直腸內(nèi)光學(xué)、光聲、超聲多模成像內(nèi)窺鏡及其成像方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種直腸內(nèi)光學(xué)、光聲、超聲多模成像內(nèi)窺鏡包括套管、光聲信號(hào)激發(fā)組件、超聲信號(hào)激發(fā)與采集組件、光學(xué)成像組件和圖像重建及顯示組件；該裝置包括一種緊湊型的直腸內(nèi)光學(xué)、光聲、超聲多模成像內(nèi)窺鏡，三種成像可同時(shí)進(jìn)行，可獲得直腸內(nèi)多參量物理信息和多尺度的結(jié)構(gòu)成像。本發(fā)明的還提供整套裝置的配置方案和利用該套裝置進(jìn)行成像的方法。本發(fā)明三種成像技術(shù)高度集成于一套儀器，并優(yōu)化了每一種成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)成像、光聲成像以及超聲成像三種直腸內(nèi)窺成像方法的結(jié)合。該一體化內(nèi)窺鏡結(jié)合了三種成像模式自身特有的優(yōu)點(diǎn)，可獲得多參數(shù)信息，多結(jié)構(gòu)特征的直腸物理圖像，更好的滿足直腸內(nèi)窺鏡在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】直腸內(nèi)光學(xué)、光聲、超聲多模成像內(nèi)窺鏡及其成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于內(nèi)窺鏡無(wú)損檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種直腸內(nèi)光學(xué)、光聲、超聲多模成像一體化內(nèi)窺鏡裝置以及成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著內(nèi)窺鏡在醫(yī)學(xué)上的普及應(yīng)用，更加現(xiàn)代化，合理化，人性化，智能化的內(nèi)窺鏡設(shè)計(jì)與制造，顯得尤為重要。直腸內(nèi)窺鏡的應(yīng)用有著非常重要的作用。
[0003]現(xiàn)有的方法，包括直腸電子內(nèi)窺鏡和直腸超聲內(nèi)窺鏡，直腸電子內(nèi)鏡雖然能夠清晰的呈現(xiàn)出直腸內(nèi)壁的外部形態(tài)，但是無(wú)法提供直腸壁和直腸壁下組織的細(xì)節(jié)信息；直腸超聲內(nèi)窺成像是基于檢測(cè)超聲信號(hào)在直腸壁中的回波進(jìn)行成像，可以對(duì)直腸壁下組織成像，反映直腸組織聲阻抗的差異性，但是成像分辨率不夠。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)《一種光聲內(nèi)窺成像方法及其裝置》公開(kāi)了一種光聲內(nèi)窺成像檢測(cè)方法及其裝置，光聲內(nèi)窺成像技術(shù)是基于檢測(cè)組織吸收脈沖激光后產(chǎn)生的光聲信號(hào)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(duì)比度特性和純超聲成像高穿透深度特性的優(yōu)點(diǎn)，但光聲成像也只能反應(yīng)組織光學(xué)吸收差異這個(gè)單一參數(shù)信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為了克服以上現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供了一種直腸內(nèi)光學(xué)、光聲、超聲多模成像內(nèi)窺鏡，該裝置包括一種緊湊型的直腸內(nèi)光學(xué)、光聲、超聲多模成像內(nèi)窺鏡，三種成像可同時(shí)進(jìn)行，可獲得直腸內(nèi)多參量物理信息和多尺度的結(jié)構(gòu)成像。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供整套裝置的配置方案和利用該套裝置進(jìn)行成像的方法。
[0007]本發(fā)明三種成像技術(shù)高度集成于一套儀器，并優(yōu)化了每一種成像技術(shù),實(shí)現(xiàn)光學(xué)成像、光聲成像以及超聲成像三種直腸內(nèi)窺成像方法的結(jié)合。同現(xiàn)有的一種模式的直腸內(nèi)窺成像相比，該一體化內(nèi)窺鏡結(jié)合了三種成像模式自身特有的優(yōu)點(diǎn)，可獲得多參數(shù)信息，多結(jié)構(gòu)特征的直腸物理圖像，更好的滿足直腸內(nèi)窺鏡在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。
[0008]本發(fā)明的目的通過(guò)以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):本直腸內(nèi)光學(xué)、光聲、超聲多模成像內(nèi)窺鏡，包括套管、光聲信號(hào)激發(fā)組件、超聲信號(hào)激發(fā)與采集組件、光學(xué)成像組件和圖像重建及顯示組件；
[0009]所述光聲信號(hào)激發(fā)組件包括脈沖激光器、單模光纖、光纖耦合準(zhǔn)直器和消色差聚焦透鏡；
[0010]所述超聲信號(hào)激發(fā)與采集組件包括超聲脈沖發(fā)射接收器、光纖準(zhǔn)直器、中空聚焦超聲換能器、鍍膜聲/光高反射鏡、微型步進(jìn)電機(jī)以及成像窗口 ；
[0011]所述光學(xué)成像組件包括微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭、LED冷光照明光源以及視頻處理器；
[0012]所述圖像重建及顯示組件包括數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)；[0013]所述單模光纖、光纖耦合準(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、微型步進(jìn)電機(jī)、微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭依次同軸機(jī)械緊固，LED冷光照明光源安裝于套管的前端，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；
[0014]脈沖激光器、超聲脈沖發(fā)射接收器、微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭、LED冷光照明光源、視頻處理器依次電氣連接，計(jì)算機(jī)分別連接脈沖激光器、數(shù)據(jù)采集卡、超聲脈沖發(fā)射接收器、微型步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器以及視頻處理器，脈沖激光器連接光纖耦合準(zhǔn)直器，數(shù)據(jù)采集卡連接超聲脈沖發(fā)射接收器；
