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血管內(nèi)光聲吸收、彈性、粘性多模成像一體化內(nèi)窺鏡及其成像方法與流程

文檔序號(hào):12203534閱讀:441來源:國(guó)知局
血管內(nèi)光聲吸收、彈性、粘性多模成像一體化內(nèi)窺鏡及其成像方法與流程

本發(fā)明屬于內(nèi)窺鏡無損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種血管內(nèi)光聲吸收、彈性、粘性多模成像一體化內(nèi)窺鏡裝置以及成像方法。



背景技術(shù):

目前,現(xiàn)有的血管內(nèi)窺鏡,如血管內(nèi)超聲成像或光聲成像內(nèi)窺鏡,是用超聲或者光作為激發(fā)源激發(fā)血管組織,獲得血管反射的超聲信號(hào)幅值大小,根據(jù)接收信號(hào)的幅值來進(jìn)行反投影成像,只獲得了血管組織對(duì)光的吸收信息,并不能全方位、真實(shí)精確的對(duì)血管進(jìn)行評(píng)判。

申請(qǐng)?zhí)枮?01110008213.5,專利名稱為《光聲彈性成像方法及其裝置》的文獻(xiàn)公開了一種技術(shù),該技術(shù)利用強(qiáng)度調(diào)制的連續(xù)光源產(chǎn)生光聲信號(hào),通過測(cè)量該信號(hào)與調(diào)制信號(hào)的相位差并逐點(diǎn)掃描,重建出樣品的彈性分布圖像。但在上述方法中,并不能得出粘性參數(shù),無法實(shí)現(xiàn)粘性成像,而且使用透鏡聚焦后光斑大小為1平方毫米,形成的圖像分辨率低。

申請(qǐng)?zhí)枮?01210220399.5的專利公開了一種“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)采用雙陣元超聲換能器進(jìn)行聲聚焦,實(shí)現(xiàn)了聚焦式血管內(nèi)光聲超聲成像。但本裝置得到的是血管內(nèi)的反射超聲和光聲吸收,無法提供彈性和粘性成像,而且雙陣元超聲換能器的角度和位置匹配難度高,對(duì)接收信號(hào)的還原精確度不高并且光未進(jìn)行聚焦,分辨率較差。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足,提供一種血管內(nèi)光聲吸收、彈性、粘性多模成像內(nèi)窺鏡裝置及其成像方法,該內(nèi)窺鏡可進(jìn)行三種模式的成像,反映血管內(nèi)的組織差異,以及獲得血管的彈性和粘性參數(shù)。

為了達(dá)到上述目的,本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:

本發(fā)明提供了一種血管內(nèi)光聲吸收、彈性、粘性多模成像一體化內(nèi)窺鏡,包括:光聲信號(hào)激發(fā)組件、旋轉(zhuǎn)組件、信號(hào)采集組件、信號(hào)處理及圖像重建組件;

所述光聲信號(hào)激發(fā)組件包括脈沖激光器、光纖耦合器、多模光纖、光纖滑環(huán)、聚焦GRIN透鏡和鍍膜反射鏡;所述旋轉(zhuǎn)組件包括步進(jìn)電機(jī)、電滑環(huán)和扭矩線圈;所述信號(hào)采集組件包括超聲換能器和數(shù)據(jù)采集卡;所述信號(hào)處理及圖像重建組件包括放大器、前置放大器、示波器、鎖相放大器和計(jì)算機(jī);

