)明選用制作成像窗口。
[0025]所述鍍膜聲/光高反射鏡做鍍膜處理，可鍍有高反銀膜，高反鋁膜或者高反金膜。本成像裝置中反射鏡優(yōu)選鍍鋁膜高反射鏡，反射鏡鍍膜后對527nm激光的反射效率在98%以上，對超聲的反射率在90%以上。鍍膜聲/光高反射鏡反射面的尺寸為5mmX5mm。
[0026]所述微型步進(jìn)電機(jī)為兩相步進(jìn)電機(jī)，直徑為6mm，步進(jìn)角度為9°，最大轉(zhuǎn)速可達(dá)到15000rpm;所述微型步進(jìn)電機(jī)同軸固定在中空絕緣圓柱體中，通過外螺紋固定于套管內(nèi)。
[0027]所述鍍膜聲/光高反射鏡固定在微型步進(jìn)電機(jī)軸上；反射鏡的反射面同中空聚焦超聲換能器的中心軸成45°。鍍膜聲/光高反射鏡距離中空聚焦超聲換能器的距離由中空聚焦超聲換能器的焦長決定，調(diào)節(jié)兩者之間的距離使得換能器的聲場焦點(diǎn)在落在成像窗口的外部。
[0028]所述光纖準(zhǔn)直器、消色差聚焦透鏡、中空聚焦超聲換能器、鍍膜聲/光高反射鏡以及微型步進(jìn)電機(jī)處于同軸結(jié)構(gòu)。
[0029]所述超聲耦合介質(zhì)為硅油，中空聚焦超聲換能器設(shè)有一個光學(xué)玻璃，超聲耦合介質(zhì)由光學(xué)玻璃密封在成像窗口處。
[0030]脈沖激光器所發(fā)出的脈沖激光波長范圍為400nm~2500nm，波長范圍覆蓋可見光波段與近紅外波段，本成像系統(tǒng)優(yōu)先采用的是輸出波長為527nm的固體激光器，激光器重復(fù)頻率ΙΟΚΗζ，最大輸出能量200 μ J。所述數(shù)據(jù)采集卡的采樣率范圍為IHz~4GHz，分辨率為14位，帶寬為250MHz，板載內(nèi)存為2G，最小輸入電壓為正負(fù)IOOmV,最大輸入電壓為正負(fù)5V ;所述數(shù)據(jù)采集卡有觸發(fā)信號輸入端口。
`[0031]計算機(jī)內(nèi)存4G，英特爾酷睿i7處理器。
[0032]上述的聲、光共旋轉(zhuǎn)掃描的直腸光聲內(nèi)窺鏡裝置的成像方法，具體包括以下步驟:
[0033]( I)光聲激發(fā):脈沖激光器輸出脈沖激光經(jīng)光纖耦合器耦合進(jìn)入單模光纖，從單模光纖輸出的脈沖光經(jīng)光纖準(zhǔn)直器、消色差聚焦透鏡后通過中空聚焦超聲換能器到達(dá)鍍膜聲/光高反射鏡的中心，并90°反射后穿過成像窗口打到直腸內(nèi)壁上激發(fā)出光聲信號；
[0034](2)光聲米集:直腸內(nèi)壁組織中激發(fā)產(chǎn)生的光聲信號,經(jīng)鍍膜聲/光高反射鏡反射后被中空聚焦超聲換能器所探測，然后被數(shù)據(jù)采集卡采集，數(shù)據(jù)采集卡集成有AC/DC轉(zhuǎn)換模塊，超聲信號通過AC/DC轉(zhuǎn)換后存儲到計算機(jī)中；所述數(shù)據(jù)采集卡具有帶通濾波模塊，可對采集到的信號進(jìn)行濾波處理，脈沖激光器同步觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)光聲信號的采集；
[0035]( 3 )直腸內(nèi)窺掃描:采集完成某一位置的光聲信號后，計算機(jī)上的控制微型步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，微型步進(jìn)電機(jī)帶動反射鏡轉(zhuǎn)動，反射鏡旋轉(zhuǎn)的過程中，激發(fā)光焦點(diǎn)聲場探測焦點(diǎn)始終保持同軸旋轉(zhuǎn)，對下一位置進(jìn)行光聲信號的采集，直到完成直腸內(nèi)壁的環(huán)形掃描；
