專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于生物組織三維醫(yī)學(xué)診斷的光聲傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及生物醫(yī)學(xué)測(cè)量和醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于生物組織 三維醫(yī)學(xué)成像的光聲傳感器。
背景技術(shù)：
目前在早期乳腺癌檢測(cè)和顱腦損傷診斷中，通常使用熱圖、透照、超聲檢查等對(duì)人 體無(wú)創(chuàng)傷、無(wú)放射的手段進(jìn)行檢測(cè)，但上述檢查手段精確度和準(zhǔn)確率都不太高，尤其是對(duì)小 于1厘米的病變區(qū)域。光聲成像是一種新近迅速發(fā)展起來(lái)、基于生物組織內(nèi)部光學(xué)吸收差 異、以超聲作為媒介的無(wú)損生物光子醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，它有效的結(jié)合了純光學(xué)成像的高對(duì)比 度和純聲學(xué)成像的高穿透深度的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)厘米量級(jí)探測(cè)深度和微米量級(jí)成像精度的組 織影像，被認(rèn)為將發(fā)展為新一代的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，成為非常有效的組織損傷與癌變?cè)\斷方 法。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)說(shuō)明書(shū)(公開(kāi)號(hào)CN 1555764A)公開(kāi)了一種生物組織光學(xué) 和超聲的采集和層析成像的方法及其裝置。其成像方法包括(1)超聲掃描生物組織，查找 可能的病變部位；(2)脈沖激光和超聲同時(shí)入射到第1步找出的可疑病變部位的組織中，獲 得光致超聲和反射超聲信號(hào)；(3)接受超聲回波和光聲信號(hào)；(4)計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處 理后，通過(guò)直線(xiàn)投影層析成像。其裝置中用于發(fā)射和接受超聲的傳感器是線(xiàn)型多元超聲陣 列，可以得到二維平面的超聲回波信號(hào)和光聲信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，只能獲得二維光聲和 超聲像，圖像的辨識(shí)困難，需要有相當(dāng)經(jīng)驗(yàn)的人員才能解讀圖像的意義。2002年Andreev等和2008年Ephrat等分別報(bào)道了將多個(gè)單元探頭沿著經(jīng)度和 緯度依次間隔稀疏排列在一個(gè)球面上接收光聲信號(hào)的三維光聲成像方法(V.G.Andreev， D. A. Popov,D. V. Sushko,A. A. Karabutov,and A. A. Oraevsky,"Image reconstruction in3D optoacoustic tomography system with hemispherical transducer array,nProc. SPIE, 4618，137-145，2002. P. Ephrat, L Keenliside，A. Seabrook，F(xiàn). S. Prato, and J. J. Carson， "Three-dimensional photoacoustic imaging by sparse-array detection and iterative imagereconstruction，” J. Biomed. Opt.，13 (5)，054052，2008.)；該方式雖然 不需要機(jī)械掃描即可實(shí)現(xiàn)三維光聲成像，但由于多個(gè)單元探頭間距太大且精確定位困難， 其加工難度和空間分辨率受到了極大的限制。2003年Wang等報(bào)道了采用單元非聚焦探頭 依次做圓周和線(xiàn)性?huà)呙鑱?lái)實(shí)現(xiàn)三維光聲成像(X.D.Wang，Y. J. Pang, G. Ku，G. Stoica, and L. H. Wang, "Three-dimensional laser induced photoacoustic tomography of mouse brain withthe skin and skull intact, " Opt. Lett. , 28,17392-1741, 2003.)；由于需要 同時(shí)做兩個(gè)方位的機(jī)械掃描，其系統(tǒng)穩(wěn)定性和時(shí)間分辨率被極大的降低。