[0015]光纖耦合準(zhǔn)直器通過(guò)單模光纖連接光纖FC/APC接頭，光纖FC/APC接頭連接光纖準(zhǔn)直器，超聲脈沖發(fā)射接收器通過(guò)包芯屏蔽超聲信號(hào)線連接中空聚焦超聲換能器，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)電機(jī)控制線連接微型步進(jìn)電機(jī)，視頻處理器通過(guò)視頻信號(hào)線和導(dǎo)光束分別連接微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭、LED冷光照明光源。
[0016]所述光纖耦合準(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、微型步進(jìn)電機(jī)和微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭全部裝配在套管內(nèi)，套管的直徑為12_，長(zhǎng)度為6cm。
[0017]所述脈沖激光器所發(fā)出的脈沖激光波長(zhǎng)范圍為400nm~2500nm，波長(zhǎng)范圍覆蓋可見(jiàn)光波段與近紅外波段，脈沖寬度5ns~50ns，脈沖激光器的種類(lèi)包括半導(dǎo)體激光器，固體激光器，染料激光器或氣體激光器。本成像系統(tǒng)優(yōu)先采用的是輸出波長(zhǎng)為527nm的固體激光器(DTL-392QT 527nm, Laser-compact, Germany),激光器重復(fù)頻率 0.01 ~IOKHz,最大輸出能量200 μ J0
[0018]所述光纖稱(chēng)合準(zhǔn)直器為超穩(wěn)定FiberPort微定位器(PAFA-X-4-A, Thorlabs,USA)，用于將脈沖激光器發(fā)出的脈沖光耦合進(jìn)光纖。光纖耦合準(zhǔn)直器可以進(jìn)行5個(gè)自由度的對(duì)準(zhǔn)，分別是在X，y和ζ軸的線性對(duì)準(zhǔn)，俯仰和偏轉(zhuǎn)角度對(duì)準(zhǔn)，以及同時(shí)控制俯仰和偏轉(zhuǎn)角度對(duì)準(zhǔn)進(jìn)行ζ方向調(diào)節(jié)；光纖耦合準(zhǔn)直器`具有FC/APC光纖標(biāo)準(zhǔn)接頭，可以與具有FC/APC接頭的光纖連接。脈沖激光經(jīng)過(guò)透鏡組擴(kuò)束后打在光纖耦合準(zhǔn)直器的入射端面，出射端口連接單模光纖，精確調(diào)節(jié)耦合器使得光纖輸出光能量最大時(shí)鎖緊各個(gè)自由度。該耦合過(guò)程提高了激發(fā)光耦合進(jìn)光纖的耦合效率，提高了激光的利用率。
[0019]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，可傳輸光的波段范圍為460~600nm,本成像裝置優(yōu)選傳輸波段在527nm,纖芯9 μ m的單模光纖。
[0020]光纖耦合準(zhǔn)直器、消色差聚焦透鏡以及透鏡固定件，用于將光纖傳輸?shù)募ぐl(fā)光準(zhǔn)直并聚焦。所述光纖耦合準(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。透鏡固定件為中空?qǐng)A柱形，消色差聚焦透鏡同軸固定在中空?qǐng)A柱固定件上，該固定件通過(guò)外螺紋固定于套管內(nèi)。所述消色差聚焦透鏡的焦距長(zhǎng)度為5mm~50mm。該裝置優(yōu)選焦距長(zhǎng)度為25mm。光纖傳輸?shù)募ぐl(fā)光經(jīng)光纖耦合準(zhǔn)直器和消色差聚焦透鏡，通過(guò)探頭前端的鍍膜聲/光高反射鏡反射到直腸組織，激發(fā)出光聲信號(hào)。
[0021]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?qǐng)A柱體，通過(guò)外螺紋固定于套管內(nèi)，在圓柱體的內(nèi)壁一側(cè)沿軸向銑一深度為1mm的凹槽，用以引出超聲信號(hào)傳輸線；所述襯底的一個(gè)端面為中空?qǐng)A面，另一端面為中空?qǐng)A凹面；所述換能器的聲敏陣元為寬度3mm的同心圓環(huán)，緊固在襯底圓凹面上，凹面的曲率半徑為15mm ;所述探測(cè)器的信號(hào)線采用0.5_包芯屏蔽信號(hào)線，從襯底的中空?qǐng)A面一側(cè)引出，沿基礎(chǔ)固定件內(nèi)壁Imm凹槽排布引出。[0022]所述中空聚焦超聲換能器的聲場(chǎng)焦距為15_，聲場(chǎng)聚焦在探測(cè)器前方的鍍膜聲/光高反射鏡中心。
[0023]所述中空聚焦超聲換能器用于超聲信號(hào)的激發(fā)以及光聲信號(hào)、超聲信號(hào)的檢測(cè)，可以在外部觸發(fā)信號(hào)的觸發(fā)下發(fā)射不同頻率的超聲，其發(fā)射超聲的頻率范圍為IOMHz~20MHz，接收超聲的頻率范圍為IKHz~75MHz ;外部觸發(fā)信號(hào)為來(lái)自脈沖激光器的同步觸發(fā)信號(hào)。本發(fā)明中優(yōu)選接收超聲信號(hào)的主頻為15MHz，探測(cè)器焦長(zhǎng)15mm。
[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的基礎(chǔ)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(zhǎng)度為5~10mm，本發(fā)明中優(yōu)選5mm長(zhǎng)的成像窗口。PVC/PC材料對(duì)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/光高反射鏡的反射面尺寸為5mmX 5mm，鍍膜聲/光高反射鏡固定在微型步進(jìn)電機(jī)的電機(jī)軸上，反射面與中空聚焦超聲換能器的中心軸成45°，反射鏡位于成像窗口處。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，反射鏡鍍膜后對(duì)527nm激光的反射效率在98%以上，對(duì)超聲的反射率在90%以上。本成像裝置中鍍膜聲/光高反射鏡優(yōu)選鍍鋁膜。
[0026]所述鍍膜聲/光高反射鏡固定在微型步進(jìn)電機(jī)軸上；所述微型步進(jìn)電機(jī)軸與中空聚焦超聲換能器的中心軸同軸。鍍膜聲/光高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(zhǎng)決定，調(diào)節(jié)兩者之間的距離使得中空聚焦超聲換能器的聲場(chǎng)焦點(diǎn)在鍍膜聲/光高反射鏡的中心。
[0027]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(guò)外螺紋固定于套管內(nèi)。
[0028]所述中空聚焦超聲換能器的聲場(chǎng)焦點(diǎn)位于聲/光高反射鏡的中心；單模光纖輸出光經(jīng)光纖準(zhǔn)直器、消色差聚焦透鏡后的激光焦點(diǎn)位于成像窗口外部。
