一种临床光声成像系统

本公开一般涉及光声成像技术领域，具体涉及一种临床光声成像系统。

背景技术：

为便于外科医生借助图像导航看到手术器械和病变部位在人体组织中的位置，以往临床中广泛应用的成像模态为超声成像，从而实现微创手术和无创诊断，减少患者的伤痛。但鉴于超声图像记录的是不同组织成分的超声反射特性，因此它的敏感性和特异性有限，这种成像方式提供的结构对比度也有限，比如对生物组织中的淋巴结等组织缺乏可靠的识别能力。

之后，为提高组织可靠的识别能力，光声成像因其具有非侵入、非电离、无创成像的特点而得以迅速发展。光声图像记录的是组织的光吸收特征信息，因而具有丰富的光学吸收对比度和高的超声空间分辨率。利用光声成像指导临床介入治疗过程已经得到越来越多的应用，比如引导金属细针进行微创手术、观察体内医疗器械、引导干细胞注射等。

目前，三维光声成像系统作为光声成像系统的突出应用产品，以其良好的分辨率，能提供三维图像、有一定地缓解有限视野问题和面外伪影问题的功能等优点，具备广阔的临床应用价值。但是现在的基于线阵/凹阵的系统进行三维成像的基本方式为使用机械臂带动探头进行扫描，其劣势在于医生不能随意控制探头的位置，与一般的临床检查习惯不相符合。此外，在进行功能成像的时候，由于要进行多波长扫描，一般一个位置的成像时间在数十秒到一分钟不等。如果探头仅仅进行手持的话，探头容易晃动，造成成像面的改变，从而影响成像结果。

技术实现要素：

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种提高导光率，探头位置可控，提高成像质量，防止激光对受试者或操作操作者造成伤害，设计简单且易于实现的临床光声成像系统。

第一方面，本申请提供一种临床光声成像系统，包括：导光臂；所述导光臂包括：多个导光臂段和设于两相邻所述导光臂段之间的关节轴；两相邻所述导光臂段之间分别通过所述关节轴可旋转连接；

还包括：设于所述导光臂段上的第一角度测量装置和/或与所述关节轴相配接的第二角度测量装置，以及与所述关节轴相配接且能够锁紧关节的锁紧装置。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述第一角度测量装置包括：固接在所述导光臂段上的倾角传感器；

所述第二角度测量装置包括：与所述关节轴外壁滚动接触的测量滚轮和与所述测量滚轮相配接的光电编码器。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述锁紧装置包括：电机和与所述电机输出轴相连接的限位滚轮；所述限位滚轮与所述关节轴外壁滚动接触；

或，

所述锁紧装置包括：驱动装置和与所述驱动装置相连接的刹车卡钳装置；所述刹车卡钳装置与所述关节轴相配接。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述关节轴设置有活动连接的固定部和转动部；所述固定部的端部设有进光口；所述转动部的端部设有出光口，且其内置有反射镜。

根据本申请实施例提供的技术方案，还包括：与所述导光臂自由端连接的光声成像探头；所述光声成像探头内部设有超声模块、陀螺仪和加速度计；所述光声成像探头一端设有连接凸起，且其内设有与所述连接凸起连通的输光道；所述输光道端口设有光窗。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述输光道内相对靠近所述连接凸起的一端设有工程漫射体。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述光声成像探头两侧还设有安装凸起，用于安装耦合垫。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述光声成像探头内部有陀螺仪和加速度计，用于辅助所述光声成像探头空间位置测量。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述超声模块上贴有镀金金属的化合物膜。

根据本申请实施例提供的技术方案，还包括：控制系统；所述控制系统包括：信号连接的出光模块、数据采集系统模块和控制模块；

所述出光模块，用于向所述导光臂发射光源；

所述数据采集系统模块，用于接收光声成像探头产生的光声信号，并且在每次采集时产生触发信号；

所述控制模块，用于实时处理与显示接收的数据。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述出光模块包括：信号连接的激光光源模块和激光转换模块；