尤其需要指出的 是，以上光聲成像方法的信號(hào)采集普遍采用單元換能器，以獲得不同方向的光聲信號(hào)，再經(jīng) 復(fù)雜算法重建出組織的光學(xué)吸收分布。由于多方位的機(jī)械旋轉(zhuǎn)掃描和長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)采集過(guò) 程，機(jī)械振動(dòng)和儀器長(zhǎng)時(shí)間工作的隨機(jī)參數(shù)漂移等不穩(wěn)定因素對(duì)結(jié)果帶來(lái)的隨機(jī)誤差不可 避免，從而嚴(yán)重影響成像質(zhì)量和研究結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性。同時(shí)，成像算法復(fù)雜，計(jì)算量
3大，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，在實(shí)際應(yīng)用中顯然存在相當(dāng)大的局限性，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際臨床的快速精確需 求。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種用于生物組織三維醫(yī)學(xué)成像的光聲傳感器，特別適 用于早期乳腺癌檢測(cè)和顱腦損傷診斷等領(lǐng)域的光聲、超聲單個(gè)或聯(lián)合三維成像。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案是—種用于生物組織三維醫(yī)學(xué)診斷的光聲傳感器，由聲學(xué)單元和光學(xué)單元構(gòu)成。所 述聲學(xué)單元包括圓形齒輪、一個(gè)或一個(gè)以上弧形超聲陣列、內(nèi)裝有超聲耦合液的碗狀弧形 外殼和透光的保護(hù)膜。所述碗狀弧形外殼的頂部定位同心安裝所述圓形齒輪；碗狀弧形外 殼從頂部到底部鑲嵌弧度與碗狀弧形外殼相匹配的所述弧形超聲陣列；碗狀弧形外殼的底 部與所述保護(hù)膜密封結(jié)合。光學(xué)單元由擴(kuò)束鏡、光纖和光路外殼組成；所述光路外殼內(nèi)、保 護(hù)膜的下方裝有所述擴(kuò)束鏡，光路外殼底部連接有光纖。碗狀弧形外殼的下沿與光路外殼 的上沿轉(zhuǎn)動(dòng)連接。作為本實(shí)用新型的一種實(shí)施例，所述碗狀弧形外殼從頂部到底部鑲嵌一個(gè)所述弧 形超聲陣列。該光聲傳感器在檢測(cè)時(shí)，需要至少?lài)@被測(cè)乳腺或顱腦旋轉(zhuǎn)180度，才可獲得 完備數(shù)據(jù)的三維光聲圖像，耗時(shí)比較長(zhǎng)。作為本實(shí)用新型的另一種實(shí)施例，所述碗狀弧形外殼從頂部到底部鑲嵌三個(gè)或三 個(gè)以上所述弧形超聲陣列。該光聲傳感器在檢測(cè)時(shí)，圍繞被測(cè)乳腺或顱腦旋轉(zhuǎn)較小的角度， 即可獲得完備數(shù)據(jù)的三維光聲圖像；但由于采用了多個(gè)弧形超聲陣列，成本較高。本實(shí)用新型優(yōu)選的實(shí)施例是，所述碗狀弧形外殼從頂部到底部鑲嵌兩個(gè)所述弧形 超聲陣列。本實(shí)用新型更優(yōu)選的是兩個(gè)所述弧形超聲陣列夾角為90度地鑲嵌在碗狀弧形 外殼上。該更優(yōu)選的光聲傳感器在檢測(cè)時(shí)，圍繞被測(cè)乳腺或顱腦旋轉(zhuǎn)90度，即可獲得完備 數(shù)據(jù)的三維光聲圖像；檢測(cè)耗時(shí)短，成本合理。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在實(shí)際檢測(cè)不需要完備數(shù)據(jù)的情況下，上述光聲 傳感器只需圍繞被測(cè)乳腺或顱腦旋轉(zhuǎn)更小的角度。本實(shí)用新型所述每個(gè)弧形超聲陣列可以含有512、256或128個(gè)陣元，陣元之間的 刻縫寬為0. 03mm。本實(shí)用新型所述的弧形超聲陣列可以只接收光聲信號(hào)；也可以通過(guò)多路開(kāi)關(guān)與脈 沖電壓發(fā)生器相連，分時(shí)地激勵(lì)產(chǎn)生超聲信號(hào)、接收超聲回波信號(hào)和接收光聲信號(hào)。本實(shí)用新型與外部設(shè)備相連后，比如圓形齒輪與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，光纖與激光發(fā)生 器連接，弧形超聲陣列與測(cè)控系統(tǒng)連接等，即可實(shí)現(xiàn)被測(cè)組織的三維光聲成像；如果所述測(cè) 控系統(tǒng)包括脈沖電壓發(fā)生器，則可實(shí)現(xiàn)被測(cè)組織的光聲、超聲聯(lián)合三維成像。