本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)成像設(shè)備的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于淺表部位成像的光聲與超聲同步成像系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

經(jīng)過多年的醫(yī)學(xué)工程技術(shù)的不斷革新，基于影像手段的腫瘤成像檢測儀器獲得了廣泛的應(yīng)用，為醫(yī)學(xué)檢測、診斷與治療提供了重要的依據(jù)。乳腺癌癥是危害程度較高的腫瘤病癥，現(xiàn)有技術(shù)中應(yīng)用于乳腺腫瘤檢測的主要成像設(shè)備分別具有不同的技術(shù)特點(diǎn)，但也仍然存在著一定的問題：

1)x光乳腺ct/模擬或數(shù)字乳腺機(jī)，成像采用具有放射性的x光，對健康具有潛在的危害性，并且不適合在短期內(nèi)進(jìn)行多次重復(fù)的檢測；對成像過程中的乳房位置和技師操作水平要求較高，容易形成成像的盲區(qū)；其中模擬或數(shù)字乳腺機(jī)還需要對乳房進(jìn)行壓迫,壓迫力通常在50n以上,患者體驗(yàn)較為痛苦；對軟組織結(jié)構(gòu)較為豐富的東亞女性人群而言成像對比度不高，特異性不強(qiáng)；

2)乳腺紅外光檢查治療儀，分辨率和特異性很差，不利于病灶的辨識(shí)；只具備二維的成像能力，無法提供準(zhǔn)確的三維位置信息；

3)乳腺核磁mri，同乳腺ct，對固定位置與操作技能要求較高；患者的檢查成本較高；妊娠期婦女禁忌使用；

4)乳腺超聲檢測儀，成像的分辨率和特異性都較差；難以識(shí)別微小的鈣化點(diǎn)等早期病理特征。

光聲成像是近年來迅速發(fā)展起來的一類醫(yī)學(xué)影像前沿技術(shù)，已有光聲技術(shù)應(yīng)用于乳腺檢測的方案，如利用特殊定制的環(huán)形或者碗狀結(jié)構(gòu)的超聲換能器陣列，在檢測時(shí)讓病人采用直立或者臥趴的姿勢將乳房置于其中，在其周圍進(jìn)行光照射激發(fā)，并接收產(chǎn)生的光聲信號(hào)。非手持式碗式光聲乳腺裝置存在使用不便等問題，醫(yī)師操作和患者使用的體驗(yàn)不佳，碗式裝置通常也不是同乳房緊密貼合，會(huì)犧牲掉一些成像深度，影響檢測質(zhì)量。

中國專利申請cn102512207a公開了一種b超探頭式光聲成像乳腺掃描儀及其掃描方法：在b超超聲成像儀的b超探頭兩側(cè)捆縛上兩光纖束。掃描時(shí)，先在b超探頭及被測乳腺上涂抹超聲耦合劑，然后打開激光光源，由b超探頭兩側(cè)的光纖束，將光束引導(dǎo)到b超探頭前端的乳腺上；超聲探頭采集乳房由光聲作用產(chǎn)生的光聲信號(hào)，并傳輸至計(jì)算機(jī)中經(jīng)相關(guān)信號(hào)、圖像處理后實(shí)時(shí)二維成像。該專利申請公開了b超探頭式光聲成像乳腺掃描儀及其掃描方法，將光聲成像應(yīng)用到乳腺成像中，但光聲技術(shù)結(jié)合成熟的超聲系統(tǒng)來應(yīng)用，需要克服一些關(guān)鍵技術(shù)問題，如光聲信號(hào)的控制和采集，信號(hào)的處理，以及與超聲信號(hào)的耦合等，實(shí)際操作中存在較大的技術(shù)難度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的旨在提供用于淺表部位成像的光聲與超聲同步成像系統(tǒng)和方法，將光聲成像技術(shù)與光聲-超聲雙模態(tài)成像系統(tǒng)結(jié)合成一種靈敏度高、成像深度大以及掃描速度快的成像系統(tǒng)，使之能夠靈活應(yīng)用于乳腺、前哨淋巴結(jié)、甲狀腺、前列腺等人體淺表部位成像上。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