[0029]微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭直徑5mm,視野角120°~140° ,景深3~100mm,最大像素200萬(wàn)；所述LED冷光照明光源包括2~4條導(dǎo)光束，探頭前端出光，提供高亮度照明。光源基礎(chǔ)固定件為圓柱形，通過(guò)外螺紋固定于套管內(nèi)，微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭與LED冷光照明光源依次固定，套管內(nèi)壁上銑有Imm深凹槽，用于引出視頻信號(hào)線和導(dǎo)光束。
[0030]所述超聲脈沖發(fā)射接收器發(fā)射超聲信號(hào)的頻率范圍IOMHz~20MHz，接收超聲信號(hào)的頻率范圍為IKHz~75MHz ;所述超聲脈沖發(fā)射接收器具有觸發(fā)信號(hào)輸入端，以及超聲信號(hào)輸出端。
[0031]所述數(shù)據(jù)采集卡(M31.4120, Spectrum, Germany)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 ;數(shù)據(jù)采集卡有觸發(fā)信號(hào)輸入端口 ；數(shù)據(jù)采集卡集成有AC/DC轉(zhuǎn)換模塊，由超聲信號(hào)放大器放大后的超聲信號(hào)通過(guò)AC/DC轉(zhuǎn)換后被數(shù)據(jù)采集卡采集并存儲(chǔ)；數(shù)據(jù)采集卡具有帶通濾波模塊，可對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波處理。
[0032]圖像重建以及顯示組件包括計(jì)算機(jī)、視頻處理器、控制軟件和圖像處理軟件，計(jì)算機(jī)內(nèi)存4G，英特爾酷睿i7處理器；視頻處理器為微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭適配處理器，與計(jì)算機(jī)連接，通過(guò)軟件調(diào)節(jié)攝像頭焦距以及LED冷光照明光源，由視頻信號(hào)線回傳的視頻信息通過(guò)視頻處理器處理后存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)；控制軟件為L(zhǎng)abView軟件，圖像處理軟件為Matlab 軟件。
[0033]上述的直腸內(nèi)光學(xué)、光聲、超聲多模成像內(nèi)窺鏡的成像方法，具體包括以下步驟:
[0034](I)激發(fā):脈沖激光器輸出脈沖激光，脈沖激光經(jīng)光纖耦合準(zhǔn)直器耦合進(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(guò)中空聚焦超聲換能器到達(dá)聲/光高反射鏡的中心，并90°反射后穿過(guò)成像窗口打到直腸內(nèi)壁上激發(fā)出光聲信號(hào)；脈沖激光器的同步觸發(fā)信號(hào)同時(shí)觸發(fā)超聲脈沖發(fā)射接收器，激勵(lì)中空聚焦超聲換能器產(chǎn)生超聲，超聲經(jīng)反射鏡同樣被反射到直腸內(nèi)壁上；同時(shí)LED冷光光源在內(nèi)窺鏡前端照亮直腸管腔用以光學(xué)成像；
[0035](2)采集:直腸內(nèi)壁組織中激發(fā)產(chǎn)生的光聲信號(hào)及組織中反射的超聲信號(hào)，經(jīng)聲/光高反射鏡反射后被中空聚焦超聲換能器所探測(cè)，經(jīng)超聲脈沖發(fā)射接收器內(nèi)部集成的超聲信號(hào)放大器放大，數(shù)據(jù)采集卡集成有AC/DC轉(zhuǎn)換模塊，由超聲信號(hào)放大器放大后的超聲信號(hào)通過(guò)AC/DC轉(zhuǎn)換后被數(shù)據(jù)采集卡采集并存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中；數(shù)據(jù)采集卡具有帶通濾波模塊，可對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波處理；此時(shí)脈沖激光器同步觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)光聲信號(hào)及超聲信號(hào)的同時(shí)采集；微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭截取的直腸內(nèi)壁的光學(xué)影像通過(guò)視頻信號(hào)線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)直腸管腔的光學(xué)成像； [0036](3)掃描:采集完成某一位置的光聲信號(hào)和超聲信號(hào)后，計(jì)算機(jī)上的控制微型步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)聲/光高反射鏡旋轉(zhuǎn)，對(duì)下一位置進(jìn)行光聲信號(hào)以及超聲信號(hào)的采集，直到完成直腸內(nèi)壁的環(huán)形掃描；
[0037](4)圖像重建以及顯示:記錄在計(jì)算機(jī)上的光聲信號(hào)數(shù)據(jù)和超聲信號(hào)數(shù)據(jù)在圖像處理軟件Matlab上利用濾波小角度投影算法處理，得到直腸組織的光聲圖像和超聲圖像；由視頻處理器得到由微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭獲取的直腸內(nèi)壁的光學(xué)影像；三種模式所成的圖像實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)的顯示器上。
[0038]所述步驟(1)激發(fā)的過(guò)程中，若調(diào)節(jié)脈沖激光器能量輸出為0，脈沖激光器不出光，脈沖激光器的觸發(fā)信號(hào)同步觸發(fā)超聲脈沖發(fā)射接收器發(fā)射超聲信號(hào)，此時(shí)對(duì)直腸管腔只進(jìn)行超聲成像；若將超聲脈沖發(fā)射接收器的能量輸出調(diào)節(jié)為0，此時(shí)超聲脈沖發(fā)射接收器不發(fā)射超聲，激光器輸出脈沖激光，則對(duì)直腸管腔只進(jìn)行光聲成像；所述步驟(2)采集的過(guò)程中不觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡不進(jìn)行光聲信號(hào)與超聲信號(hào)的采集，則對(duì)直腸管腔只進(jìn)行光學(xué)成像；所述成像過(guò)程可進(jìn)行光學(xué)、光聲、超聲三種模式同時(shí)成像，光學(xué)成像、光聲成像和超聲成像三種單模式成像，光學(xué)光聲、光學(xué)超聲和光聲超聲三種雙模式成像。
[0039]本發(fā)明的原理是:光學(xué)成像反映物體表面的光散射信息，超聲成像反映物體一定深度范圍內(nèi)的聲阻抗信息，而光聲成像反映物體一定深度范圍內(nèi)的光吸收分布信息，三者的結(jié)合能夠提供組織表面和深層全面的物理參數(shù)信息。特別地，光學(xué)激發(fā)與成像，超聲激發(fā)與成像在儀器配件/機(jī)械組裝上都與光聲內(nèi)窺鏡有很好的結(jié)合基礎(chǔ)，本發(fā)明正是利用三者的成像原理上的互補(bǔ)性及器件適配性整合為一體化的光學(xué)、光聲、超聲多模成像內(nèi)窺鏡，實(shí)現(xiàn)三種模式的同時(shí)成像或單一成像，為直腸內(nèi)窺檢測(cè)提供多參量的檢測(cè)技術(shù)。