本實(shí)用新型工作過(guò)程是被測(cè)生物組織由頂部開(kāi)口進(jìn)入碗狀弧形外殼內(nèi)并浸沒(méi)于 超聲耦合液中，光纖傳導(dǎo)的激光通過(guò)擴(kuò)束鏡輻射到被測(cè)乳腺或顱腦的各個(gè)部分，被測(cè)生物 組織激發(fā)出光聲信號(hào)；弧形超聲陣列通過(guò)圓形齒輪由外部動(dòng)力帶動(dòng)圍繞著被測(cè)乳腺或顱腦 轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)接收中各個(gè)方向的光聲信號(hào)，實(shí)現(xiàn)三維光聲信號(hào)的激發(fā)與傳感；或者弧形超聲陣 列圍繞被測(cè)生物組織轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，分時(shí)地激勵(lì)產(chǎn)生超聲信號(hào)、接收超聲回波信號(hào)和接收光聲信 號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)三維光聲和超聲信號(hào)的激發(fā)與傳感。
4[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下的優(yōu)點(diǎn)(1)與中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)說(shuō)明書(shū)(公開(kāi)號(hào)CN 1555764A)公開(kāi)的只能獲得二維 光聲和超聲圖像的裝置相比，本實(shí)用新型可以獲得被測(cè)生物組織的三維光聲、超聲單個(gè)或 聯(lián)合成像，而且將三維成像的激發(fā)與傳感一體化，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的小型化和實(shí)用化，系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 穩(wěn)定且便攜。(2)與背景技術(shù)中記載的采用單元探頭的三維成像光聲傳感器相比，本實(shí)用新型 用弧形超聲陣列替代傳統(tǒng)的單元探頭，有效的提高了系統(tǒng)傳感的時(shí)間和空間分辨率。(3)本實(shí)用新型的傳感裝置為可做圓周掃描的凹弧形結(jié)構(gòu)，除乳腺和顱腦外，還可 廣泛應(yīng)用于其它不規(guī)則凸出結(jié)構(gòu)組織或小動(dòng)物的發(fā)育與病變檢測(cè)等三維醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域。

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1的仰視圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施例作具體說(shuō)明實(shí)施例1如圖1和2所示，用于乳腺三維醫(yī)學(xué)診斷的光聲傳感器，由聲學(xué)單元和光學(xué)單元構(gòu) 成，包括如下元件1.圓形齒輪、2.弧形超聲陣列、3.碗狀弧形外殼、5.保護(hù)膜、6.擴(kuò)束鏡、7.光纖、 8.光路外殼。其中圓形齒輪1、弧形超聲陣列2、碗狀弧形外殼3和保護(hù)膜5構(gòu)成聲學(xué)單元， 擴(kuò)束鏡6、光纖7和光路外殼8組成光學(xué)單元。碗狀弧形外殼3頂部和底部都為圓形開(kāi)口，其頂部直徑為30cm，定位同心安裝圓 形齒輪1。圓形齒輪1的加工的齒數(shù)為48。在碗狀弧形外殼3的側(cè)壁上、從頂部到底部鑲 嵌兩個(gè)夾角為90度的弧形超聲陣列2，每個(gè)弧形超聲陣列的中心頻率為2. 5MHz，相對(duì)帶寬 為75%，面積為IOOmmX IOmmXO. 8mm，含有128個(gè)陣元，陣元之間的刻縫寬為0. 03mm。碗狀 弧形外殼3底部直徑為5cm，與具有透光功能的保護(hù)膜5密封結(jié)合。保護(hù)膜5可以保護(hù)光路 外殼8內(nèi)部的光學(xué)元件且同時(shí)可透過(guò)紅外激光。碗狀弧線(xiàn)外殼3內(nèi)盛有超聲耦合液4。在 光路外殼內(nèi)、保護(hù)膜5的下方裝有擴(kuò)束鏡6，光路外殼8底部連接有光纖7。碗狀弧形外殼 得下沿與光路外殼的上沿轉(zhuǎn)動(dòng)連接。被測(cè)乳腺進(jìn)入碗狀弧形外殼3內(nèi)，浸沒(méi)在超聲耦合液4中。光纖7傳輸?shù)牟ㄩL(zhǎng)為 1064nm的脈沖紅外激光通過(guò)擴(kuò)束鏡6擴(kuò)束后，透過(guò)保護(hù)膜5輻射到被測(cè)乳腺上激發(fā)光聲信 號(hào)。聲學(xué)單元通過(guò)外部動(dòng)力帶動(dòng)做圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，弧形超聲陣列2分時(shí)地激勵(lì)產(chǎn)生超聲信號(hào)、接 收超聲回波信號(hào)和接收光聲信號(hào)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)組織的光聲、超聲單個(gè)或聯(lián)合三維成像。實(shí)施例2一種用于乳腺三維醫(yī)學(xué)診斷的光聲傳感器，與實(shí)施例1結(jié)構(gòu)相似，不同之處在于 一個(gè)弧形超聲陣列2鑲嵌在碗狀弧形外殼3的側(cè)壁上，所述弧形超聲陣列2的中心頻率為 2. 5MHz，相對(duì)帶寬為75%，面積為IOOmmX IOmmXO. 8mm，含有512個(gè)陣元，陣元之間的刻縫 寬為 0. 03mm。