[0036](4)圖像重建以及顯示:記錄在計算機(jī)上的光聲信號數(shù)據(jù)處理，得到直腸組織的光聲圖像。
[0037]本發(fā)明的原理:無論光學(xué)或聲學(xué)中，當(dāng)利用光焦點(diǎn)或聲焦點(diǎn)檢測時，焦點(diǎn)處的分辨率和靈敏度都是最高的。因此，本發(fā)明首先通過精密組裝并利用鍍膜聲/光高反射鏡實(shí)現(xiàn)激發(fā)光焦點(diǎn)與探測聲焦點(diǎn)在內(nèi)窺鏡外部的共焦點(diǎn)。同時，鍍膜聲/光高反射鏡通過微型步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動，又實(shí)現(xiàn)了激發(fā)光與探測聲的同時共軸選擇掃描，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)窺鏡的內(nèi)部選擇掃描，而非整個內(nèi)窺探頭的掃描，在有效提高檢測分辨率和靈敏度的同時，又避免了整個探頭掃描引起的抖動及偏心問題。
[0038]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn):
[0039](1)本發(fā)明中超聲換能器的聲場與激發(fā)光共焦點(diǎn)，極大提高了檢測的分辨率和靈敏度，所需激光能量低，獲得的圖像分辨率高。
[0040](2)本發(fā)明采用前置微型步進(jìn)電機(jī)帶動反射鏡旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對直腸管腔的掃描，相比以往技術(shù)中整個探頭機(jī)械轉(zhuǎn)動掃描，穩(wěn)定性得到了提升。
[0041 ] ( 3 )本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，方便操作，便于推廣及應(yīng)用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0042]圖1是本發(fā)明聲、光共旋轉(zhuǎn)掃描的直腸光聲內(nèi)窺鏡的結(jié)構(gòu)不意圖:
[0043]其中，I為中空聚焦超聲換能器，2為鍍膜聲/光高反射鏡，3為微型步進(jìn)電機(jī)，4為成像窗口，5為消色差聚焦透鏡，6為光纖準(zhǔn)直器，7為包芯屏蔽超聲信號線，8為單模光纖，9為控制線，10為光纖FC/APC接頭，11為光學(xué)玻璃。
[0044]圖2是本發(fā)明聲、光共焦點(diǎn)共旋轉(zhuǎn)掃描的原理示意圖:
[0045]其中，1為中空聚焦超聲換能器，2為鍍膜聲/光高反射鏡，3為微型步進(jìn)電機(jī)，4為成像窗口，5為消色差聚焦透鏡，11為光學(xué)玻璃，12為激發(fā)光焦點(diǎn)與超聲聲場焦點(diǎn)，13為反射鏡旋轉(zhuǎn)時聲、光焦點(diǎn)的軌跡。
[0046]圖3是應(yīng)用本發(fā)明對模擬樣品黑膠帶進(jìn)行光聲成像得到的光聲圖像，其中(a)為黑膠帶的光聲圖像，(b)為黑膠帶的實(shí)物照片。
[0047]圖4是應(yīng)用本發(fā)明得到的離體豬直腸組織的光聲圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0048]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0049]如圖1所不的聲、光共旋轉(zhuǎn)掃描的直腸光聲內(nèi)窺鏡裝置及其成像方法,包括套管、光聲信號激發(fā)組件、超聲信號采集組件、探測掃描組件及圖像重建及顯示組件；