所述激光光源模块，与所述数据系统模块信号连接，用于发射光源；

所述激光转换模块，用于调谐所述激光光源模块发出的光源，并发射出相干辐射光。

根据本申请实施例提供的技术方案，还包括：与所述数据采集系统模块、所述激光转换模块分别信号连接的能量监控模块；

所述能量监控模块，用于监控所述激光转换模块发出的相干辐射光的能量，并将此能量数据传输至所述数据采集系统模块。

综上所述，本技术方案具体地公开了一种临床光声成像系统的具体结构。本申请具体地利用导光臂作为本系统的主要传输光能的部件，其包括多个导光臂段，且相邻导光臂段之间利用关节轴连接，导光臂段能够以关节轴为轴旋转任意角度，以实现光能的接收和传输；并在所述导光臂段上设计第一角度测量装置，当导光臂段转动时，会带动第一角度测量装置转动，第一角度测量装置输出的倾角改变值即为导光臂段转动的角度值；在关节轴上配接第二角度测量装置，当导光臂段转动时，关节轴同时转动，通过摩擦带动第二角度测量装置转动并对转动信息进行采集，从而运算出导光臂段的转动角度；此处，第一角度测量装置与第二角度测量装置可以单独使用，还可以同时使用；探头位置可以计算。探头内部的陀螺仪和加速度计能辅助进行探头位置计算，提高位置计算精度。从而使设备能进行三维成像。

本技术方案进一步地为了提高成像时探头的稳定性，通过在关节轴上设计锁紧装置，限定关节轴旋转角度，当导光臂段与关节轴转动时，锁紧装置不工作，当导光臂段转动至所需角度时，启动锁紧装置，使得关节轴位置固定，进而固定导光臂段的位置。

本技术方案进一步地为了防止激光对受试者或操作操作者造成伤害，设计控制装置，以实现接收信号、处理信号以及信号的运算；利用数据采集系统模块产生触发信号，当其进行采集一帧光声图像时，其会发出一个脉冲信号；当嵌入式系统模块接收触发信号时，根据此时倾角传感器发送的或者是根据其输出所记录的角度值，并根据各个导光臂段的长度，计算出光声成像探头的空间位置(或者两次成像之间的光声成像探头位置差)，并通过信号接收模块传输给成像设备，成像设备通过光声成像探头的姿态和运动状态判定结合成像部位关机激光并发出警报，以防止激光对受试者或操作者产生伤害。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本系统的实施例一的结构示意图。

图2为本系统的实施例二的结构示意图。

图3为本系统的实施例三的结构示意图。

图4为第一角度测量装置与锁紧装置的第一种实施方式的结构示意图。

图5为第二角度测量装置的结构示意图。

图6为锁紧装置的第二种实施方式的结构示意图。

图7为关节轴的结构示意图。

图8为光声成像探头的结构示意图。

图9为控制装置的结构示意图。

图中标号：1、导光臂；2、导光臂段；3、关节轴；4、第一角度测量装置；5、第二角度测量装置；6、倾角传感器；7、测量滚轮；8、光电编码器；9、锁紧装置；10、电机；11、限位滚轮；12、驱动装置；13、刹车卡钳装置；14、光声成像探头；15、连接凸起；16、输光道；17、光窗；18、工程漫射体；19、安装凸起；20、耦合垫；21、数据采集系统模块；22、控制模块；23、激光光源模块；24、激光转换模块；25、能量监控模块；26、进光口；27、出光口；28、反射镜；29、陀螺仪；30、加速度计。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

请参考图1所示的本申请提供的一种临床光声成像系统的结构示意图，包括：导光臂1；所述导光臂1包括：多个导光臂段2和设于两相邻所述导光臂段2之间的关节轴3；两相邻所述导光臂段2之间分别通过所述关节轴3可旋转连接；