[0040]本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn):[0041](I)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了光學(xué)成像、光聲成像和超聲成像三種直腸內(nèi)窺成像方法的一體化，簡(jiǎn)化了檢測(cè)程序，可實(shí)現(xiàn)三種成像模式的同時(shí)采集成像或單一模式的選擇成像。該一體化內(nèi)窺鏡整合了三種成像模式及其各自的優(yōu)點(diǎn)，可獲得直腸腔內(nèi)的多參量物理信息和多尺度的結(jié)構(gòu)成像。
[0042](2)本發(fā)明可以同時(shí)獲得直腸組織的外部形態(tài)、聲阻抗差異、光吸收差異三個(gè)參數(shù)，通過(guò)對(duì)比這三個(gè)參數(shù)提高檢測(cè)精度。
[0043]( 3 )本發(fā)明優(yōu)化了光聲內(nèi)窺成像技術(shù)和超聲內(nèi)窺成像技術(shù)，所需激光能量低、獲得數(shù)據(jù)的靈敏度高、所得圖像的分辨率高，光聲圖像和超聲圖像的對(duì)應(yīng)性好。
[0044](4)本發(fā)明多模內(nèi)窺鏡直徑12毫米，結(jié)構(gòu)緊湊，方便操作，便于推廣及應(yīng)用。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0045]圖1是本發(fā)明直腸內(nèi)光學(xué)、光聲、超聲多模內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)裝置的示意圖；
[0046]其中:1為計(jì)算機(jī)，2為脈沖激光器，3為光纖耦合準(zhǔn)直器，4為數(shù)據(jù)采集卡，5為超聲脈沖發(fā)射接收器，6為微型步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，7為視頻處理器，8為包芯屏蔽超聲信號(hào)線，9為單模光纖，10為視頻信號(hào)線和導(dǎo)光束，11為電機(jī)控制線，12為套管。
[0047]圖2是本發(fā)明直腸內(nèi)光學(xué)、光聲、超聲多模成像內(nèi)窺鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0048]其中，8為包芯屏蔽超聲信號(hào)線，9為單模光纖，10為視頻信號(hào)線和導(dǎo)光束，11為電機(jī)控制線，12為套管，13為中空聚焦超聲換能器，14為鍍膜聲/光高反射鏡，15為微型步進(jìn)電機(jī)，16為成像窗口，17為消色差聚焦透鏡，18為光纖準(zhǔn)直器，19為L(zhǎng)ED冷光照明光源，20為微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭，21為光纖FC/APC接頭。
[0049]圖3是利用本發(fā)明直腸內(nèi)光學(xué)、光聲、超聲多模內(nèi)窺鏡成像裝置獲得的光聲信號(hào)圖(沿著時(shí)間軸第一個(gè)信號(hào))和超聲信號(hào)圖(沿著時(shí)間軸第二個(gè)信號(hào))。
`[0050]圖4為利用本發(fā)明內(nèi)窺鏡對(duì)豬離體直腸進(jìn)行直腸管腔的光學(xué)圖像。
[0051]圖5為利用本發(fā)明內(nèi)窺鏡對(duì)豬離體直腸進(jìn)行直腸管腔的光聲圖像。
[0052]圖6為利用本發(fā)明內(nèi)窺鏡對(duì)豬離體直腸進(jìn)行直腸管腔的超聲圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0053]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0054]如圖1所不的直腸內(nèi)光學(xué)、光聲、超聲多模成像內(nèi)窺鏡及其成像方法,包括套管12、光聲信號(hào)激發(fā)組件、超聲信號(hào)激發(fā)與采集組件、光學(xué)成像組件和圖像重建及顯示組件；
[0055]所述光聲信號(hào)激發(fā)組件包括脈沖激光器2、單模光纖9、光纖耦合準(zhǔn)直器3和消色差聚焦透鏡17 ；
[0056]所述超聲信號(hào)激發(fā)與采集組件包括超聲脈沖發(fā)射接收器5、光纖準(zhǔn)直器18、中空聚焦超聲換能器13、鍍膜聲/光高反射鏡14、微型步進(jìn)電機(jī)15以及成像窗口 16 ；
[0057]所述光學(xué)成像組件包括微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭20、LED冷光照明光源19以及視頻處理器7 ；
[0058]所述圖像重建及顯示組件包括數(shù)據(jù)采集卡4和計(jì)算機(jī)I ;
[0059]所述單模光纖、光纖耦合準(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、微型步進(jìn)電機(jī)、微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭依次同軸機(jī)械緊固，LED冷光照明光源安裝于套管的前端，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；
[0060]脈沖激光器、超聲脈沖發(fā)射接收器、微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭、LED冷光照明光源、視頻處理器依次電氣連接，計(jì)算機(jī)分別連接視頻處理器、脈沖激光器、數(shù)據(jù)采集卡、超聲脈沖發(fā)射接收器和微型步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，脈沖激光器連接光纖耦合準(zhǔn)直器，數(shù)據(jù)采集卡連接超聲脈沖發(fā)射接收器；
[0061]光纖耦合準(zhǔn)直器通過(guò)單模光纖連接光纖FC/APC接頭21，光纖FC/APC接頭連接光纖準(zhǔn)直器，超聲脈沖發(fā)射接收器通過(guò)包芯屏蔽超聲信號(hào)線8連接中空聚焦超聲換能器，驅(qū)動(dòng)器6通過(guò)電機(jī)控制線11連接微型步進(jìn)電機(jī)15，視頻處理器7通過(guò)視頻信號(hào)線和導(dǎo)光束10分別連接微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭、LED冷光照明光源。
[0062]所述光纖耦合準(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、微型步進(jìn)電機(jī)和微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭全部裝配在套管內(nèi)，套管的直徑為12_，長(zhǎng)度為6cm。