5[0030]實(shí)施例3一種用于顱腦三維醫(yī)學(xué)診斷的光聲傳感器，與實(shí)施例1結(jié)構(gòu)相似，不同之處在 于碗狀弧形外殼3的頂部直徑為65cm，圓形齒輪1的加工的齒數(shù)為120。兩個(gè)弧形超 聲陣列2夾角為90度地固定在碗狀弧形外殼3的側(cè)壁上，每個(gè)弧形超聲陣列2含有256 個(gè)陣元，陣元之間的刻縫寬為0. 03mm，其中心頻率為3. 5MHz，相對(duì)帶寬為75%，面積為 80mmX IOmmXO. 8mm。實(shí)施例4一種用于顱腦三維醫(yī)學(xué)診斷的光聲傳感器，與實(shí)施例1結(jié)構(gòu)相似，不同之處在于 碗狀弧形外殼3的頂部直徑為65cm，圓形齒輪1的加工的齒數(shù)為120。三個(gè)弧形超聲陣列 2圓周對(duì)稱(chēng)地固定在碗狀弧形外殼3的側(cè)壁上。
權(quán)利要求一種用于生物組織三維醫(yī)學(xué)診斷的光聲傳感器，其特征在于所述光聲傳感器由聲學(xué)單元和光學(xué)單元構(gòu)成；所述聲學(xué)單元包括圓形齒輪(1)、一個(gè)或一個(gè)以上弧形超聲陣列(2)、內(nèi)裝有超聲耦合液(4)的碗狀弧形外殼(3)和透光的保護(hù)膜(5)；所述碗狀弧形外殼(3)的頂部定位同心安裝所述圓形齒輪(1)，碗狀弧形外殼(3)的側(cè)壁從頂部到底部鑲嵌弧度與碗狀弧形外殼(3)相匹配的所述弧形超聲陣列(2)，碗狀弧形外殼(3)的底部與所述保護(hù)膜(5)密封結(jié)合；光學(xué)單元由擴(kuò)束鏡(6)、光纖(7)和光路外殼(8)組成；所述光路外殼(8)內(nèi)、保護(hù)膜(5)的下方裝有所述擴(kuò)束鏡(6)，光路外殼(8)底部連接有光纖(7)；碗狀弧形外殼(3)的下沿與光路外殼(8)的上沿轉(zhuǎn)動(dòng)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光聲傳感器，其特征在于所述碗狀弧形外殼(3)的側(cè)壁從 頂部到底部鑲嵌一個(gè)所述弧形超聲陣列(2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光聲傳感器，其特征在于所述碗狀弧形外殼(3)的側(cè)壁從 頂部到底部鑲嵌兩個(gè)所述弧形超聲陣列(2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光聲傳感器，其特征在于所述兩個(gè)弧形超聲陣列(2)的夾 角為90度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光聲傳感器，其特征在于所述碗狀弧形外殼(3)的側(cè)壁從 頂部到底部鑲嵌三個(gè)或三個(gè)以上所述弧形超聲陣列(2)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種用于生物組織三維醫(yī)學(xué)診斷的光聲傳感器，它包括由圓形齒輪、弧形超聲陣列、內(nèi)裝超聲耦合液的碗狀弧形外殼、保護(hù)膜組成的聲學(xué)單元，以及由擴(kuò)束鏡、光纖、光路外殼組成的光學(xué)單元。被測(cè)組織浸沒(méi)于盛滿(mǎn)超聲耦合液的碗狀弧形外殼內(nèi)，受紅外脈沖激光的輻射，激發(fā)產(chǎn)生光聲信號(hào)；外部動(dòng)力通過(guò)圓形齒輪帶動(dòng)弧形超聲陣列圍繞北側(cè)組織做圓周掃描接收光聲信號(hào)，同時(shí)弧形陣列也可以在外部脈沖電壓的激發(fā)下發(fā)射超聲，從而實(shí)現(xiàn)生物組織三維光聲或光聲-超聲成像信號(hào)的激發(fā)和傳感。本實(shí)用新型可廣泛應(yīng)用于不規(guī)則凸出結(jié)構(gòu)組織，特別是乳腺和顱腦等的發(fā)育與病變檢測(cè)等三維醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域。
文檔編號(hào)A61B8/00GK201624672SQ201020146859
公開(kāi)日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2010年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月1日
發(fā)明者劉國(guó)棟, 徐景坤, 曾呂明, 楊迪武 申請(qǐng)人:江西科技師范學(xué)院