[0050]所述光聲信號激發(fā)組件包括高重復(fù)頻率的脈沖激光器、單模光纖、光纖準(zhǔn)直器6和消色差聚焦透鏡5 ；
[0051]所述超聲信號采集組件包括中空聚焦超聲換能器I以及超聲耦合介質(zhì)；
[0052]所述探測掃描組件包括鍍膜聲/光高反射鏡2、微型步進(jìn)電機(jī)3以及成像窗口 4 ；
[0053]所述圖像重建及顯示組件包括數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)；
[0054]所述單模光纖、光纖準(zhǔn)直器、消色差聚焦透鏡、中空聚焦超聲換能器、鍍膜聲/光高反射鏡和微型步進(jìn)電機(jī)依次同軸機(jī)械緊固，成像窗口為環(huán)形窗口，成像窗口安裝在套管上并位于鍍膜聲/光高反射鏡的位置；
[0055]光纖準(zhǔn)直器通過光纖FC/APC接頭10連接單模光纖8，單模光纖連接脈沖激光器，中空聚焦超聲換能器通過包芯屏蔽超聲信號線7連接外部設(shè)備，微型步進(jìn)電機(jī)通過控制線9連接外部設(shè)備；[0056]所述脈沖激光器、中空聚焦超聲換能器、數(shù)據(jù)采集卡及計算機(jī)依次電氣連接。
[0057]所述單模光纖、光纖準(zhǔn)直器、消色差聚焦透鏡、中空聚焦超聲換能器、鍍膜聲/光高反射鏡和微型步進(jìn)電機(jī)安裝在套管之內(nèi)，內(nèi)窺鏡直徑為10mm，長度為4.5cm。
[0058]所述單模光纖的制備材料為塑料、石英或者多組分玻璃纖維，所述單模光纖可傳輸光的波段范圍為460~600nm,本發(fā)明中優(yōu)選傳輸波段在527nm的單模光纖。
[0059]光纖輸出光經(jīng)所述光纖準(zhǔn)直器、消色差聚焦透鏡后再由鍍膜聲/光高反射鏡反射后，光焦點(diǎn)位于成像窗口外部；所述中空聚焦超聲換能器的聲場探測焦點(diǎn)經(jīng)鍍膜聲/光高反射鏡反射后同樣位于成像窗口外部，通過調(diào)整消色差聚焦透鏡與中空聚焦超聲換能器之間的距離，實(shí)現(xiàn)光與聲的共焦點(diǎn)。
[0060]所述光纖準(zhǔn)直器的入射端為FC/APC光纖接口，直接連接具有FC/APC接頭的單模光纖。所述光纖準(zhǔn)直器通過固定件上的外螺紋緊固在套管內(nèi)，光纖輸出的光經(jīng)光纖準(zhǔn)直器后準(zhǔn)直輸出。
[0061]所述消色差聚焦透鏡的焦距長度為5mm~50mm。該裝置優(yōu)選焦距長度為25mm。所述消色差聚焦透鏡的固定件為中空圓柱形，消色差聚焦透鏡通過固定件上的外螺紋同軸固定在套管內(nèi)，消色差透鏡的位置可以通過外螺紋在套管內(nèi)前后調(diào)節(jié)。光纖傳輸?shù)募ぐl(fā)光經(jīng)光纖準(zhǔn)直器后再經(jīng)過消色差聚焦透鏡形成匯聚光束，通過鍍膜聲/光高反射鏡90°反射，聚焦光束焦點(diǎn)在成像窗口外部。
[0062]所述鍍膜聲/光高反射鏡固定在微型步進(jìn)電機(jī)軸上，反射面與中空聚焦超聲換能器的中心軸成45° ,鍍膜聲/光高反射鏡位于成像窗口內(nèi)部，其中鍍膜聲/光高反射鏡的反射面尺寸為5mmX5mm，鍍膜聲/光高反射鏡的鍍膜為鋁膜，鋁膜對光的反射效率在98%以上，對超聲的反射率在90%以上。