用于淺表部位成像的光聲與超聲同步成像系統(tǒng)，包括相連接的激光器與光聲-超聲雙模態(tài)成像系統(tǒng)，該光聲-超聲雙模態(tài)成像系統(tǒng)包括信號(hào)控制和處理模塊、光聲-超聲雙模態(tài)成像模塊、圖像顯示器和手持式光聲探頭，手持式光聲探頭內(nèi)設(shè)置有多個(gè)壓電晶片陣元，手持式光聲探頭內(nèi)還設(shè)置有超聲換能器：

激光器用于輸出激光信號(hào)，信號(hào)控制和處理模塊用于輸出超聲信號(hào)；手持式光聲探頭用于將激光信號(hào)與超聲信號(hào)傳導(dǎo)至待檢測的淺表部位，并將來自淺表部位的光聲回波信號(hào)和超聲回波信號(hào)傳送至光聲-超聲雙模態(tài)成像模塊；光聲-超聲雙模態(tài)成像模塊用于通過超聲回波信號(hào)重建超聲圖像和通過光聲回波信號(hào)重建光聲圖像，并將超聲圖像和光聲圖像傳送至圖像顯示器進(jìn)行顯示，光聲-超聲雙模態(tài)成像模塊重建光聲圖像的方法具體為：對于每幀光聲回波信號(hào)，根據(jù)成像區(qū)域中每一點(diǎn)的空間坐標(biāo)與手持式光聲探頭上陣元坐標(biāo)的相對位置關(guān)系、計(jì)算出該成像幀中各點(diǎn)到達(dá)各個(gè)陣元的超聲傳播時(shí)間，并利用以下公式進(jìn)行各點(diǎn)光聲回波信號(hào)的重建：

其中，i是手持式光聲探頭內(nèi)壓電晶片陣元的編號(hào)，指在空間坐標(biāo)處的重建后光聲強(qiáng)度信號(hào)；pi(ti,j)表示第i個(gè)陣元接收到的光聲回波信號(hào)中、位于(ti,j)時(shí)刻的強(qiáng)度值，(ti,j)的含義是空間坐標(biāo)所在位置到第i個(gè)壓電晶片陣元的超聲傳播時(shí)間。

進(jìn)一步地，光聲-超聲雙模態(tài)成像模塊重建超聲圖像的方法具體為：分別對每一條掃描線對應(yīng)位置處發(fā)射在某個(gè)深度位置聚焦的超聲信號(hào)，并將每個(gè)陣元接收得到的超聲回波信號(hào)根據(jù)所需要?jiǎng)討B(tài)聚焦的掃描線上各空間點(diǎn)的位置坐標(biāo)，計(jì)算出在同相位條件下從發(fā)射到到達(dá)各個(gè)陣元信號(hào)需要的相位延時(shí)之后進(jìn)行延時(shí)相加，得到重建好的掃描線，最后再由多條互不重疊的掃描線重建信號(hào)構(gòu)建出一幀完整的超聲圖像。

為了優(yōu)化系統(tǒng)性能，信號(hào)控制和處理模塊包括前端控制子模塊、以及超聲控制子模塊，其中，該超聲控制子模塊用于輸出超聲信號(hào)，該前端控制子模塊用于控制激光信號(hào)和超聲信號(hào)的同步輸出。

更進(jìn)一步地，超聲控制子模塊還作為超聲換能器與光聲-超聲雙模態(tài)成像模塊之間的中轉(zhuǎn)站：接收來自超聲換能器的超聲回波信號(hào)與光聲回波信號(hào)，并對超聲回波信號(hào)與光聲回波信號(hào)進(jìn)行初步處理，初步處理的內(nèi)容包括濾波、放大和波束形成，再將初步處理過的超聲回波信號(hào)與光聲回波信號(hào)傳送至光聲-超聲雙模態(tài)成像模塊。

