专利名称：一种血管内光声超声双模成像内窥镜装置及其成像方法
技术领域：
本发明属于无损测试测量技术，特别涉及一种将光声超声双模成像技术用于血管 内结构成像的内窥成像装置及其成像方法。
背景技术：
内窥镜，是一种多学科通用的工具，其功能是能对弯曲管道深处探查，能观察不能 直视到的部位，能在密封空腔内观察内部空间结构与状态，能实现远距离观察与操作。目前 的常用的光学内窥镜主要是是光、机、电一体的NDT仪器，它分为三类系列产品第一类，硬 性内窥镜系列；第二类，纤维内窥镜系列；第三类，电子视频内窥镜系列。硬性内窥镜系列 其工作原理是利用转像透镜光学技术来传送影像，并由光导纤维提供传光照明。纤维内窥 镜系列其工作原理是由高品质韵传像纤维来传送图像，通过目镜直接观察。电子视频内窥 镜系列是运用超小型电荷耦合器件(CXD)技术制造电子视频内窥镜产品。上述三类内窥技 术其基本原理都是利用光学散射或者反射信号获取检测图像，由于受介质散射影响大，存 在穿透深度浅( mm级)的缺点。超声内窥成像对组织的穿透深度可达30mm以上，它反映了吸收体的声阻抗参数。 光声成像作为近年来发展起来的一种新型成像方法，它反映了吸收体的光吸收参数。本专 利开展光声超声双模内窥成像方法研究，研制光声超声双成像内窥系统，既可以反映吸收 体的声阻抗参数，又可以反映吸收体的光吸收参数，对于推动我国自主研制新型内窥装置 有着积极的推进意义。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种血管内光声超声双模内窥成像装置。本发明的另一目的在于提供一种根据上述装置进行血管内光声超声双模内窥成 像的方法；该方法操作简单，检测精度高；该方法利用脉冲激光或幅度调制的连续光源激 发产生光致热弹超声信号，通过测量该信号可以重建出检测样品的光吸收分布图像；通过 采集超声回波，重建出检测样品的声阻抗差异图像；通过光声超声双成像来确定吸收体结 构的改变；所述内窥成像主要适用于血管内部部位的成像。为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案一种血管内光声超声双模成像内 窥镜装置，该装置包括光声激发光源发生器、微型光声超声双模成像内窥探头、超声信号激 发与采集组件和计算机；所述光声激发光源发生器、微型光声超声双模成像内窥探头、超声 信号激发与采集组件和计算机依次电气相连；所述微型光声超声双模成像内窥探头由入射 光纤、中空圆环阵列超声探测器、镀膜锥面高反射镜、管壳和医用级聚氯乙烯管(PVC管)组 成；所述入射光纤与光声激发光源发生器相连，并穿过中空圆环阵列超声探测器；所述中 空圆环阵列超声探测器通过同轴数据传输线与超声信号激发与采集组件相连；所述医用级 聚氯乙烯管套在入射光纤、中空圆环阵列超声探测器、镀膜锥面高反射镜和管壳的外面；所 述管壳将镀膜锥面高反射镜和入射光纤相连接，镀膜锥面高反射镜位于管壳内，而管壳固
4定在入射光纤的末端，镀膜锥面高反射镜的锥面正对着入射光纤；所述光声超声双模成像 内窥镜的直径为1. 3mm 1. 4mm。所述血管内光声超声双模成像内窥镜装置应用于光声和超声双模同时成像或单 模切换成像。所述光声激发光源发生器为短脉冲激光器，光声激发光源发生器产生的激光由单 模光纤接合输出，所述光纤数值孔径为0. 22，所述激光的波长为400 2500nm，脉宽范围为 5ns 50ns ο所述光声激发光源发生器产生输出的激光通过入射光纤后，经镀膜锥面高反射镜 向外反射成圆环形激发光，与中空圆环阵列超声探测器接收方向匹配，实现360度圆周的 光声信号同轴激发和接收模式。