可穿戴式阵列换能器探头及小动物脑功能光声成像系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了可穿戴式阵列换能器探头及小动物脑功能光声成像系统，其中可穿戴式阵列换能器探头包含碗状外壳、顶部连接器、换能器阵列、底部密封圈和橡胶扣带，小动物脑功能光声成像系统包括可穿戴式阵列换能器探头、复合电缆、集成光源发生器、显示器以及主机，复合电缆包含光信号线和数据线，可穿戴式阵列换能器探头的光束扩大器经光信号线与集成光源发生器相连，可穿戴式阵列换能器探头的对接头经数据线与主机相连。本发明克服了现有小动物光声成像装置体积大、成本高、无专门针对大脑功能成像且需麻醉固定小动物观测等不利因素。
【专利说明】可穿戴式阵列换能器探头及小动物脑功能光声成像系统
【技术领域】
[0001]本发明属于脑功能成像装置领域，特别涉及了可穿戴式阵列换能器探头及小动物脑功能光声成像系统。
【背景技术】
[0002]脑是人类精神和智力活动的器官，是人类一切活动的中枢，它的健康与否决定着人们的生命及其生存质量。人脑又是迄今所知最复杂的系统，揭示人脑奥秘，提高脑功能认识是当今科学研究及治疗的迫切任务，也是对自然科学的一大挑战。近20年来，随着现代物理、电子与计算机技术的迅速发展，脑功能成像技术取得了长足的进步，如:功能性核磁共振成像技术(FMRI)、正电子发射断层扫描技术(PET)、单一正电子发射计算机断层扫描技术(SPECT)、脑磁图(MEG)和近红外线光谱分析技术(FNIRI)、事件相关电位(ERP)、脑电图(EEG)等。目前脑功能成像多采用PET和FMRI，这两种技术的主要优势是:可以应用于人体实验；空间分辨率与时间分辨率较好；可用来绘制全脑图像。但其高昂的设备费用及庞大的体积限制了其进一步普及和全面应用。而许多前沿的脑功能成像技术由于受伦理及道德的约束也无法直接在人体实验。
[0003]所谓光声成像是近年来发展起来的一种无损医学成像方法，它结合了光学成像的多光谱功能成像和超声成像的高穿透深度特性，可提供高分辨率和高对比的组织及功能成像。目前，国际上采用光声成像技术进行小动物实验的设备主要有加拿大Visual Sonics公司生产研制的Vevo LAZR小动物光声成像系统和美国Enlight Biosciences子公司生产的Nexus-128光声成像系统。但目前的光声成像设备主要观测的是小动物的体成像，而无特定针对脑成像的功能，而且Vevo LAZR和Nexus-128均采用的是可调谐脉冲激光器作为激励光源，因而设备体积大，造价昂贵，目前市场售价前者约为300万元/台，后者约250万元/台，这也限制了光声成像设备的普及和应用范围。另外，Vevo LAZR和Nexus-128系统在进行小动物光声成像时，和绝大多数脑功能成像设备一样，均需对小动物进行麻醉和固定处理，以防止成像时小动物肢体运动所导致的偏差。虽然这有利于提高成像质量的稳定性，但也遏制了光声成像尤其是其在脑功能成像时，观测小动物在自由活动状态下脑功能的可倉泛。
【发明内容】
[0004]为了解决【背景技术】存在的问题，本发明旨在提供可穿戴式阵列换能器探头及基于该探头的光声成像系统，克服现有小动物光声成像装置体积大、成本高、无专门针对大脑功能成像且需麻醉固定小动物观测等不利因素。
[0005]为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为:
可穿戴式阵列换能器探头，穿戴在小动物的脑部，包含碗状外壳、顶部连接器、换能器阵列、底部密封圈和橡胶扣带，所述顶部连接器设置在碗状外壳的顶端，换能器阵列均匀分布在碗状外壳的内部，底部密封圈安装在碗状外壳的底部，橡胶扣带安装在底部密封圈上，所述顶部连接器包含光束扩大器和对接头，对接头连接换能器阵列，光束扩大器引导激光均匀照射在小动物的脑部；所述换能器阵列能发射超声波。
[0006]其中，上述橡胶扣带通过螺口固定在底部密封圈上。
[0007]其中，上述碗状外壳和底部密封圈能同比例缩放。