还包括：设于所述导光臂段2上的第一角度测量装置4和/或与所述关节轴3相配接的第二角度测量装置5，以及与所述关节轴3相配接且能够锁紧关节的锁紧装置9。

在本实施例中，导光臂1，作为本系统的主要传输光能的部件，其包括多个导光臂段2，并且相邻导光臂段2之间利用关节轴3连接，导光臂段2能够以关节轴3为轴旋转任意角度，以实现光能的接收和传输；其中，导光臂段2的数量为至少三个，才可实现本光声成像系统正常成像效果；

第一角度测量装置4，设置在所述导光臂段2上，用于测量导光臂段2转动的角度值；当导光臂段2转动时，会带动第一角度测量装置4转动，第一角度测量装置4输出的倾角改变值即为导光臂段2转动的角度值；

第二角度测量装置5，与所述关节轴3相配接，用于测量导光臂段2转动的角度；当导光臂段2转动时，关节轴3同时转动，通过摩擦带动第二角度测量装置5转动并对转动信息进行采集，从而运算出导光臂段2的转动角度。

锁紧装置9，与每个所述关节轴3相配接，用于限定关节轴3旋转角度，当导光臂段2与关节轴3转动时，锁紧装置9不工作，当导光臂段2转动至所需角度时，启动锁紧装置9，使得关节轴3位置固定，进而固定导光臂段2的位置。

实施例一

在本实施例中，以三关节导光臂为例，如图1所示，仅在导光臂段2上安装第一角度测量装置4，每个导光臂段2转动时，会带动其上第一角度测量装置4转动，第一角度测量装置4输出的倾角改变值即为相应的导光臂段2和光声成像探头14转动的角度值。

实施例二

在本实施例中，以七关节导光臂为例，如图2所示，仅在关节轴3上安装第二角度测量装置5，当导光臂段2转动时，关节轴3同时转动，通过摩擦带动其上的第二角度测量装置5上的测量滚轮7转动并对转动信息进行采集，从而运算出各个导光臂段2和光声成像探头14的转动角度。

实施例三

在本实施例中，以七关节导光臂为例，如图3所示，在任意两个导光臂段2上分别安装第一角度测量装置4，在任意五个关节轴3上分别安装第二角度测量装置5，当导光臂段2转动时，关节轴3同时转动，安装有第一角度测量装置4的导光臂段2会带动其上的第一角度测量装置4转动，第一角度测量装置4输出的倾角改变值即为相应的导光臂段2转动的角度值，安装有第二角度测量装置5的关节轴3会通过摩擦带动其上的第二角度测量装置5上的测量滚轮7转动并对转动信息进行采集，从而运算出相应的导光臂段2和光声成像探头14的转动角度；

可选地，还可以是，如图4所示，在任意一个导光臂段2上分别安装第一角度测量装置4，在任意六个关节轴3上分别安装第二角度测量装置5，当导光臂段2转动时，关节轴3同时转动，安装有第一角度测量装置4的导光臂段2会带动其上的第一角度测量装置4转动，第一角度测量装置4输出的倾角改变值即为相应的导光臂段2转动的角度值，安装有第二角度测量装置5的关节轴3会通过摩擦带动其上的第二角度测量装置5转动并对转动信息进行采集，从而运算出相应的导光臂段2的转动角度。

在任一优选的实施例中，所述第一角度测量装置4包括：固接在所述导光臂段2上的倾角传感器6；

所述第二角度测量装置5包括：与所述关节轴3外壁滚动接触的测量滚轮7和与所述测量滚轮7相配接的光电编码器8。

在本实施例中，如图5所示，倾角传感器6，固接在所述导光臂段2上，当导光臂段2转动时，会带动倾角传感器6转动，倾角传感器6输出的倾角改变值即为导光臂段2转动的角度值；此处，倾角传感器6的型号，可选地，例如为春草科技hvs128t；