[0063]所述脈沖激光器所發(fā)出的脈沖激光波長(zhǎng)范圍為400nm~2500nm，波長(zhǎng)范圍覆蓋可見(jiàn)光波段與近紅外波段，脈沖寬度5ns~50ns，脈沖激光器的種類(lèi)包括半導(dǎo)體激光器，固體激光器，染料激光器或氣體激光器。本成像系統(tǒng)優(yōu)先采用的是輸出波長(zhǎng)為527nm的固體激光器(DTL-392QT 527nm, Laser-compact, Germany),激光器重復(fù)頻率 0.01 ~IOKHz,最大輸出能量200 μ J0
[0064]所述光纖稱(chēng)合準(zhǔn)直器為超穩(wěn)定FiberPort微定位器(PAFA-X-4-A, Thorlabs,USA)，用于將脈沖激光器發(fā)出的脈沖光耦合進(jìn)光纖。光纖耦合準(zhǔn)直器可以進(jìn)行5個(gè)自由度的對(duì)準(zhǔn)，分別是在X，y和ζ軸的線性對(duì)準(zhǔn)，俯仰和偏轉(zhuǎn)角度對(duì)準(zhǔn)，以及同時(shí)控制俯仰和偏轉(zhuǎn)角度對(duì)準(zhǔn)進(jìn)行ζ方向調(diào)節(jié)；光纖耦合準(zhǔn)直器具有FC/APC光纖標(biāo)準(zhǔn)接頭，可以與具有FC/APC接頭的光纖連接。脈沖激光經(jīng)過(guò)透鏡組擴(kuò)束后打在光纖耦合準(zhǔn)直器的入射端面，出射端口連接單模光纖，精確調(diào)節(jié)耦合器使得光纖輸出光能量最大時(shí)鎖緊各個(gè)自由度。該耦合過(guò)程提高了激發(fā)光耦合進(jìn)光纖的耦合效率，提高了激光的利用率。
[0065]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，可傳輸光的波段范圍為460~600nm,本成像裝置優(yōu)選傳輸波段在527nm,纖芯9 μ m的單模光纖。
[0066]光纖耦合準(zhǔn)直器、消色差聚焦透鏡以及透鏡固定件，用于將光纖傳輸?shù)募ぐl(fā)光準(zhǔn)直并聚焦。所述光纖耦合準(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。透鏡固定件為中空?qǐng)A柱形，消色差聚焦透鏡同軸固定在中空?qǐng)A柱固定件上，該固定件通過(guò)外螺紋固定于套管內(nèi)。所述消色差聚焦透鏡的焦距長(zhǎng)度為5mm~50mm。該裝置優(yōu)選焦距長(zhǎng)度為25mm。光纖傳輸?shù)募ぐl(fā)光經(jīng)光纖耦合準(zhǔn)直器和消色差聚焦透鏡，通過(guò)探頭前端的鍍膜聲/光高反射鏡反射到直腸組織，激發(fā)出光聲信號(hào)。
[0067] 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?qǐng)A柱體，通過(guò)外螺紋固定于套管內(nèi)，在圓柱體的內(nèi)壁一側(cè)沿軸向銑一深度為1mm的凹槽，用以引出超聲信號(hào)傳輸線；所述襯底的一個(gè)端面為中空?qǐng)A面，另一端面為中空?qǐng)A凹面；所述換能器的聲敏陣元為寬度3mm的同心圓環(huán)，緊固在襯底圓凹面上，凹面的曲率半徑為15mm ;所述探測(cè)器的信號(hào)線采用0.5_包芯屏蔽信號(hào)線，從襯底的中空?qǐng)A面一側(cè)引出，沿基礎(chǔ)固定件內(nèi)壁Imm凹槽排布引出。[0068]所述中空聚焦超聲換能器的聲場(chǎng)焦距為15mm，聲場(chǎng)聚焦在探測(cè)器前方的鍍膜聲/光高反射鏡中心。
[0069]所述中空聚焦超聲換能器用于超聲信號(hào)的激發(fā)以及光聲信號(hào)、超聲信號(hào)的檢測(cè)，可以在外部觸發(fā)信號(hào)的觸發(fā)下發(fā)射不同頻率的超聲，其發(fā)射超聲的頻率范圍為IOMHz~20MHz，接收超聲的頻率范圍為IKHz~75MHz ;外部觸發(fā)信號(hào)為來(lái)自脈沖激光器的同步觸發(fā)信號(hào)。本發(fā)明中優(yōu)選接收超聲信號(hào)的主頻為15MHz，探測(cè)器焦長(zhǎng)15mm。
[0070]中空聚焦超聲換能器的固定件為中空?qǐng)A柱體，直徑12mm，內(nèi)徑10mm，在內(nèi)徑上銑有Imm深度的凹槽，超聲信號(hào)錢(qián)由凹槽引出，在固定件的中間部分用PVDF材料制作超聲陣元，陣元成碗狀，中心留有直徑2_的透光孔，陣元的接收主頻為15MHz，發(fā)射超聲信號(hào)的頻率范圍IOMHz~20MHz，中空聚焦超聲換能器的焦長(zhǎng)為15mm (圖2中所示)；
[0071]成像窗口的制作材料為PVC材料，窗口處的厚度為0.5mm，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(zhǎng)度為5mm (如圖2中所示)。
[0072]微型步進(jìn)電機(jī)軸上固定有鍍膜聲/光高反射鏡，該鍍膜聲/光高反射鏡反射面的尺寸為5mmX5mm，反射面對(duì)著中空聚焦超聲換能器，距離探測(cè)器陣元的距離為15mm，反射面與中空聚焦超聲換能器的主中心軸之間成45° (如圖2中所示)，微型步進(jìn)電機(jī)固定在電機(jī)固定件上(如圖2中所示)， 在固定件的側(cè)面將電機(jī)控制線沿內(nèi)壁上的凹槽引出。
[0073]微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭與LED導(dǎo)光束依次固定，內(nèi)壁上銑有Imm深凹槽，用于引出視頻信號(hào)線及導(dǎo)光束，微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭直徑5_，視野角140°，景深3~100_，200萬(wàn)像素；LED冷光照明光源包括2條導(dǎo)光束，在內(nèi)窺鏡前端出光，提供高亮度照明。所需固定件分別精密加工，同軸緊固連接，部件安裝的位置要求十分精確。內(nèi)窺鏡的主要部分長(zhǎng)6cm，電機(jī)控制線、包芯屏蔽超聲信號(hào)線、單模光纖、視頻信號(hào)線和導(dǎo)光束從套管內(nèi)部引出連接到相應(yīng)電氣元件上。脈沖激光器、超聲脈沖發(fā)射接收器、微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭、LED冷光照明光源、視頻處理器、數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)依次電氣連接。
[0074]所述鍍膜聲/光高反射鏡固定在微型步進(jìn)電機(jī)軸上；所述微型步進(jìn)電機(jī)軸與中空聚焦超聲換能器的中心軸同軸。鍍膜聲/光高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(zhǎng)決定，調(diào)節(jié)兩者之間的距離使得中空聚焦超聲換能器的聲場(chǎng)焦點(diǎn)在鍍膜聲/光高反射鏡的中心。