所述激光被镀膜锥面高反射镜反射后在中空圆环阵列超声探测器的法线方向上 形成圆环形状光斑。所述中空圆环超声探测器含有64阵元，内径为0. 2 0. 4mm,外径为1. 0 1. 2mm, 主频为20MHz 40MHz。所述医用级聚氯乙烯管的末端为封闭的圆滑结构。光纤和镀膜锥面高反射镜通过套管连接为一个整体。光声探测器套在光纤外侧，贴附在PVC管的内壁。所述计算机中带有采集控制软件和图像重建软件。一种根据上述的血管内光声超声双模成像内窥镜装置进行内窥成像的方法，包括 以下操作步骤(1)将微型光声超声双模成像内窥探头插入待测血管或腔体内；(2)光声激发将光声激发光源发生器产生的脉冲激光通过入射光纤耦合，经镀 膜锥面高反射镜侧向入射到待测血管壁或腔体壁，激发产生光声信号；(3)光声采集中空圆环阵列超声探测器接收到光声信号后，经超声信号激发与 采集组件通过同轴数据传输线进行数据采集，再将数据传输并储存到带有采集控制软件和 图像重建软件的计算机中；(4)超声激发和采集光声信号采集完毕后，超声激发与采集组件先对中空圆环 阵列超声探测器中的一个超声振元进行激发，中空圆环阵列超声探测器接收超声回波信号 后，经超声激发与采集组件通过同轴数据传输线进行数据采集，然后超声激发与采集组件 依次对中空圆环阵列超声探测器中的下一个超声振元进行激发和数据采集；最后将数据传 输并储存到带有采集控制软件和图像重建软件的计算机中；(5)数据处理对采集的数据进行处理，通过MATLAB程序利用滤波反投影算法进 行图像重建，得到待测血管或腔体内壁的光声(光吸收分布)和超声图像。步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)可以合并成一个步骤，即光声激发、光声采集与超声 激发和采集同时进行，中空圆环阵列超声探测器同时接收超声回波和光声信号，根据两种 信号的接收时间差异，实现光声超声的同时成像。步骤(3)所述计算机内有数据采集控制平台和图像重建的MATLAB程序。成像时 利用小角度滤波反投影得到光声二维图像，可方便快速的对血管实现横向的光声层析成像 和超声图像。
本发明的作用原理是光声激发光源产生脉冲激光(波长、脉宽和重复频率可根 据需要选择)，经入射光纤侧向反射至血管壁，血管病变与周围正常部位对光吸收差异导致 光致热弹超声信号被中空圆环阵列超声探测器接收；接收的信号由信号采集系统采集并传 输到带有采集控制软件和图像重建软件的计算机做后处理；通过滤波反投影成像算法重建 出血管的光声图像。超声激发源产生的超声，血管病变与周围正常部位的声阻抗差异导致 不同强度的超声反射信号，由微型中空超声圆环阵列探测器接收，接收的超声信号由信号 采集系统采集并传输到带有采集控制软件和图像重建软件的计算机做后处理；通过滤波反 投影成像算法重建出血管的超声图像。或者光激发与超声激发能够同时进行，圆环阵列探 测器同时接收超声回波和光声信号，根据两种信号的接收时间差异，对超声回波和光声信 号进行采集，采集到的信号通过带有采集控制软件和图像重建软件的计算机做后处理。本 发明适用于微小血管内部结构的成像，从而可以对血管内部结构进行光吸收参数和声阻抗 参数的双参数评价。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果1)本发明利用反映光吸收分布和声阻抗差异原理的光声超声双模内窥成像系统 对血管内部结构进行成像。重建的光声超声图像不仅仅反映血管内组织的光学吸收差异， 还反映组织的声学特性的变化。(2)本发明的关键部件为微型光声超声双模内窥探头，集前端带有镀膜锥面高反 射镜的入射光纤、微型中空超声圆环阵列探测器、和PVC管于一体，所用部件体积小，适于 内窥成像，使用方便。