如图6所示，测量滚轮7，与所述关节轴3外壁滚动接触，其能够通过摩擦跟随导光臂段2、关节轴3的转动而转动，并将转动信息传送至光电编码器8；其中，滚动接触，既包括光滑滚动接触，也包括齿轮滚动接触；因此，测量滚轮7，可为滚轮，还可为齿轮；

光电编码器8，与所述测量滚轮7相配接，用于对测量滚轮7传送的转动信息进行采集，并运算出导光臂段2的转动角度；此处，光电编码器8可利用夹具固定在关节轴3上；此处，光电编码器8的型号，可选地，例如为欧姆龙e6g2；

当导光臂段2转动时，通过摩擦带动测量滚轮7转动，而测量滚轮7与光电编码器8相配接，使得测量滚轮7的转动传递至光电编码器8，光电编码器8再对转动信息进行采集，并运算出导光臂段2的转动角度。

在任一优选的实施例中，所述锁紧装置9包括：电机10和与所述电机10输出轴相连接的限位滚轮11；所述限位滚轮11与所述关节轴3外壁滚动接触；或，

所述锁紧装置9包括：驱动装置12和与所述驱动装置12相连接的刹车卡钳装置13；所述刹车卡钳装置13与所述关节轴3相配接。

在本实施例中，如图5所示，电机10，用于为限位滚轮11停止转动提供驱动力；此处，电机10的型号，可选地，例如为运控60步进电动机；

限位滚轮11，与所述电机10输出轴相连接，且其与所述关节轴3外壁滚动接触，对关节轴3起到固定作用，进而实现固定导光臂段2；其中，滚动接触，既包括光滑滚动接触，也包括齿轮滚动接触；因此，限位滚轮11，可为滚轮，还可为齿轮；

当导光臂段2在转动时，电机10不通电，电机10、限位滚轮11可自由转动；当导光臂段2转动至所需位置而需要锁紧固定时，电机10通电，其输出轴使得限位滚轮11不再自由转动，而由电机10控制限位滚轮11，限位滚轮11通过与关节轴3产生摩擦，将关节轴3固定，进而将导光臂段2固定；

如图7所示，驱动装置12，用于为刹车卡钳装置13拉紧其内部的刹车线提供驱动力，此处，驱动装置12的类型，可选地，例如为电机，其型号，例如为运控60步进电动机；

其中，驱动装置12还可以为丝杠、液压装置等机械方式，还可以为脚踏板等人力方式；

刹车卡钳装置13，与所述驱动装置12相连接，且其与所述关节轴3相配接，对关节轴3起到固定的作用，进而固定导光臂段2；其中，刹车卡钳装置13包括：卡钳、刹车片以及刹车线；

当导光臂段2需要被固定时，启动驱动装置12，驱动装置12可拉动刹车卡钳装置13的刹车线，进而带动卡钳内部摩擦片夹紧刹车片，从而实现对关节轴3的固定，进一步地，实现对导光臂段2的固定。

在任一优选的实施例中，所述关节轴3设置有活动连接的固定部和转动部；所述固定部的端部设有进光口26；所述转动部的端部设有出光口27，且其内置有反射镜28。

在本实施例中，如图8所示，关节轴3包括活动连接的固定部与转动部，以实现关节轴3的部分自由转动；

进光口26，设置在所述固定部的端部，用于将一个导光臂段2传输的光接收进关节轴3，以便将光有效的传输至下一个导光臂段2；

出光口27，设置在所述转动部的端部，用于将关节轴3内的光导出至下一个导光臂段2；

反射镜28，设置在所述转动部内部，用于将进光口26射入的光始终能够由出光口27导出；

关节轴3的转动部可自由转动，且反射镜28会随转动部的转动而转动，从而保证光由进光口26射入后，在任何转动角度下，均能够由出光口27射出。

在任一优选的实施例中，还包括：与所述导光臂1自由端连接的光声成像探头14；所述光声成像探头14内部设有超声模块；所述光声成像探头14一端设有连接凸起15，且其内设有与所述连接凸起15连通的输光道16；所述输光道16端口设有光窗17。