[0075]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(guò)外螺紋固定于套管內(nèi)。
[0076]所述中空聚焦超聲換能器的聲場(chǎng)焦點(diǎn)位于聲/光高反射鏡的中心；單模光纖輸出光經(jīng)光纖準(zhǔn)直器、消色差聚焦透鏡后的激光焦點(diǎn)位于成像窗口外部。
[0077]微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭直徑5mm,視野角120°~140° ,景深3~100mm,最大像素200萬(wàn)；所述LED冷光照明光源包括2~4條導(dǎo)光束，探頭前端出光，提供高亮度照明。光源基礎(chǔ)固定件為圓柱形，通過(guò)外螺紋固定于套管內(nèi)，微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭與LED冷光照明光源依次固定，套管內(nèi)壁上銑有Imm深凹槽，用于引出視頻信號(hào)線和導(dǎo)光束。
[0078]所述超聲脈沖發(fā)射接收器發(fā)射超聲信號(hào)的頻率范圍IOMHz~20MHz，接收超聲信號(hào)的頻率范圍為IKHz~75MHz ;所述超聲脈沖發(fā)射接收器具有觸發(fā)信號(hào)輸入端，以及超聲信號(hào)輸出端。
[0079]所述數(shù)據(jù)采集卡(M31.4120, Spectrum, Germany)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 ;數(shù)據(jù)采集卡有觸發(fā)信號(hào)輸入端口 ；數(shù)據(jù)采集卡集成有AC/DC轉(zhuǎn)換模塊，由超聲信號(hào)放大器放大后的超聲信號(hào)通過(guò)AC/DC轉(zhuǎn)換后被數(shù)據(jù)采集卡采集并存儲(chǔ)；數(shù)據(jù)采集卡具有帶通濾波模塊，可對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波處理。
[0080]圖像重建以及顯示組件包括計(jì)算機(jī)、視頻處理器，計(jì)算機(jī)內(nèi)存4G，英特爾酷睿i7處理器；視頻處理器為微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭適配處理器，與計(jì)算機(jī)連接，通過(guò)軟件調(diào)節(jié)攝像頭焦距以及LED冷光照明光源，由視頻信號(hào)線回傳的視頻信息通過(guò)視頻處理器處理后存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)；控制軟件為L(zhǎng)abView軟件，圖像處理軟件為Matlab軟件。
[0081]用上述內(nèi)窺鏡成像裝置成像時(shí)首先開(kāi)啟計(jì)算機(jī)上的控制軟件，通過(guò)軟件控制開(kāi)啟脈沖激光器(DTL-392QT 527nm, Laser-compact, Germany)輸出脈沖激光,脈沖激光經(jīng)過(guò)透鏡組擴(kuò)束后打在光纖耦合準(zhǔn)直器(PAFA-X-4-A，Thorlabs, USA)的入射端面，出射端口連接入射單模光纖，精確調(diào)節(jié)使得光纖輸出光能量最大時(shí)鎖緊光纖耦合準(zhǔn)直器各個(gè)自由度，光纖輸出的脈沖光經(jīng)光纖耦合準(zhǔn)直器、消色差聚焦透鏡后通過(guò)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(guò)成像窗口打到直腸內(nèi)壁上激發(fā)出光聲信號(hào)；脈沖激光器的同步觸發(fā)信號(hào)同時(shí)觸發(fā)超聲脈沖發(fā)射接收器，激勵(lì)中空聚焦超聲換能器產(chǎn)生超聲，超聲經(jīng)反射鏡同樣被反射到直腸內(nèi)壁上；同時(shí)LED冷光照明光源由控制軟件控制在內(nèi)窺鏡前端照亮直腸管腔用以光學(xué)成像。直腸內(nèi)壁組織中激發(fā)產(chǎn)生的光聲信號(hào)及組織中反射的超聲信號(hào)，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(cè)，經(jīng)放大器放大后被數(shù)據(jù)采集卡(M31.4120, Spectrum, Germany)(脈沖激光器同步觸發(fā))采集存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，實(shí)現(xiàn)光聲信號(hào)及超聲信號(hào)的同時(shí)采集；微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭由成像軟件控制截取的直腸內(nèi)壁的光學(xué)影像通過(guò)視頻信號(hào)線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)直腸管腔的光學(xué)成像。采集完成某一位置的光聲信號(hào)和超聲信號(hào)后，計(jì)算機(jī)上的控制軟件控制微型步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，微型步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鍍膜聲/光高反射鏡旋轉(zhuǎn)，對(duì)下一位置進(jìn)行光聲信號(hào)以及超聲信號(hào)的采集，直到完成直腸內(nèi)壁的環(huán)形掃描。記錄在計(jì)算機(jī)上的光聲信號(hào)數(shù)據(jù)和超聲信號(hào)數(shù)據(jù)在圖像處理軟件Matlab上利用濾波小角`度投影算法處理，得到直腸組織的光聲圖像和超聲圖像；由視頻處理器得到由微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭獲取的直腸內(nèi)壁的光學(xué)影像；三種模式所成的圖像實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)的顯示器上。
[0082]上述的直腸內(nèi)光學(xué)、光聲、超聲多模成像內(nèi)窺鏡的成像方法，具體包括以下步驟:
[0083](I)樣品為一段豬離體直腸組織,將直腸內(nèi)光學(xué)、光聲、超聲多模內(nèi)窺鏡置于豬離體直腸管腔內(nèi)部，脈沖激光器輸出的脈沖激光經(jīng)光纖耦合準(zhǔn)直器耦合進(jìn)入單模光纖，單模光纖輸出的脈沖光經(jīng)光纖準(zhǔn)直器和消色差聚焦透鏡準(zhǔn)直聚焦后通過(guò)中空聚焦超聲換能器到達(dá)鍍膜聲/光高反射鏡的中心，90°反射后穿過(guò)成像窗口打到直腸腔內(nèi)壁激發(fā)出光聲信號(hào)；脈沖激光器的同步觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)超聲脈沖發(fā)射接收器產(chǎn)生超聲，經(jīng)反射面反射到直腸管腔內(nèi)壁；LED冷光照明光源通過(guò)導(dǎo)光束在探頭前端照亮直腸管腔用以光學(xué)成像。