所述光纖耦合器、光纖、光纖滑環(huán)、電滑環(huán)、扭矩線圈、多模光纖、聚焦GRIN透鏡、鍍膜反射鏡、超聲換能器與一體化外殼依次同軸機(jī)械緊固;所述脈沖激光器、示波器、鎖相放大器、超聲換能器、數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)依次電氣連接;所述脈沖激光器與鎖相放大器連接;所述鎖相放大器一方面與計(jì)算機(jī)連接,另一方面與鎖相放大器、超聲換能器連接;所述脈沖激光器與示波器連接,所述示波器一方面與超聲換能器連接,另一方面與計(jì)算機(jī)連接。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案,所述多模光纖尾端、聚焦GRIN透鏡、鍍膜反射鏡、以及超聲換能器統(tǒng)一裝配在一體化外殼內(nèi)組裝成血管內(nèi)窺鏡,內(nèi)窺鏡直徑為1mm,總長(zhǎng)度為8mm。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案,所述超聲換能器為血管內(nèi)粘彈性超聲探頭,探頭中心頻率為3MHz,接收超聲信號(hào)的頻率范圍1.5MHz~4.5MHz,超聲換能器尺寸為長(zhǎng)4mm,寬0.6mm,高0.7mm;所述血管內(nèi)粘彈性超聲探頭由復(fù)合材料晶片、匹配層和背襯材料構(gòu)成,并采用重背材單層匹配層的制作方法制成,既能獲取高分辨率光聲信息,也能由鎖相放大器處理獲得工作頻率范圍內(nèi)的相位信息。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案,所述聚焦GRIN透鏡為聚焦準(zhǔn)直透鏡,焦長(zhǎng)為4mm,且和鍍膜反射鏡膠連,聚焦GRIN透鏡直徑為0.5mm。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案,所述鍍膜反射鏡用于增加反射功率,其為直角棱鏡,斜面與直角邊的夾角分別為30°和60°,所以,輸出光與出射面夾角為30°。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案,所述多模光纖輸出光經(jīng)聚焦GRIN透鏡以及鍍膜反射鏡反射后的激光焦點(diǎn)位于超聲換能器的正上方。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案,所述步進(jìn)電機(jī)包括旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)和平移步進(jìn)電機(jī),均為兩相步進(jìn)電機(jī),最小步進(jìn)角為0.9°;所述旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)用于旋轉(zhuǎn)掃描,所述平移步進(jìn)電機(jī)用于掃描完一圈后的前進(jìn)掃描。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案,所述脈沖激光器重復(fù)頻率為3MHz,使用鎖相放大器最大鎖相頻率為3MHz。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案,所述鎖相放大器使用16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器,最大鎖相頻率為3MHz,采用FPGA+ARM平臺(tái)架構(gòu),基于數(shù)字調(diào)制、輸出濾波器,能夠精確、快速測(cè)量出淹沒在大噪聲中的有效信號(hào)分量,抑制無用噪聲,改善檢測(cè)信噪比,并獲取光聲信號(hào)的相位信息,計(jì)算出粘彈比。

本發(fā)明還提供了一種血管內(nèi)光聲吸收、彈性、粘性多模成像一體化內(nèi)窺鏡的成像方法,包括下述步驟:

(1)激發(fā):脈沖激光器輸出脈沖激光,脈沖激光經(jīng)光纖耦合器耦合進(jìn)入多模光纖,從光纖輸出的脈沖光經(jīng)光纖滑環(huán)然后經(jīng)過聚焦GRIN透鏡準(zhǔn)直聚焦,進(jìn)入反射鏡,由反射鏡反射到血管內(nèi)壁激發(fā)出光聲信號(hào);

(2)采集:血管內(nèi)壁組織中激發(fā)產(chǎn)生的光聲信號(hào),被超聲換能器所探測(cè),經(jīng)放大器放大后被分成三路:一部分傳輸?shù)礁咚贁?shù)據(jù)采集卡采集存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中;另一部分經(jīng)放大器放大后傳輸?shù)绞静ㄆ髦?,處理后得出位移的上升時(shí)間;第三部分傳輸?shù)角爸梅糯笃髦薪?jīng)放大后傳輸?shù)芥i相放大器中,得出相位差,最終所有數(shù)據(jù)全部匯總在計(jì)算機(jī)中;

(3)掃描:完成了某一位置的光聲信號(hào)采集后,計(jì)算機(jī)上的控制軟件控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn),步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)扭矩線圈以及一體化窺鏡同步旋轉(zhuǎn),直至采集完一周,位移步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行移動(dòng),對(duì)下一位置進(jìn)行光聲信號(hào)的采集,如此,直至完成整個(gè)血管內(nèi)壁的環(huán)形掃描;

(4)圖像重建以及顯示:記錄并在圖像處理軟件上處理光聲信號(hào)數(shù)據(jù),可進(jìn)行光聲成像,再根據(jù)示波器可以得出樣品表面振動(dòng)位移的上升時(shí)間,可以得到彈性參數(shù),通過以下公式:

E=2.998ρ(R/tmax)2

其中,E為彈性模量,ρ為生物組織密度,R為光斑半徑,tmax為樣品表面振動(dòng)位移的上升時(shí)間,測(cè)出樣品表面振動(dòng)位移的上升時(shí)間即可得出彈性模量,可進(jìn)行彈性成像;再由鎖相放大器得出探測(cè)到信號(hào)與初始信號(hào)的相位差δ,可根據(jù)

tanδ=ηω/E,

得到粘性圖像;其中,δ為相位差,η為粘性,ω為激光器的重復(fù)頻率,E為彈性模量。三種模式所成的圖像均顯示在計(jì)算機(jī)的顯示器上。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:

(1)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了光聲吸收、彈性和粘性成像三種血管內(nèi)窺成像方法一體化,簡(jiǎn)化了檢測(cè)手段,可以實(shí)現(xiàn)三種成像模式同時(shí)進(jìn)行。

(2)本發(fā)明可以同時(shí)獲得血管組織的內(nèi)部形態(tài)、彈性、粘性差異三個(gè)參數(shù),通過對(duì)比這三個(gè)參數(shù)提高檢測(cè)精度、分辨率。

(3)本發(fā)明優(yōu)化了彈性和粘性成像技術(shù),將彈性成像和粘性成像結(jié)合到了內(nèi)窺鏡中,豐富了內(nèi)窺鏡獲取的信息。

附圖說明

圖1是本發(fā)明血管內(nèi)光聲吸收、彈性、粘性多模內(nèi)窺鏡成像裝置的示意圖

圖2是本發(fā)明血管內(nèi)光聲吸收、彈性、粘性一體化探頭多模成像內(nèi)窺鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。其中,圖3是光聲信號(hào)與樣品表面振動(dòng)位移的關(guān)系圖。

圖4是鎖相放大接收到的光聲信號(hào)與原激光觸發(fā)的信號(hào)圖。

附圖標(biāo)號(hào)說明:1、脈沖激光器;2、光纖耦合器;3、光纖滑環(huán);4、電機(jī);5、電滑環(huán);6、內(nèi)窺鏡;7、計(jì)算機(jī);8、鎖相放大器;9、前置放大器;10、放大器;11、示波器;12、光纖;13、聚焦GRIN透鏡;14、為鍍膜反射鏡;15、為超聲換能器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述,但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例

本發(fā)明血管內(nèi)光聲吸收、彈性、粘性多模內(nèi)窺鏡成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示:其中,1為脈沖激光器,2為光纖耦合器,3為光纖滑環(huán),4為電機(jī),5為電滑環(huán),6為血管內(nèi)光聲吸收、彈性、粘性一體化內(nèi)窺鏡,7為計(jì)算機(jī),8為鎖相放大器,9為前置放大器,10為放大器,11為示波器。

圖2是本發(fā)明血管內(nèi)光聲吸收、彈性、粘性一體化內(nèi)窺鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。其中,12為光纖,13為聚焦GRIN透鏡,14為鍍膜反射鏡,15為超聲換能器。

所述光聲吸收、彈性、粘性多模成像內(nèi)窺中,光纖耦合器、光纖、光纖滑環(huán)、電滑環(huán)、扭矩線圈、多模光纖、聚焦GRIN透鏡、鍍膜反射鏡、超聲換能器依次同軸機(jī)械緊固;脈沖激光器、示波器和鎖相放大器和超聲換能器、數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)依次電氣連接。脈沖激光器與鎖相放大器連接,鎖相放大器與計(jì)算機(jī)連接,鎖相放大器與超聲換能器連接,脈沖激光器與示波器連接,示波器與超聲換能器連接,示波器與電腦連接。

所述的脈沖激光器同步輸出鎖相放大器和示波器。超聲換能器接收到的光聲信號(hào)傳輸給鎖相放大器和示波器,分別得到相位差和上升時(shí)間再傳輸給計(jì)算機(jī)處理,得到圖像。