[0063]所述中空聚焦超聲換`能器由基礎(chǔ)固定件，襯底以及聲敏陣元構(gòu)成。所述基礎(chǔ)固定件為中空圓柱體，通過外螺紋固定于套管內(nèi)；所述襯底的一個端面為中空圓面，另一端面為中空圓凹面；所述中空聚焦超聲換能器的聲敏陣元為寬度3_的同心圓環(huán)，緊固在襯底圓凹面上，凹面的曲率半徑為15mm ;探測器的信號線采用0.5mm包芯屏蔽信號線，從襯底的中空圓面一側(cè)引出，沿固定件內(nèi)壁Imm凹槽排布引出。
[0064]中空聚焦超聲換能器襯底的中空圓面處，用光學(xué)膠緊固一層光學(xué)玻璃，將超聲耦合介質(zhì)隔離在光學(xué)窗口一側(cè)。超聲稱合介質(zhì)選用硅油，通過中空聚焦超聲換能器后方的光學(xué)玻璃、成像窗口密封在內(nèi)窺鏡中，用做超聲信號在內(nèi)窺鏡中的傳播介質(zhì)，同時硅油對激光是透明的，其絕緣性也可保證前置微型步進(jìn)電機(jī)正常工作。
[0065]所述中空聚焦超聲換能器用于光聲信號的檢測，主頻為15MHz，聲場焦距為15mm。中空聚焦超聲換能器的聲場焦點(diǎn)經(jīng)鍍膜聲/光高反射鏡反射后同樣位于成像窗口外部。
[0066]所述光與聲的共焦點(diǎn)模式通過調(diào)整消色差聚焦透鏡與中空聚焦超聲換能器之間的距離實(shí)現(xiàn)。
[0067]所述成像窗口由PVC/PC材料制成，厚度0.5_;所述成像窗口左右兩端與中空聚焦超聲換能器固定件、電機(jī)固定件同軸緊固連接；所述成像窗口沿軸向的長度為5~10_，本發(fā)明中優(yōu)選5mm長的成像窗口。PVC/PC材料對激光透明，超聲在其中傳播衰減很小，故本發(fā)明選用制作成像窗口。
[0068]所述鍍膜聲/光高反射鏡做鍍膜處理，可鍍有高反銀膜，高反鋁膜或者高反金膜。本成像裝置中反射鏡優(yōu)選鍍鋁膜高反射鏡，反射鏡鍍膜后對527nm激光的反射效率在98%以上，對超聲的反射率在90%以上。鍍膜聲/光高反射鏡反射面的尺寸為5mmX5mm。
[0069]所述微型步進(jìn)電機(jī)為兩相步進(jìn)電機(jī)，直徑為6mm，步進(jìn)角度為9°，最大轉(zhuǎn)速可達(dá)到15000rpm;所述微型步進(jìn)電機(jī)同軸固定在中空絕緣圓柱體中，通過外螺紋固定于套管內(nèi)。
[0070]所述鍍膜聲/光高反射鏡固定在微型步進(jìn)電機(jī)軸上；反射鏡的反射面同中空聚焦超聲換能器的中心軸成45°。鍍膜聲/光高反射鏡距離中空聚焦超聲換能器的距離由中空聚焦超聲換能器的焦長決定，調(diào)節(jié)兩者之間的距離使得換能器的聲場焦點(diǎn)在落在成像窗口的外部。
[0071]所述光纖準(zhǔn)直器、消色差聚焦透鏡、中空聚焦超聲換能器、鍍膜聲/光高反射鏡以及微型步進(jìn)電機(jī)處于同軸結(jié)構(gòu)。 [0072]所述超聲耦合介質(zhì)為硅油，中空聚焦超聲換能器設(shè)有一個光學(xué)玻璃，超聲耦合介質(zhì)由光學(xué)玻璃11密封在成像窗口處。
[0073]脈沖激光器所發(fā)出的脈沖激光波長范圍為400nm~2500nm，波長范圍覆蓋可見光波段與近紅外波段，本成像系統(tǒng)優(yōu)先采用的是輸出波長為527nm的固體激光器，激光器重復(fù)頻率lOKHz，最大輸出能量200 ii J。所述數(shù)據(jù)采集卡的采樣率范圍為IHz~4GHz，分辨率為14位，帶寬為250MHz，板載內(nèi)存為2G，最小輸入電壓為正負(fù)IOOmV,最大輸入電壓為正負(fù)5V ;所述數(shù)據(jù)采集卡有觸發(fā)信號輸入端口。