為了提高所輸出脈沖激光信號(hào)的質(zhì)量，激光器輸出的激光信號(hào)通過光學(xué)聚焦模塊后進(jìn)入手持式光聲探頭。

為了進(jìn)一步提高激光信號(hào)的輸出質(zhì)量，手持式光聲探頭內(nèi)設(shè)置有暗場激發(fā)光路，激光信號(hào)通過光學(xué)聚焦模塊后進(jìn)入手持式光聲探頭內(nèi)的暗場激發(fā)光路，該暗場激發(fā)光路用于將激光信號(hào)整形后按設(shè)定的角度、形狀均勻投射到待檢測的淺表部位。

優(yōu)選地，手持式光聲探頭內(nèi)于超聲換能器兩側(cè)分別設(shè)置有兩組暗場激發(fā)光路，激光器輸出的激光信號(hào)通過光學(xué)聚焦模塊后耦合進(jìn)入兩組多模光纖，該兩組多模光纖將激光信號(hào)分別導(dǎo)入兩組暗場激發(fā)光路，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，每組暗場激發(fā)光路包括柱面鏡、反射鏡和凹面鏡。

傳統(tǒng)的光聲-超聲雙模態(tài)成像系統(tǒng)信息來源單一，現(xiàn)有的超聲與光聲成像系統(tǒng)雖豐富了成像數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)的有效利用率仍有待提高，為了提高信息利用率、獲得更全面的成像結(jié)果，光聲-超聲雙模態(tài)成像模塊還用于經(jīng)過圖像配準(zhǔn)算法對重建的光聲圖像與超聲圖像進(jìn)行融合疊加、得到綜合圖像；圖像顯示器還用于顯示綜合圖像。

光聲-超聲雙模態(tài)成像系統(tǒng)與激光器涉及眾多部件與線路，為了讓系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，現(xiàn)有技術(shù)中的成像系統(tǒng)通常固定設(shè)置于指定區(qū)域內(nèi)，不便于移動(dòng)和檢修，為了在不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下克服此缺陷，光聲-超聲雙模態(tài)成像系統(tǒng)和激光器分別設(shè)置于第一儀器車和第二儀器車上；第二儀器車上還設(shè)置有水冷循環(huán)系統(tǒng)，用于提供通過管道流經(jīng)激光器內(nèi)部的循環(huán)冷卻液。

用于淺表部位成像的光聲與超聲同步成像方法，包括如下步驟：

s1、超聲信號(hào)和激光信號(hào)分別經(jīng)手持式光聲探頭到達(dá)待檢測的淺表部位；

s2、手持式光聲探頭內(nèi)的超聲換能器接收來自淺表部位的超聲回波信號(hào)和光聲回波信號(hào)，并將超聲回波信號(hào)和光聲回波信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后傳送至光聲-超聲雙模態(tài)成像模塊；

s3、光聲-超聲雙模態(tài)成像模塊通過超聲回波信號(hào)重建超聲圖像和通過光聲回波信號(hào)重建光聲圖像，該光聲-超聲雙模態(tài)成像模塊重建光聲圖像的方法具體為：對于每幀光聲回波信號(hào)，根據(jù)成像區(qū)域中每一點(diǎn)的空間坐標(biāo)與手持式光聲探頭上陣元坐標(biāo)的相對位置關(guān)系、計(jì)算出該成像幀中各點(diǎn)到達(dá)各個(gè)陣元的超聲傳播時(shí)間，并利用以下公式進(jìn)行各點(diǎn)光聲回波信號(hào)的重建：