[0084](2)采集:直腸內(nèi)壁組織中激發(fā)產(chǎn)生的光聲信號(hào)及組織中反射的超聲信號(hào)，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(cè)，經(jīng)放大器放大后被數(shù)據(jù)采集卡(脈沖激光器同步觸發(fā))采集存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，實(shí)現(xiàn)光聲信號(hào)及超聲信號(hào)的同時(shí)采集；微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭由成像軟件控制截取的直腸內(nèi)壁的光學(xué)影像通過(guò)視頻信號(hào)線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)直腸管腔的光學(xué)成像。圖3是數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)記錄的信號(hào)圖，按照時(shí)間序列，首先接收到光聲信號(hào)，再接收到超聲信號(hào)。
[0085](3)掃描:采集完成某一位置的光聲信號(hào)和超聲信號(hào)后，計(jì)算機(jī)上的控制軟件控制微型步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，微型步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鍍膜聲/光高反射鏡旋轉(zhuǎn)，對(duì)下一位置進(jìn)行光聲信號(hào)以及超聲信號(hào)的采集，直到完成對(duì)直腸管腔的環(huán)形掃描。
[0086](4)圖像重建以及顯示:記錄在計(jì)算機(jī)上的光聲信號(hào)數(shù)據(jù)和超聲信號(hào)數(shù)據(jù)在圖像處理軟件Matlab上利用濾波小角度投影算法處理，得到直腸管腔的光聲圖像和超聲圖像；由視頻處理器得到由微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭獲取的直腸管腔的光學(xué)影像；三種模式所成的圖像實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)的顯示器上。圖4為直腸管腔的光學(xué)成像，圖5為直腸的光聲圖像，圖6為直腸的超聲圖像。
[0087]所述步驟(1)激發(fā)的過(guò)程中，若調(diào)節(jié)脈沖激光器能量輸出為0，脈沖激光器不出光，脈沖激光器的觸發(fā)信號(hào)同步觸發(fā)超聲脈沖發(fā)射接收器發(fā)射超聲信號(hào)，此時(shí)對(duì)直腸管腔只進(jìn)行超聲成像；若將超聲脈沖發(fā)射接收器的能量輸出調(diào)節(jié)為0，此時(shí)超聲脈沖發(fā)射接收器不發(fā)射超聲，激光器輸出脈沖激光，則對(duì)直腸管腔只進(jìn)行光聲成像；所述步驟(2)采集的過(guò)程中不觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡不進(jìn)行光聲信號(hào)與超聲信號(hào)的采集，則對(duì)直腸管腔只進(jìn)行光學(xué)成像；所述成像過(guò)程可進(jìn)行光學(xué)、光聲、超聲三種模式同時(shí)成像，光學(xué)成像、光聲成像和超聲成像三種單模式成像，光學(xué)光聲、光學(xué)超聲和光聲超聲三種雙模式成像。
[0088]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(duì)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.直腸內(nèi)光學(xué)、光聲、超聲多模成像內(nèi)窺鏡，其特征在于:包括套管、光聲信號(hào)激發(fā)組件、超聲信號(hào)激發(fā)與采集組件、光學(xué)成像組件和圖像重建及顯示組件； 所述光聲信號(hào)激發(fā)組件包括脈沖激光器、單模光纖、光纖耦合準(zhǔn)直器和消色差聚焦透鏡; 所述超聲信號(hào)激發(fā)與采集組件包括超聲脈沖發(fā)射接收器、光纖準(zhǔn)直器、中空聚焦超聲換能器、鍍膜聲/光高反射鏡、微型步進(jìn)電機(jī)以及成像窗口 ； 所述光學(xué)成像組件包括微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭、LED冷光照明光源以及視頻處理器； 所述圖像重建及顯示組件包括數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)； 所述單模光纖、光纖耦合準(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、微型步進(jìn)電機(jī)、微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭依次同軸機(jī)械緊固，LED冷光照明光源安裝于套管的前端，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； 脈沖激光器、超聲脈沖發(fā)射接收器、微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭、LED冷光照明光源、視頻處理器依次電氣連接，計(jì)算機(jī)分別連接視頻處理器、脈沖激光器、數(shù)據(jù)采集卡、超聲脈沖發(fā)射接收器和微型步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，脈沖激光器連接光纖耦合準(zhǔn)直器，數(shù)據(jù)采集卡連接超聲脈沖發(fā)射接收器； 光纖耦合準(zhǔn)直器 通過(guò)單模光纖連接光纖FC/APC接頭，光纖FC/APC接頭連接光纖準(zhǔn)直器，超聲脈沖發(fā)射接收器通過(guò)包芯屏蔽超聲信號(hào)線連接中空聚焦超聲換能器，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)電機(jī)控制線連接微型步進(jìn)電機(jī)，視頻處理器通過(guò)視頻信號(hào)線和導(dǎo)光束分別連接微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭、LED冷光照明光源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直腸內(nèi)光學(xué)、光聲、超聲多模成像內(nèi)窺鏡，其特征在于:所述光纖耦合準(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、微型步進(jìn)電機(jī)和微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭全部裝配在套管內(nèi)，套管的直徑為12_，長(zhǎng)度為6cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直腸內(nèi)光學(xué)、光聲、超聲多模成像內(nèi)窺鏡，其特征在于:所述消色差聚焦透鏡的焦距為25mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直腸內(nèi)光學(xué)、光聲、超聲多模成像內(nèi)窺鏡，其特征在于:所述中空聚焦超聲換能器接收超聲信號(hào)的主頻為15MHz，發(fā)射超聲信號(hào)的頻率范圍IOMHz~20MHz，焦長(zhǎng)為 15_。