[0074]計算機(jī)內(nèi)存4G，英特爾酷睿i7處理器。
[0075]上述的聲、光共旋轉(zhuǎn)掃描的直腸光聲內(nèi)窺鏡裝置的成像方法，具體包括以下步驟:
[0076](I)光聲激發(fā):脈沖激光器輸出脈沖激光經(jīng)光纖耦合器耦合進(jìn)入單模光纖，從單模光纖輸出的脈沖光經(jīng)光纖準(zhǔn)直器、消色差聚焦透鏡后通過中空聚焦超聲換能器到達(dá)鍍膜聲/光高反射鏡的中心，并90°反射后穿過成像窗口打到直腸內(nèi)壁上激發(fā)出光聲信號；
[0077](2)光聲米集:直腸內(nèi)壁組織中激發(fā)產(chǎn)生的光聲信號,經(jīng)鍍膜聲/光高反射鏡反射后被中空聚焦超聲換能器所探測，然后被數(shù)據(jù)采集卡采集，數(shù)據(jù)采集卡集成有AC/DC轉(zhuǎn)換模塊，超聲信號通過AC/DC轉(zhuǎn)換后存儲到計算機(jī)中；所述數(shù)據(jù)采集卡具有帶通濾波模塊，可對采集到的信號進(jìn)行濾波處理，脈沖激光器同步觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)光聲信號的采集；
[0078](3)如圖2所示，直腸內(nèi)窺掃描:采集完成某一位置的光聲信號后，計算機(jī)上的控制微型步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，微型步進(jìn)電機(jī)帶動反射鏡轉(zhuǎn)動，反射鏡旋轉(zhuǎn)的過程中，激發(fā)光焦點(diǎn)聲場探測焦點(diǎn)始終保持同軸旋轉(zhuǎn)，對下一位置進(jìn)行光聲信號的采集，直到完成直腸內(nèi)壁的環(huán)形掃描；
[0079](4)圖像重建以及顯示:記錄在計算機(jī)上的光聲信號數(shù)據(jù)處理，得到直腸組織的光聲圖像。
[0080]圖1所示的內(nèi)窺鏡可分為激發(fā)光準(zhǔn)直聚焦部分、中空聚焦超聲換能器部分以及前置微型步進(jìn)電機(jī)部分。這三部分的固定件依次同軸緊固連接，所述激發(fā)光準(zhǔn)直聚焦部分具有入射光纖接口(圖1中10所示)，固定件內(nèi)部安裝有光纖準(zhǔn)直器(圖1中6所示)和消色差聚焦透鏡(圖1中5所示)，消色差聚焦透鏡與中空聚焦超聲換能器之間的距離可以通過旋轉(zhuǎn)螺紋調(diào)節(jié)，消色差聚焦透鏡的焦距為25mm;中空聚焦超聲換能器的固定件為中空圓柱體，直徑11mm，內(nèi)徑9.5mm，在內(nèi)徑上銑有Imm深度的凹槽，包芯屏蔽超聲信號錢由凹槽引出，在固定件的中間部分制作超聲接收陣元，用PVDF材料制作超聲陣元，陣元成碗狀，中心留有直徑2mm的透光孔，透光孔的后端面用緊固膠固定光學(xué)玻璃，將硅油隔離在成像窗口一端；陣元的接收主頻為15MHz，探測器的焦長為15mm ;第三部分包括有透聲透光材料制成的成像窗口和微型步進(jìn)電機(jī)以及鍍膜聲/光高反射鏡，首先成像窗口的制作材料為PVC材料，窗口處的厚度為0.5_，窗口固定件前端與中空聚焦超聲換能器固定件緊固同軸連接，后端與電機(jī)固定件緊固同軸連接，窗口沿軸向上的長度為5mm(如圖1中4所示)，微型步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上固定有鍍膜聲/光高反射鏡，反射面的的尺寸為5mmX5mm，反射面與中空聚焦超聲換能器的中心軸之間成45°，微型步進(jìn)電機(jī)固定在電機(jī)固定件上，在固定件的側(cè)面將控制線引出，沿內(nèi)壁上的凹槽引出。所需說明的是，三部分固定件分別精密加工，同軸緊固連接，部件安裝的位置十分精確，要求經(jīng)鍍膜聲/光高反射鏡反射后激發(fā)光與中空聚焦超聲換能器探測聲場共焦點(diǎn)。內(nèi)窺鏡的主要部分長45_，單模光纖、包芯屏蔽超聲信號線以及控制線從金屬套管內(nèi)部引出連接到相應(yīng)電氣元件上。