其中，i是手持式光聲探頭內(nèi)壓電晶片陣元的編號(hào)，指在空間坐標(biāo)處的重建后光聲強(qiáng)度信號(hào)；pi(ti,j)表示第i個(gè)陣元接收到的光聲回波信號(hào)中、位于(ti,j)時(shí)刻的強(qiáng)度值，(ti,j)的含義是空間坐標(biāo)所在位置到第i個(gè)壓電晶片陣元的超聲傳播時(shí)間；

s4、圖像顯示器顯示出超聲圖像和超聲圖像。

進(jìn)一步地，s3中，光聲-超聲雙模態(tài)成像模塊通過超聲回波信號(hào)重建超聲圖像的方法具體為：分別對每一條掃描線對應(yīng)位置處發(fā)射在某個(gè)深度位置聚焦的超聲信號(hào)，并將每個(gè)陣元接收得到的反射回波根據(jù)所需要?jiǎng)討B(tài)聚焦的掃描線上各空間點(diǎn)的位置坐標(biāo)，計(jì)算出在同相位條件下從發(fā)射到到達(dá)各個(gè)陣元信號(hào)需要的相位延時(shí)之后進(jìn)行延時(shí)相加，得到重建好的掃描線，最后再由多條互不重疊的掃描線重建信號(hào)構(gòu)建出一幀完整的超聲圖像。

更進(jìn)一步地，手持式光聲探頭內(nèi)于超聲換能器兩側(cè)分別設(shè)置有兩組暗場激發(fā)光路，s1中，激光器輸出的激光信號(hào)通過光學(xué)聚焦模塊后耦合進(jìn)入兩組多模光纖，兩組多模光纖將激光信號(hào)分別導(dǎo)入兩組暗場激發(fā)光路，暗場激發(fā)光路將激光信號(hào)整形后按設(shè)定的角度、形狀投射到待檢測的淺表部位。

本發(fā)明的有益效果在于：相較于傳統(tǒng)成像技術(shù)，本發(fā)明兼具超聲成像實(shí)時(shí)性強(qiáng)、靈活度高和成像深度大，以及光聲成像的靈敏度高、掃描速度高和分辨率高的圖像特性，并且無輻射，從而可以快速方便地應(yīng)用在人體的各個(gè)淺表部位成像上，尤其針對乳腺/前哨淋巴/甲狀腺/前列腺等淺表的篩查，本發(fā)明具有推廣使用的前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中用于淺表部位成像的光聲與超聲同步成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是本發(fā)明中激光信號(hào)輸出部分的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明中用于淺表部位成像的光聲與超聲同步成像方法的流程框圖。