图1是实施例1所述血管内光声超声双模内窥成像装置的结构示意图，其中1为 微型光声超声双模成像内窥探头，2为光声激发光源发生器，3为超声信号激发与采集组 件，4为带有采集控制软件和图像重建软件的计算机，5为入射光纤，6为中空圆环阵列超声 探测器，7为镀膜锥面高反射镜，8为管壳，9为PVC管，10为同轴数据传输线，11为中空圆环 阵列超声探测器的振元。图2是实施例1所述光纤管套以及镀膜锥面高反射镜连接的结构示意图，5为入射 光纤，7为镀膜锥面高反射镜，8为管壳。图3(a)是实施例1所述中空圆环阵列超声探测器套在光纤外侧的结构示意图，5 为入射光纤，6为中空圆环阵列超声探测器，11为中空圆环阵列超声探测器的振元。图3(b)是实施例1所述光声超声双模成像内窥探头横截面结构示意图，5为入射 光纤，9为PVC管，11为中空圆环阵列超声探测器的振元。图4是本发明血管内光声超声双模内窥成像装置用于血管管腔横截面的断层图 像；其中，a为血管管腔结构图；b为血管管腔内外壁的光声截面图；c为血管管腔内外壁的 超声截面图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限 于此。
实施例1 一种血管内光声超声双模内窥成像装置(结构示意图如图1所示)该装置包括微型光声超声双模成像内窥探头1、光声激发光源发生器2、超声信号 激发与采集组件3和带有采集控制软件和图像重建软件的计算机4 ；所述微型光声超声双 模成像内窥探头1、光声激发光源发生器2、超声信号激发与采集组件3和带有采集控制软 件和图像重建软件的计算机4依次电气相连；所述微型光声超声双模成像内窥探头1由入 射光纤5、中空圆环阵列超声探测器6、镀膜锥面高反射镜7、管壳8和医用级聚氯乙烯管 (PVC管)9组成，所述入射光纤5与光声激发光源发生器2相连，所述中空圆环阵列超声探 测器6通过同轴数据传输线10与超声信号激发与采集系统3相连；所述PVC管9套在入射 光纤5、中空圆环阵列超声探测器6、镀膜锥面高反射镜7和管壳8的外面；所述镀膜锥面高 反射镜7固定在管壳8内，而管壳8固定在入射光纤5的末端，镀膜锥面高反射镜7的锥面 正对着入射光纤5 (镀膜锥面高反射镜、管壳和入射光纤的连接如图2所示)；所述中空圆 环阵列超声探测器6套在入射光纤5的外侧；所述PVC管9的末端为封闭的圆滑结构。中 空圆环阵列超声探测器套在光纤外侧的结构示意图可以如图3(a)所示；光声超声双模成 像内窥探头横截面结构示意图可以如图3(b)所示。实施例2 应用实施例1所述装置实现血管管腔横截面的光声和超声内窥成像(1)将微型光声超声双模成像内窥探头(直径1. 4mm)插入离体兔腹主动脉管腔 内；(2)光声激发采用Nd: YAG泵浦的光纤激光器(Brilliant B, Bigsky)，输出激光 波长为1064nm，脉宽为8ns，重复频率是20HZ ；将上述激发器产生的脉冲激光(波长范围为 IOOOnm)通过入射光纤耦合，经镀膜锥面高反射镜侧向均勻的入射到血管的管壁上，激发血