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直腸內(nèi)光學(xué)、光聲、超聲多模成像內(nèi)窺鏡，其特征在于:所述成像窗口為PVC材料，成像窗口沿軸向方向的長(zhǎng)度為5mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直腸內(nèi)光學(xué)、光聲、超聲多模成像內(nèi)窺鏡，其特征在于:所述鍍膜聲/光高反射鏡的反射面尺寸為5mmX5mm，鍍膜聲/光高反射鏡固定在微型步進(jìn)電機(jī)的電機(jī)軸上，反射面與中空聚焦超聲換能器的中心軸成45° ,反射鏡位于成像窗口處。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直腸內(nèi)光學(xué)、光聲、超聲多模成像內(nèi)窺鏡，其特征在于:所述中空聚焦超聲換能器的聲場(chǎng)焦點(diǎn)位于聲/光高反射鏡的中心；單模光纖輸出光經(jīng)光纖準(zhǔn)直器、消色差聚焦透鏡后的激光焦點(diǎn)位于成像窗口外部。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直腸內(nèi)光學(xué)、光聲、超聲多模成像內(nèi)窺鏡，其特征在于:所述微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭的直徑為5mm，固定在套管的最前端。
9.利用權(quán)利要求1~8任一項(xiàng)所述的直腸內(nèi)光學(xué)、光聲、超聲多模成像內(nèi)窺鏡的成像方法，其特征在于具體包括以下步驟: (1)激發(fā):脈沖激光器輸出脈沖激光，脈沖激光經(jīng)光纖耦合準(zhǔn)直器耦合進(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(guò)中空聚焦超聲換能器到達(dá)聲/光高反射鏡的中心，并90°反射后穿過(guò)成像窗口打到直腸內(nèi)壁上激發(fā)出光聲信號(hào)；脈沖激光器的同步觸發(fā)信號(hào)同時(shí)觸發(fā)超聲脈沖發(fā)射接收器，激勵(lì)中空聚焦超聲換能器產(chǎn)生超聲，超聲經(jīng)反射鏡同樣被反射到直腸內(nèi)壁上；同時(shí)LED冷光光源在內(nèi)窺鏡前端照亮直腸管腔用以光學(xué)成像； (2)米集:直腸內(nèi)壁組織中激發(fā)產(chǎn)生的光聲信號(hào)及組織中反射的超聲信號(hào),經(jīng)聲/光高反射鏡反射后被中空聚焦超聲換能器所探測(cè)，經(jīng)超聲脈沖發(fā)射接收器內(nèi)部集成的超聲信號(hào)放大器放大，數(shù)據(jù)采集卡集成有AC/DC轉(zhuǎn)換模塊，由超聲信號(hào)放大器放大后的超聲信號(hào)通過(guò)AC/DC轉(zhuǎn)換后被數(shù)據(jù)采集卡采集并存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中；數(shù)據(jù)采集卡具有帶通濾波模塊，可對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波處理；此時(shí)脈沖激光器同步觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)光聲信號(hào)及超聲信號(hào)的同時(shí)采集；微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭截取的直腸內(nèi)壁的光學(xué)影像通過(guò)視頻信號(hào)線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)直腸管腔的光學(xué)成像； (3 )掃描:采集完成某一位置的光聲信號(hào)和超聲信號(hào)后，計(jì)算機(jī)上的控制微型步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)聲/光高反射鏡旋轉(zhuǎn)，對(duì)下一位置進(jìn)行光聲信號(hào)以及超聲信號(hào)的采集，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(jì)算機(jī)上的光聲信號(hào)數(shù)據(jù)和超聲信號(hào)數(shù)據(jù)處理，得到直腸組織的光聲圖像和超聲圖像；由視頻處理器得到由微型可調(diào)焦光學(xué)攝像頭獲取的直腸內(nèi)壁的光學(xué)影像；三種模式所成的圖像實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)的顯示器上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的直腸內(nèi)光學(xué)、光聲、超聲多模成像內(nèi)窺鏡的成像方法,其特征在于:所述步驟(1)激發(fā)的過(guò)程中，若調(diào)節(jié)脈沖激光器能量輸出為0，脈沖激光器不出光，脈沖激光器的觸發(fā)信號(hào)同步觸發(fā)超聲脈沖發(fā)射接收器發(fā)射超聲信號(hào)，此時(shí)對(duì)直腸管腔只進(jìn)行超聲成像；若將超聲脈沖發(fā)射接收`器的能量輸出調(diào)節(jié)為0，此時(shí)超聲脈沖發(fā)射接收器不發(fā)射超聲，激光器輸出脈沖激光，則對(duì)直腸管腔只進(jìn)行光聲成像；所述步驟(2)采集的過(guò)程中不觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡不進(jìn)行光聲信號(hào)與超聲信號(hào)的采集，則對(duì)直腸管腔只進(jìn)行光學(xué)成像；所述成像過(guò)程可進(jìn)行光學(xué)、光聲、超聲三種模式同時(shí)成像，光學(xué)成像、光聲成像和超聲成像三種單模式成像,光學(xué)光聲、光學(xué)超聲和光聲超聲三種雙模式成像。
【文檔編號(hào)】A61B1/04GK103690141SQ201310739425
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)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(qǐng)人:廣州佰奧廷電子科技有限公司