附圖標(biāo)記：1、激光器；2、光學(xué)聚焦模塊；3、多模光纖；4、暗場激發(fā)光路；5、手持式光聲探頭；6、超聲換能器。

具體實(shí)施方式

下面，結(jié)合附圖以及具體實(shí)施方式，對本發(fā)明做進(jìn)一步描述：

實(shí)施例1

如圖1及圖2所示，用于淺表部位成像的光聲與超聲同步成像系統(tǒng)，包括相連接的激光器1與光聲-超聲雙模態(tài)成像系統(tǒng)，激光器1用于輸出激光信號(hào)以產(chǎn)生光聲回波信號(hào)；光聲-超聲雙模態(tài)成像系統(tǒng)包括信號(hào)控制和處理模塊、光聲-超聲雙模態(tài)成像模塊、圖像顯示器和手持式光聲探頭5，信號(hào)控制和處理模塊包括前端控制子模塊、以及超聲控制子模塊，超聲控制子模塊中包含有模擬電壓調(diào)制電路、信號(hào)采集電路、隔離電路、前置放大和濾波電路、探頭選擇板和通道板，用于輸出超聲信號(hào)以產(chǎn)生超聲回波信號(hào)，還用于接收光聲回波信號(hào)和超聲回波信號(hào)，并對光聲回波信號(hào)和超聲回波信號(hào)進(jìn)行初步處理，初步處理的內(nèi)容包括濾波、放大和波束形成，接收前端控制子模塊經(jīng)脈沖激光控制電路連接激光器1，用于控制激光信號(hào)和超聲信號(hào)的同步輸出；手持式光聲探頭5內(nèi)設(shè)置有多個(gè)壓電晶片陣元，手持式光聲探頭5內(nèi)還設(shè)置有超聲換能器6，手持式光聲探頭5內(nèi)于超聲換能器6兩側(cè)分別設(shè)置有兩組暗場激發(fā)光路4，激光器1輸出的激光信號(hào)通過一光學(xué)聚焦模塊2后耦合進(jìn)入兩組多模光纖3，該兩組多模光纖3將激光信號(hào)分別導(dǎo)入兩組暗場激發(fā)光路4，每組暗場激發(fā)光路4優(yōu)選為包括柱面鏡、反射鏡和凹面鏡，暗場激發(fā)光路4用于將激光信號(hào)整形后按設(shè)定的角度、形狀均勻投射到待檢測的淺表部位，超聲換能器6用于接收來自淺表部位的光聲回波信號(hào)和超聲回波信號(hào)，并將光聲回波信號(hào)與超聲回波信號(hào)分別以電信號(hào)的形式傳送至超聲控制子模塊進(jìn)行初步處理；光聲-超聲雙模態(tài)成像模塊用于接收完成初步處理的超聲回波信號(hào)和光聲回波信號(hào)，并分別通過超聲回波信號(hào)和光聲回波信號(hào)重建超聲圖像和光聲圖像，光聲-超聲雙模態(tài)成像模塊重建超聲圖像的方法具體為：分別對每一條掃描線對應(yīng)位置處發(fā)射在某個(gè)深度位置聚焦的超聲信號(hào)，并將每個(gè)陣元接收得到的反射回波根據(jù)所需要?jiǎng)討B(tài)聚焦的掃描線上各空間點(diǎn)的位置坐標(biāo)，計(jì)算出在同相位條件下從發(fā)射到到達(dá)各個(gè)陣元信號(hào)需要的相位延時(shí)之后進(jìn)行延時(shí)相加，得到重建好的掃描線，最后再由多條互不重疊的掃描線重建信號(hào)構(gòu)建出一幀完整的超聲圖像；每幀光聲信號(hào)的激發(fā)是一次性在整個(gè)成像范圍內(nèi)通過一次激光照射完成的，并不需要像超聲一樣沿著不同的掃描線進(jìn)行重建，因此光聲重建時(shí)間要短于超聲重建時(shí)間，光聲-超聲雙模態(tài)成像模塊重建光聲圖像的方法具體為：對于每幀光聲回波信號(hào)，根據(jù)成像區(qū)域中每一點(diǎn)的空間坐標(biāo)與手持式光聲探頭5上陣元坐標(biāo)的相對位置關(guān)系、計(jì)算出該成像幀中各點(diǎn)到達(dá)各個(gè)陣元的超聲傳播時(shí)間，并利用以下公式進(jìn)行各點(diǎn)光聲回波信號(hào)的重建：

其中，i是手持式光聲探頭5內(nèi)壓電晶片陣元的編號(hào)，指在空間坐標(biāo)處的重建后光聲強(qiáng)度信號(hào)；pi(ti,j)表示第i個(gè)陣元接收到的光聲回波信號(hào)中、位于(ti,j)時(shí)刻的強(qiáng)度值，(ti,j)的含義是空間坐標(biāo)所在位置到第i個(gè)壓電晶片陣元的超聲傳播時(shí)間；光聲-超聲雙模態(tài)成像模塊還用于經(jīng)過圖像配準(zhǔn)算法對重建的光聲圖像與超聲圖像進(jìn)行融合疊加、得到綜合圖像；圖像顯示器用于顯示超聲圖像、光聲圖像和綜合圖像。

本發(fā)明中，信號(hào)控制和處理模塊、光聲-超聲雙模態(tài)成像模塊設(shè)置于一主機(jī)內(nèi)，該主機(jī)與圖像顯示器相連接，主機(jī)上設(shè)置有用于連接手持式光聲探頭5的超聲探頭接口，主機(jī)設(shè)置于第一儀器車，圖像顯示器經(jīng)萬向臂設(shè)置于第一儀器車上；激光器1、光學(xué)聚焦模塊2與一水冷循環(huán)系統(tǒng)共同設(shè)置于第二儀器車上，水冷循環(huán)系統(tǒng)所產(chǎn)生的循環(huán)冷卻液經(jīng)管道流經(jīng)激光器1內(nèi)部。