[0008]本发明还包含基于上述可穿戴式阵列换能器探头的光声成像系统，包括前述的可穿戴式阵列换能器探头、复合电缆、集成光源发生器、显示器以及主机，所述复合电缆包含光信号线和数据线，可穿戴式阵列换能器探头的光束扩大器经光信号线与集成光源发生器相连，可穿戴式阵列换能器探头的对接头经数据线与主机相连；所述主机选择集成光源发生器的工作波长和脉冲强度，通过光信号线将激光入射到可穿戴式阵列换能器探头，使激光均匀地照射到小动物脑部，可穿戴式阵列换能器探头的换能器阵列也能自主向小动物脑部发射超声波，并利用换能器阵列探测小动物脑部产生的光声信号，并经数据线将光声信号传送到主机，由主机上装载的光声成像软件完成小动物大脑的光声成像,并最终显示在显示器上。
[0009]其中，上述显示器、主机和集成光源发生器装载在可移动的平台上。
[0010]其中，上述光信号线为光纤束，或者光信号线包含单根多模光纤和光纤合路器，集成光源发生器经光纤合路器与单根多模光纤链连接。
[0011]其中，上述集成光源发生器 包含若干不同波长的半导体激光器，或者包含若干不同波长的激光二极管，或者包含若干不同波长的调制脉冲式LED，其波长范围在650nm~1250nm 之间。
[0012]采用上述技术方案带来的有益效果是:
本发明能对小动物进行实时的非侵入式测量，具有时间精度高、空间分辨率好、多模式(光声成像、超声成像、光声超声融合成像)、无辐射、无损、安全、灵活、易用等优点。其与现有脑功能成像技术相比，最大的不同在于其动物实验时无需麻醉固定，而是采用包含激光照射系统的可穿戴式阵列换能器探头固定在小动物的头部，可随小动物自由活动并实时对小动物的脑部进行多次长时间的光声成像，监测其在清醒状态下面对各种刺激和条件的脑部血管血流、血氧分布和变化情况来了解大脑的活动，确定大脑不同区域的功能。本发明还可用小动物来进行相关脑功能诊断治疗药物的吸收分布情况检测，对脑肿瘤新生血管高分辨率成像分析等。这些特点使得项目研制系统在大脑活动的大空间尺度研究上具有很大的优越性，在利用小动物进行大脑功能成像方面具有广阔的科学研究和实际应用前景。此外，本发明与现有装置相比，具有体积小、成本低、操作简便等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本发明可穿戴式阵列换能器探头的结构示意图。
[0014]图2是本发明小动物脑功能光声成像系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0015]以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0016]如图1所示本发明可穿戴式阵列换能器探头的结构示意图，它包含碗状外壳、顶部连接器、换能器阵列、底部密封圈和橡胶扣带。所述顶部连接器设置在碗状外壳的顶端，换能器阵列均匀分布在碗状外壳的内部，底部密封圈安装在碗状外壳的底部，橡胶扣带安装在底部密封圈上。所述顶部连接器包含光束扩大器和对接头，对接头连接换能器阵列，光束扩大器引导激光均匀照射在小动物的脑部。所述换能器阵列能发射超声波。
[0017]在本实施例中，橡胶扣带通过螺口固定在底部密封圈上。除了通过橡胶扣带将可穿戴式阵列换能器探头固定在小动物的头部外，碗状外壳和底部密封圈能同比例缩放，做到更好地贴合小动物的头部。
[0018]如图2所示本发明小动物脑功能光声成像系统的结构示意图，它包括可穿戴式阵列换能器探头、复合电缆、集成光源发生器、显示器以及主机。所述复合电缆包含光信号线和数据线，可穿戴式阵列换能器探头的光束扩大器经光信号线与集成光源发生器相连，可穿戴式阵列换能器探头的对接头经数据线与主机相连；所述主机选择集成光源发生器的工作波长和脉冲强度，通过光信号线将激光入射到可穿戴式阵列换能器探头，使激光均匀地照射到小动物脑部，可穿戴式阵列换能器探头的换能器阵列也能自主向小动物脑部发射超声波，并利用换能器阵列探测小动物脑部产生的光声信号，并经数据线将光声信号传送到主机，由主机上装载的光声成像软件完成小动物大脑的光声成像，并最终显示在显示器上。
[0019]在本实施例中，显示器、主机和集成光源发生器均装载在可移动的平台上，以更好地配合小动物在探测时大范围的 跑动，同时该平台设有刹车或者制动装置用来固定该平台。集成光源发生器发出的激光为窄脉宽脉冲式激光，所以集成光源发生器包含若干不同波长的半导体激光器，或者包含若干不同波长的半导体激光器激光二极管，或者包含若干不同波长的调制脉冲式的LED，其波长范围覆盖为650nm-1250nm。