在本实施例中，如图9所示，光声成像探头14，与所述导光臂1自由端连接，用于进行超声成像或者光声成像；

其中，光声成像探头14的声透镜为白色，并且声透镜外侧贴有镀金属的化合物膜；

超声模块，设置在所述光声成像探头14内部，用于完成超声成像；其中，超声模块包括：超声换能器、转接电路以及声透镜；转接电路与超声换能器电连接，为现有技术中常见的电路，转接电路用于连接超声换能器和输出线缆，而声透镜在安装时紧贴超声换能器，起到声聚焦的作用；此处，超声换能器的外部还包裹有良好的电学屏蔽，能够屏蔽外部的信号，防止超声换能器受到外部干扰，还可以是在超声模块的整体电路外部设置金属屏蔽铜壳，同样能够实现屏蔽外部干扰的作用；声透镜的材质采用不吸收光的材料，以防止产生光声信号；

陀螺仪29和加速度计30，设置在所述光声成像探头14内部，用于测出角速度和加速度，以实现计算出光声成像探头在空间中的位置和方向，再通过与导光臂段2测出的数值进行融合，从而求出更精确的光声成像探头的位置和方向；

光声成像探头14中的陀螺仪29和加速度计30为辅助姿态测量装置，结合导光臂测量结果提升测量精度；

连接凸起15，设置在所述光声成像探头14一端，其内有螺纹，能够与所述导光臂段2的自由端连接；

输光道16，设置在所述光声成像探头14内部，且其与所述连接凸起15连通，用于传输光；

光窗17，设置在所述输光道16端口，用于将输光道16中的光射出。

在任一优选的实施例中，所述输光道16内相对靠近所述连接凸起15的一端设有工程漫射体18。

在本实施例中，工程漫射体18，设置在所述输光道16内相对靠近所述连接凸起15的一端，用于改变管的传播方向，使得光经工程漫反射体18后在射出光窗17时改变形态，例如：圆形光斑经工程漫反射体18后在射出光窗17时变为长方形光带；此外，工程漫反射体18还具有使光斑均匀的作用。

在任一优选的实施例中，所述光声成像探头14两侧还设有安装凸起19，用于安装耦合垫20。

在本实施例中，安装凸起19，设置在所述光声成像探头14两侧，用于安装耦合垫20；

耦合垫20，用于在出射光具有一定角度的情况下，使光路和声路耦合；例如：在同一个安装凸起19上固定耦合垫20，组成卡扣的形式，便于拆卸；并且由于激光器在出光时有一个噪声，加装耦合垫20后，噪声影响的区域为耦合垫区域，是非组织区域，因此，耦合垫20还具有一定的屏蔽激光噪声的作用。

在任一优选的实施例中还包括：控制系统；所述控制系统包括：信号连接的出光模块、数据采集系统模块21和控制模块22；

所述出光模块，用于向所述导光臂1发射光源；

所述数据采集系统模块21，用于接收光声成像探头14产生的光声信号，并且在每次采集时产生触发信号；

所述控制模块22，用于实时处理与显示接收的数据。

在本实施例中，控制系统，用于接收信号、处理信号以及信号的运算，从而控制导光臂1；

出光模块，用于向所述导光臂1发射光源；

数据采集系统模块21，用于接收光声成像探头14产生的光声信号，并且在每次采集时产生触发信号；此处，数据采集系统模块23的类型，可选地，例如为由xilinxkintex-7和max3485esa驱动芯片搭建；