實(shí)施例2

如圖2和圖3所示，用于淺表部位成像的光聲與超聲同步成像方法，包括如下步驟：

s1、接收前端控制子模塊控制激光器1和超聲控制子模塊同步輸出激光信號(hào)和超聲信號(hào)，超聲信號(hào)和激光信號(hào)分別經(jīng)手持式光聲探頭5到達(dá)待檢測的淺表部位，其中激光信號(hào)通過光學(xué)聚焦模塊2后耦合進(jìn)入兩組多模光纖3，兩組多模光纖3將激光信號(hào)分別導(dǎo)入兩組暗場激發(fā)光路4，暗場激發(fā)光路4將激光信號(hào)整形后按設(shè)定的角度、形狀均勻投射到待檢測的淺表部位，暗場激發(fā)光路4優(yōu)選為包括柱面鏡、反射鏡和凹面鏡；

s2、手持式光聲探頭5內(nèi)的超聲換能器6接收來自淺表部位的超聲回波信號(hào)和光聲回波信號(hào)，并將超聲回波信號(hào)和光聲回波信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后傳送至超聲控制子模塊，超聲控制子模塊對超聲回波信號(hào)和光聲回波信號(hào)進(jìn)行初步處理后傳送至光聲-超聲雙模態(tài)成像模塊，初步處理的內(nèi)容包括濾波、放大和波束形成；

s3、光聲-超聲雙模態(tài)成像模塊基于超聲回波信號(hào)重建超聲圖像，具體為：分別對每一條掃描線對應(yīng)位置處發(fā)射在某個(gè)深度位置聚焦的超聲信號(hào)，并將每個(gè)陣元接收得到的反射回波根據(jù)所需要?jiǎng)討B(tài)聚焦的掃描線上各空間點(diǎn)的位置坐標(biāo)，計(jì)算出在同相位條件下從發(fā)射到到達(dá)各個(gè)陣元信號(hào)需要的相位延時(shí)之后進(jìn)行延時(shí)相加，得到重建好的掃描線，最后再由多條互不重疊的掃描線重建信號(hào)構(gòu)建出一幀完整的超聲圖像；光聲-超聲雙模態(tài)成像模塊基于光聲回波信號(hào)重建光聲圖像，具體為：對于每幀光聲回波信號(hào)，根據(jù)成像區(qū)域中每一點(diǎn)的空間坐標(biāo)與手持式光聲探頭上陣元坐標(biāo)的相對位置關(guān)系、計(jì)算出該成像幀中各點(diǎn)到達(dá)各個(gè)陣元的超聲傳播時(shí)間，并利用以下公式進(jìn)行各點(diǎn)光聲回波信號(hào)的重建：

其中，i是手持式光聲探頭5內(nèi)壓電晶片陣元的編號(hào)，指在空間坐標(biāo)處的重建后光聲強(qiáng)度信號(hào)；pi(ti,j)表示第i個(gè)陣元接收到的光聲回波信號(hào)中、位于(ti,j)時(shí)刻的強(qiáng)度值，(ti,j)的含義是空間坐標(biāo)所在位置到第i個(gè)壓電晶片陣元的超聲傳播時(shí)間；光聲-超聲雙模態(tài)成像模塊還經(jīng)過圖像配準(zhǔn)算法對重建的光聲圖像與超聲圖像進(jìn)行融合疊加、得到綜合圖像；

s4、圖像顯示器顯示出超聲-光聲雙模態(tài)實(shí)時(shí)圖像和融合了光聲圖像和超聲圖像的綜合圖像。

對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可根據(jù)以上描述的技術(shù)方案以及構(gòu)思，做出其它各種相應(yīng)的改變以及形變，而所有的這些改變以及形變都應(yīng)該屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。