[0081]應(yīng)用聲、光共旋轉(zhuǎn)掃描的直腸光聲內(nèi)窺鏡對模擬樣品及離體豬直腸組織進(jìn)行光聲成像，方法如下:
[0082](I)模擬樣品是用瓊脂制備的中空圓柱，內(nèi)徑12mm，在瓊脂塊內(nèi)埋入一圈黑膠帶，將直腸光聲內(nèi)窺鏡插入到中空圓柱中進(jìn)行光聲成像，所得到的黑膠帶的光聲成像如圖3所示；
[0083]( 2 )取一段豬離體直腸組織，將直腸光聲內(nèi)窺鏡置于直腸管腔內(nèi)部，打開計算機(jī)控制軟件進(jìn)行光聲成像，得到的直腸光聲成像結(jié)果如圖4所示。
[0084]上述【具體實(shí)施方式】為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不能對本發(fā)明進(jìn)行限定，其他的任何未背離本發(fā)明的技術(shù)方案而所做的改變或其它等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。`
【權(quán)利要求】
1.聲、光共旋轉(zhuǎn)掃描的直腸光聲內(nèi)窺鏡裝置，其特征在于:包括套管、光聲信號激發(fā)組件、超聲信號采集組件、探測掃描組件及圖像重建及顯示組件； 所述光聲信號激發(fā)組件包括高重復(fù)頻率的脈沖激光器、單模光纖、光纖準(zhǔn)直器和消色差聚焦透鏡； 所述超聲信號采集組件包括中空聚焦超聲換能器以及超聲耦合介質(zhì)； 所述探測掃描組件包括鍍膜聲/光高反射鏡、微型步進(jìn)電機(jī)以及成像窗口 ； 所述圖像重建及顯示組件包括數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)； 所述單模光纖、光纖準(zhǔn)直器、消色差聚焦透鏡、中空聚焦超聲換能器、鍍膜聲/光高反射鏡和微型步進(jìn)電機(jī)依次同軸機(jī)械緊固，成像窗口為環(huán)形窗口，成像窗口安裝在套管上并位于鍍膜聲/光高反射鏡的位置； 光纖準(zhǔn)直器通過光纖FC/APC接頭連接單模光纖，單模光纖連接脈沖激光器，中空聚焦超聲換能器通過包芯屏蔽超聲信號線連接外部設(shè)備，微型步進(jìn)電機(jī)通過控制線連接外部設(shè)備; 所述脈沖激光器、中空聚焦超聲換能器、數(shù)據(jù)采集卡及計算機(jī)依次電氣連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲、光共旋轉(zhuǎn)掃描的直腸光聲內(nèi)窺鏡裝置，其特征在于:所述單模光纖、光纖準(zhǔn)直器、消色差聚焦透鏡、中空聚焦超聲換能器、鍍膜聲/光高反射鏡和微型步進(jìn)電機(jī)安裝在套管之內(nèi)，內(nèi)窺鏡直徑為10mm，長度為4.5cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲、光共旋轉(zhuǎn)掃描的直腸光聲內(nèi)窺鏡裝置，其特征在于:光纖輸出光經(jīng)所述光纖準(zhǔn)直器、消色差聚焦透鏡后再由鍍膜聲/光高反射鏡反射后，光焦點(diǎn)位于成像窗口外部；所述中空聚焦超聲換能器的聲場探測焦點(diǎn)經(jīng