管壁产生光声信号；(3)光声采集中空圆环阵列超声探测器(由64个振元组成，外径为1. 2mm,内径 0. 3mm，主频为20MHz)接收到光声信号后，经超声信号激发与采集组件通过同轴数据传输 线进行数据采集，再将数据传输并储存到带有采集控制软件和图像重建软件的计算机中；(4)超声激发和采集光声信号采集完毕后，超声激发与采集组件先对中空圆环 阵列超声探测器中的一个超声振元进行激发，中空圆环阵列超声探测器接收超声回波信号 后，经超声激发与采集组件通过同轴数据传输线进行数据采集，然后超声激发与采集组件 依次对中空圆环阵列超声探测器中的下一个超声振元进行激发和数据采集；最后将数据传 输并储存到带有采集控制软件和图像重建软件的计算机中；(5)数据处理对采集的数据进行处理，通过MATLAB程序利用滤波反投影算法进 行图像重建，得到血管的光声和超声图像，即如图4(a)所示的图像；图4(b)给出了样品图 4(a)的光声横向层析图像，图4(c)给出了样品图4(a)的超声横向层析图像，从实验结果可 以看出本发明的方法和装置能够得到的光声和超声横向层析图像。实施例3 应用实施例1所述装置实现血管管腔横截面的光声和超声内窥成像(1)将微型光声超声双模成像内窥探头(直径1. 3mm)插入离体兔腹主动脉管腔 内；(2)光声激发、光声采集与超声激发和采集采用Nd:YAG泵浦的光纤激光器(Brilliant B, Bigsky)，输出激光波长为1064nm，脉宽为8ns，重复频率是20HZ ；将上述激 发器产生的脉冲激光(波长范围为IOOOnm)通过入射光纤耦合，经镀膜锥面高反射镜侧向 均勻的入射到血管的管壁上，激发血管壁产生光声信号；中空圆环阵列超声探测器(由64 个振元组成，外径为1. Omm,内径0. 4mm，主频为40MHz)接收到光声信号后，经超声信号激发 与采集组件通过同轴数据传输线进行数据采集，再将数据传输并储存到带有采集控制软件 和图像重建软件的计算机中；同时，超声激发与采集组件对中空圆环阵列超声探测器中的一个超声振元进行激 发，中空圆环阵列超声探测器接收超声回波信号后，经超声激发与采集组件通过同轴数据 传输线进行数据采集，然后超声激发与采集组件依次对中空圆环阵列超声探测器中的下一 个超声振元进行激发和数据采集；最后将数据传输并储存到带有采集控制软件和图像重建 软件的计算机中；中空圆环阵列超声探测器同时接收(3)数据处理根据中空圆环阵列超声探测器接收超声回波和光声信号的接收时 间差异，对采集的数据进行处理，通过MATLAB程序利用滤波反投影算法进行图像重建，实 现光声超声的同时成像。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
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权利要求
一种血管内光声超声双模成像内窥镜装置，其特征在于该装置包括光声激发光源发生器、微型光声超声双模成像内窥探头、超声信号激发与采集组件和计算机；所述光声激发光源发生器、微型光声超声双模成像内窥探头、超声信号激发与采集组件和计算机依次电气相连；所述微型光声超声双模成像内窥探头由入射光纤、中空圆环阵列超声探测器、镀膜锥面高反射镜、管壳和医用级聚氯乙烯管组成；所述入射光纤与光声激发光源发生器相连，并穿过中空圆环阵列超声探测器；所述中空圆环阵列超声探测器通过同轴数据传输线与超声信号激发与采集组件相连；所述医用级聚氯乙烯管套在入射光纤、中空圆环阵列超声探测器、镀膜锥面高反射镜和管壳的外面；所述管壳将镀膜锥面高反射镜和入射光纤相连接，镀膜锥面高反射镜位于管壳内，而管壳固定在入射光纤的末端，镀膜锥面高反射镜的锥面正对着入射光纤；所述光声超声双模成像内窥镜的直径为1.3mm～1.4mm。
2.根据权利要求1所述的一种血管内光声超声双模成像内窥镜装置，其特征在于所 述血管内光声超声双模成像内窥镜装置应用于光声和超声双模同时成像或单模切换成像。