[0020]本发明的工作原理为:
首先通过主机上的控制软件选择集成光源发生器的工作波长和脉冲强度，通过光信号线将激光入射到可穿戴式阵列换能器探头中，通过探头中的光束扩大器使之均匀地照射到实验小动物的头部，也可以利用穿戴式阵列换能器探头的换能器阵列向小动物头部发射超声波，再利用换能器阵列探测小动物脑部产生的光声信号，经数据线将光声信号传送到主机，由主机上装载的光声成像软件完成小动物大脑的光声成像，并最终显示在显示器上。为了进行光声大脑血氧检测，则需要使用至少两个波长以上的光源，结合近红外光在组织中拥有更好的穿透性能，因此系统应采用3~5个不同波长的近红外集成光源以此来满足探测的需要。探测时先后获取大脑不在同波长激光激发下的光声信号，推导出不同波长下的血液光吸收系数，结合氧合/脱氧血红蛋白在不同波长下的消光系数，就可计算得到血氧饱和度，进而绘制出大脑的血氧分布光声图像，实现对大脑的功能成像。
[0021]以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
【权利要求】
1.可穿戴式阵列换能器探头，穿戴在小动物的脑部，其特征在于:包含碗状外壳、顶部连接器、换能器阵列、底部密封圈和橡胶扣带，所述顶部连接器设置在碗状外壳的顶端，换能器阵列均匀分布在碗状外壳的内部，底部密封圈安装在碗状外壳的底部，橡胶扣带安装在底部密封圈上；所述顶部连接器包含光束扩大器和对接头，对接头连接换能器阵列，光束扩大器引导激光均匀照射在小动物的脑部；所述换能器阵列能发射超声波。
2.根据权利要求1所述可穿戴式阵列换能器探头，其特征在于:所述橡胶扣带通过螺口固定在底部密封圈上。
3.根据权利要求1所述可穿戴式阵列换能器探头，其特征在于:所述碗状外壳和底部密封圈能同比例缩放。
4.基于权利要求1所述可穿戴式阵列换能器探头的小动物脑功能光声成像系统，其特征在于:包括复合电缆、集成光源发生器、显示器、主机以及如权利要求1所述的可穿戴式阵列换能器探头，所述复合电缆包含光信号线和数据线，可穿戴式阵列换能器探头的光束扩大器经光信号线与集成光源发生器相连，可穿戴式阵列换能器探头的对接头经数据线与主机相连；所述主机选择集成光源发生器的工作波长和脉冲强度，通过光信号线将激光入射到可穿戴式阵列换能器探头，使激光均匀地照射到小动物脑部，可穿戴式阵列换能器探头的换能器阵列也能自主向小动物脑部发射超声波，并利用换能器阵列探测小动物脑部产生的光声信号，并经数据线将光声信号传送到主机，由主机上装载的光声成像软件完成小动物大脑的光声成像，并最终显示在显示器上。
5.根据权利要求4所述小动物脑功能光声成像系统，其特征在于:所述显示器、主机和集成光源发生器均 装载在可移动的平台上。
6.根据权利要求4所述小动物脑功能光声成像系统，其特征在于:所述光信号线为光纤束。
7.根据权利要求4所述小动物脑功能光声成像系统，其特征在于:所述光信号线包含单根多模光纤和光纤合路器，集成光源发生器经光纤合路器与单根多模光纤连接。
8.根据权利要求4至7中任意一项所述小动物脑功能光声成像系统，其特征在于:所述集成光源发生器包含若干不同波长的半导体激光器，其波长范围在650nnTl250nm之间。
9.根据权利要求4至7中任意一项所述小动物脑功能光声成像系统，其特征在于:所述集成光源发生器包含若干不同波长的激光二极管，其波长范围在650nnTl250nm之间。
10.根据权利要求4至7中任意一项所述小动物脑功能光声成像系统，其特征在于:所述集成光源发生器包含若干不同波长的调制脉冲式LED，其波长范围在650nnTl250nm之间。
【文档编号】A61B5/00GK103976709SQ201410166988
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年4月24日 优先权日:2014年4月24日
【发明者】崔崤峣, 简小华, 韩志乐 申请人:中国科学院苏州生物医学工程技术研究所