所述的脈沖激光器輸出脈沖光,經(jīng)過光纖耦合器耦合進(jìn)多模光纖,通過光滑環(huán)之后,經(jīng)聚焦GRIN透鏡聚焦,被反射鏡反射到血管,由光聲效應(yīng)激發(fā)出光聲信號(hào),激發(fā)出的光聲信號(hào)被超聲換能器接收,將光聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),傳輸?shù)芥i相放大器和示波器。

在本實(shí)施例中,所述多模光纖尾端、聚焦GRIN透鏡、鍍膜反射鏡、以及超聲換能器統(tǒng)一裝配在一體化外殼內(nèi)組裝成血管內(nèi)窺鏡,內(nèi)窺鏡直徑為1mm,總長(zhǎng)度為8mm。

所述超聲換能器為血管內(nèi)粘彈性超聲探頭,探頭中心頻率為3MHz,接收超聲信號(hào)的頻率范圍1.5MHz~4.5MHz,超聲換能器尺寸為長(zhǎng)4mm,寬0.6mm,高0.7mm;所述血管內(nèi)粘彈性超聲探頭由復(fù)合材料晶片、匹配層和背襯材料構(gòu)成,并采用重背材單層匹配層的制作方法制成,既能獲取高分辨率光聲信息,也能由鎖相放大器處理獲得工作頻率范圍內(nèi)的相位信息。

所述聚焦GRIN透鏡為聚焦準(zhǔn)直透鏡,焦長(zhǎng)為4mm,且和鍍膜反射鏡膠連,聚焦GRIN透鏡直徑為0.5mm。

所述鍍膜反射鏡用于增加反射功率,其為直角棱鏡,斜面與直角邊的夾角分別為30°和60°,所以,輸出光與出射面夾角為30°。

所述多模光纖輸出光經(jīng)聚焦GRIN透鏡以及鍍膜反射鏡反射后的激光焦點(diǎn)位于超聲換能器的正上方。

所述步進(jìn)電機(jī)包括旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)和平移步進(jìn)電機(jī),均為兩相步進(jìn)電機(jī),最小步進(jìn)角為0.9°;所述旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)用于旋轉(zhuǎn)掃描,所述平移步進(jìn)電機(jī)用于掃描完一圈后的前進(jìn)掃描。

所述脈沖激光器重復(fù)頻率為3MHz,使用鎖相放大器最大鎖相頻率為3MHz。

圖1所示裝置進(jìn)行成像時(shí)的具體流程如下:

(1)激發(fā):打開脈沖激光器,調(diào)試脈沖激光器輸出適當(dāng)能量的脈沖激光,脈沖激光經(jīng)光纖耦合器耦合進(jìn)入多模光纖,從光纖輸出的脈沖光經(jīng)光纖滑環(huán)然后經(jīng)過聚焦GRIN透鏡準(zhǔn)直聚焦,進(jìn)入反射鏡,由反射鏡反射到血管內(nèi)壁激發(fā)出光聲信號(hào)。

(2)采集:血管內(nèi)壁組織中激發(fā)產(chǎn)生的光聲信號(hào),被超聲換能器所探測(cè),經(jīng)放大器放大后被分成三路:一部分傳輸?shù)礁咚贁?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;另一部分經(jīng)放大器放大后傳輸?shù)绞静ㄆ髦?,處理后得出位移的上升時(shí)間;另一部分傳輸?shù)角爸梅糯笃髦薪?jīng)放大后傳輸?shù)芥i相放大器中,得出相位差。最終所有數(shù)據(jù)全部匯總在計(jì)算機(jī)中。

(3)掃描:完成了某一位置的光聲信號(hào)采集后,計(jì)算機(jī)上的控制軟件控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn),步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)扭矩線圈以及一體化窺鏡同步旋轉(zhuǎn),直至采集完一周,位移步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行移動(dòng),對(duì)下一位置進(jìn)行光聲信號(hào)的采集,如此,直至完成整個(gè)血管內(nèi)壁的環(huán)形掃描。

(4)圖像重建以及顯示:記錄并在圖像處理軟件上處理光聲信號(hào)數(shù)據(jù),利用算法進(jìn)行投影,得到血管的光聲圖像,彈性圖像以及粘性圖像;三種模式所成的圖像均顯示在計(jì)算機(jī)的顯示器上。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式,但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制,其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化,均應(yīng)為等效的置換方式,都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

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