3.根据权利要求1所述的一种血管内光声超声双模成像内窥镜装置，其特征在于所 述光声激发光源发生器为短脉冲激光器，光声激发光源发生器产生的激光由单模光纤接 合输出，所述光纤数值孔径为0. 22，所述激光的波长为400 2500nm，脉宽范围为5ns 50ns ο
4.根据权利要求1所述的一种血管内光声超声双模成像内窥镜装置，其特征在于所 述光声激发光源发生器产生输出的激光通过入射光纤后，经镀膜锥面高反射镜向外反射成 圆环形激发光，与中空圆环阵列超声探测器接收方向匹配，实现360度圆周的光声信号同 轴激发和接收模式。
5.根据权利要求4所述的一种血管内光声超声双模成像内窥镜装置，其特征在于所 述激光被镀膜锥面高反射镜反射后在中空圆环阵列超声探测器的法线方向上形成圆环形 状光斑。
6.根据权利要求1所述的一种血管内光声超声双模成像内窥镜装置，其特征在于所 述中空圆环超声探测器含有64阵元，内径为0.2 0. 4mm，外径为1. 0 1.2mm，主频为 20MHz 40MHz。
7.根据权利要求1所述的一种血管内光声超声双模成像内窥镜装置，其特征在于所 述医用级聚氯乙烯管的末端为封闭的圆滑结构。
8.根据权利要求1所述的一种血管内光声超声双模成像内窥镜装置，其特征在于所 述计算机中带有采集控制软件和图像重建软件。
9.一种根据权利要求1所述的血管内光声超声双模成像内窥镜装置进行内窥成像的 方法，其特征在于包括以下操作步骤(1)将微型光声超声双模成像内窥探头插入待测血管或腔体内；(2)光声激发将光声激发光源发生器产生的脉冲激光通过入射光纤耦合，经镀膜锥 面高反射镜侧向入射到待测血管壁或腔体壁，激发产生光声信号；(3)光声采集中空圆环阵列超声探测器接收到光声信号后，经超声信号激发与采集 组件通过同轴数据传输线进行数据采集，再将数据传输并储存到带有采集控制软件和图像 重建软件的计算机中；(4)超声激发和采集光声信号采集完毕后，超声激发与采集组件先对中空圆环阵列超声探测器中的一个超声振元进行激发，中空圆环阵列超声探测器接收超声回波信号后， 经超声激发与采集组件通过同轴数据传输线进行数据采集，然后超声激发与采集组件依次 对中空圆环阵列超声探测器中的下一个超声振元进行激发和数据采集；最后将数据传输并 储存到带有采集控制软件和图像重建软件的计算机中；(5)数据处理对采集的数据进行处理，通过MATLAB程序利用滤波反投影算法进行图 像重建，得到待测血管或腔体内壁的光声和超声图像。
10.根据权利要求9所述的内窥成像的方法，其特征在于所述方法还包括以下步骤 光声激发、光声采集与超声激发和采集同时进行，中空圆环阵列超声探测器同时接收超声 回波信号和光声信号，根据两种信号的接收时间差异，实现光声超声的同时成像。
全文摘要
本发明公开了一种血管内光声超声双模成像内窥镜装置及成像方法。该装置包括光声激发光源发生器、微型光声超声双模内窥探头、超声信号激发与采集组件、计算机。微型光声超声双模探头由入射光纤、中空圆环阵列超声探测器、镀膜锥面高反射镜、管壳和PVC管组成；入射光纤与光声激发光源发生器相连，并穿过中空圆环阵列超声探测器；而中空圆环阵列超声探测器通过同轴数据传输线与超声信号激发与采集组件相连；镀膜锥面高反射镜固定在管壳内，而管壳与光纤出口固定相连，使输出激光在镀膜锥面上成环形向外反射，与中空圆环阵列超声探测器匹配。本发明能够实现光声超声双模内窥成像，能应用于血管或微小腔体内的光声超声双模成像。
文档编号A61B5/00GK101912250SQ201010187650
公开日2010年12月15日 申请日期2010年5月24日 优先权日2010年5月24日
发明者杨思华, 袁毅, 邢达 申请人:华南师范大学