)鍍膜聲/光高反射鏡反射后同樣位于成像窗口外部，通過調(diào)整消色差聚焦透鏡與中空聚焦超聲換能器之間的距離，實(shí)現(xiàn)光與聲的共焦點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲、光共旋轉(zhuǎn)掃描的直腸光聲內(nèi)窺鏡裝置，其特征在于:所述鍍膜聲/光高反射鏡固定在微型步進(jìn)電機(jī)軸上，反射面與中空聚焦超聲換能器的中心軸成45° ,鍍膜聲/光高反射鏡位于成像窗口內(nèi)部，其中鍍膜聲/光高反射鏡的反射面尺寸為5mmX 5mm,鍍膜聲/光高反射鏡的鍍膜為鋁膜，鋁膜對光的反射效率在98%以上，對超聲的反射率在90%以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲、光共旋轉(zhuǎn)掃描的直腸光聲內(nèi)窺鏡裝置，其特征在于:所述光纖準(zhǔn)直器、消色差聚焦透鏡、中空聚焦超聲換能器、鍍膜聲/光高反射鏡以及微型步進(jìn)電機(jī)處于同軸結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲、光共旋轉(zhuǎn)掃描的直腸光聲內(nèi)窺鏡裝置，其特征在于:所述超聲耦合介質(zhì)為硅油，中空聚焦超聲換能器設(shè)有一個光學(xué)玻璃，超聲耦合介質(zhì)由光學(xué)玻璃密封在成像窗口處。
7.米用權(quán)利要求1~6任一項(xiàng)所述的聲、光共旋轉(zhuǎn)掃描的直腸光聲內(nèi)窺鏡裝置的成像方法，其特征在于具體包括以下步驟: (1)光聲激發(fā):脈沖激光器輸出脈沖激光經(jīng)光纖耦合器耦合進(jìn)入單模光纖，從單模光纖輸出的脈沖光經(jīng)光纖準(zhǔn)直器、消色差聚焦透鏡后通過中空聚焦超聲換能器到達(dá)鍍膜聲/光高反射鏡的中心，并90°反射后穿過成像窗口打到直腸內(nèi)壁上激發(fā)出光聲信號； (2)光聲米集:直腸內(nèi)壁組織中激發(fā)產(chǎn)生的光聲信號,經(jīng)鍍膜聲/光高反射鏡反射后被中空聚焦超聲換能器所探測，然后由數(shù)據(jù)采集卡采集，數(shù)據(jù)采集卡集成有AC/DC轉(zhuǎn)換模塊，超聲信號通過AC/DC轉(zhuǎn)換后存儲到計算機(jī)中；所述數(shù)據(jù)采集卡具有帶通濾波模塊，可對采集到的信號進(jìn)行濾波處理，脈沖激光器同步觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)光聲信號的采集； (3 )直腸內(nèi)窺掃描:采集完成某一位置的光聲信號后，計算機(jī)上的控制微型步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，微型步進(jìn)電機(jī)帶動反射鏡轉(zhuǎn)動，反射鏡旋轉(zhuǎn)的過程中，激發(fā)光焦點(diǎn)聲場探測焦點(diǎn)始終保持同軸旋轉(zhuǎn)，對下一位置進(jìn)行光聲信號的米集，直到完成直腸內(nèi)壁的環(huán)形掃描； (4)圖像重建以及顯示:記錄在計算機(jī)上的光聲信號數(shù)據(jù)處理，得到直腸組織的光聲圖像 。
【文檔編號】A61B8/12GK103637819SQ201310737233
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月26日
【發(fā)明者】楊思華, 劉寧, 邢達(dá) 申請人:廣州佰奧廷電子科技有限公司