其中，控制系统内还设置有辅助电路模块，且其与控制系统所用器件电连接，进而为所述控制系统提供电能和产生各个模块所需的时钟；此处，辅助电路模块包括电源模块和时钟模块，电源模块，用于为所述控制装置提供电能；时钟模块，用于产生各个模块所需的时钟；此处，电源模块的类型，可选地，例如为电源芯片，其型号，例如为lt3405；时钟模块的类型，可选地，例如为晶振+时钟buffer芯片，其型号，例如为si5341d-d-gm；

控制模块22，用于实时处理与显示接收的数据；此处，控制模块22的类型，可选地，例如为上位机，其型号，例如为联想thinkstationk。

在任一优选的实施例中，所述出光模块包括：信号连接的激光光源模块23和激光转换模块24；

所述激光光源模块23，与所述数据系统模块21信号连接，用于发射光源；

所述激光转换模块24，用于调谐所述激光光源模块23发出的光源，并发射出相干辐射光。

在本实施例中，激光光源模块23，与所述数据系统模块21信号连接，用于发射光源；此处，激光光源模块23的类型，可选地，例如为镭宝sgr激光器；

激光转换模块24，用于调谐所述激光光源模块23发出的光源，并发射出相干辐射光；此处，激光转换模块24的类型，可选地，例如为光学参量震荡器，其型号，例如为bb-pa-opo。

在任一优选的实施例中，还包括：与所述数据采集系统模块21、所述激光转换模块24分别信号连接的能量监控模块25；

所述能量监控模块25，用于监控所述激光转换模块24发出的相干辐射光的能量，并将此能量数据传输至所述数据采集系统模块21。

在本实施例中，能量监控模块25，用于监控所述激光转换模块24发出的相干辐射光的能量，并将此能量数据传输至所述数据采集系统模块21；此处，能量监控模块25的类型，可选地，例如为能量计，其型号，例如为索雷博es120c。

控制系统的具体工作过程如下：

数据采集系统产生触发信号，当其进行采集一帧光声图像时，其会发出一个脉冲信号(光声成像帧率在10hz，而采集一张图像仅仅需要数十微秒)；当上位机接收触发信号时，根据此时绝对值光电编码器发送的或者是根据其输出所记录的角度值，并根据各个导光臂段的长度，计算出光声成像探头的空间位置(或者两次成像之间的光声成像探头位置差)，并传输给上位机；上位机通过光声成像探头的姿态和运动状态判定结合成像部位，关闭激光并发出警报，以防止激光对受试者或操作者产生伤害，如：在探头模头朝向是水平线以上时，可认为探头为非检查姿态，上位机对激光器发出停止激光出光的指令；当探头沿任意方向加速度大于设定阈值(如0.5米每二次方秒)，可认为探头跌落，停止出光。

其中，

具体计算过程如下：

以三个导光臂段、三个关节轴为例，

三个导光臂段，分别为l1，l2，l3；

三个关节的角度，分别为a1，a2和a3；

a1为基座与l1的夹角，a2为l1与l2的夹角，a3为l2与l3的夹角。臂段l1、l2上两个关节轴之间的距离为l1、l2；l3段包含光声成像探头，从a3轴至l3段末端(探头末端)的距离是l3。

l1对应的向量是l2对应的向量是l3对应的向量是l3×sin(a1+a2+a3-360°))。探头的空间位置为探头的空间指向为

加速度计输出三个方向的加速度：ax,ay,az,

陀螺仪输出三个方向的角速度：wx,wy,wz,

设每次速度采样的周期为t，则：

δvx＝t×ax,δvy＝t×ay,δvz＝t×az,

δθx＝t×wx,δθy＝t×wy,δθz＝t×wz,

即可求得运动的方向与运动的速度。

再通过积分，求得两次光声图像采集之间的光声成像探头的位置差和方向差然后使用卡尔曼滤波算法，利用光声成像探头相对空间位置作为状态，导光臂段的测量作为转移条件，加速度计和陀螺仪的测量作为观测状态，计算出光声成像探头相对空间位置，传输至计算机。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。