光声成像夹具及其应用的光声成像装置的制作方法

本发明涉及光声成像领域的技术方案，特别涉及一种光声成像夹具及其应用的光声成像装置。

背景技术：

光声成像技术，因其兼具光学成像高对比度与超声成像高分辨率的优势，已经受到广泛的关注，发展尤为迅速。其高对比度的机理，在于不同组成成分的生物组织对光有不同程度的吸收。基于此机理，通过光声成像技术可以获得生物体化学组分和生理功能等信息，与超声成像技术所获取的组织结构信息相辅相成。多种不同类型的光声成像设备已经被研制出来，被应用于多个医学领域，如早期肿瘤检测、血管内易损斑块的检测、针穿刺引导的乳腺癌前哨淋巴结活检等等。近些年来，有研究组利用现有的临床医用超声成像设备及其手持式探头进行光声成像的搭建，该种技术的优点在于能够充分利用临床超声探头便于操作的特性，进行身体不同部位和深度的光声探测。此外，在此基础上，系统原有的超声成像也能够进行保留，两种模态能够自动匹配重合，形成光声/超声的双模态成像系统，更易于被临床医生所接受。现已有多种方式可以实现将激发光传送至目标组织位，包括明场照明与暗场照明，都需要使用不同形状和功能的夹具来实现光学元器件以及超声探头的固定作用。明场照明指的是在探测目标物表面，激发光光斑与超声探测重合，而暗场照明时，两者是不重合的。机械夹具设计的难点主要在于：第一要在不显著增加超声探头尺寸的情况下，高效地进行光的传送，因此需要该机械夹具足够的简洁；第二，需要保留超声探头与组织的高阻抗匹配特性，同时在明场照明中，需要使得光路不受污染，因此需要探头机械夹具有较好的密封性；第三，需要尽量降低制作成本，而保留其设计变化的灵活性。

当前基于手持式超声探头阵列的光声成像系统中，其光声/超声双模态探头夹具的设计主要有二种：

第一种是激发光从光源出射，通过光纤束后被分成两个相似圆形光斑。机械夹具将光纤束出射端及超声探头整合，使得照射光斑位于超声探头阵元两侧，光和声的汇聚点产生于组织内部。此种设计中，机械夹具需要同时固定超声探头及其两侧的光纤束在一定的相对的角度，其尺寸受限于光纤束以及这个相对角度的大尺寸，通常难以做的小巧简洁，使得医生的操作十分不便。另一方面，由于光线束的出光端面没有受到任何防水保护，超声胶或者水黏着后很容易造成光纤端面的污染，减少其使用寿命，并破坏原有较好的光斑形状。

第二种设计是通过设计l型机械夹具，将光路与超声探头耦合。此种夹具设计采用明场照明的方式，能够较好地耦合入射光和超声探头。夹具总共分为三个大部分。其左侧第一部分主要是用来安装透镜组，右侧第二部分用来固定超声探头，而第三部分用来进行光声和超声部分的耦合，需要在其内部安装一个透光反声的棱镜。此外由于超声需要与组织进行耦合，需要在第三部分中填满水。其中第二和第三部分为了安装方便又分为两个子部件，两个部件通过螺丝钉连接。其主要缺点在于：第一，探头夹具设计复杂，尺寸比较大，不利于临床转化；第二，填充在第三部分的水很容易流入光路部分，污染光路及光学元件，影响光斑质量；第三，用该夹具进行元件安装时，超声探头是侧放的，这对惯于使用正置探头的医生来说，并不方便。

综上可知，两种方式均无法保证光斑质量，严重影响了光声成像的效果。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种光声成像夹具和光声成像装置，以解决现有技术无法保证光斑质量的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光声成像夹具，包括外壳、光声耦合机构和第一防水件；所述外壳包括两个相对拼接的壳体，每个所述壳体均设有第一凹腔和第二凹腔，两个所述第一凹腔围成有第一容纳腔，两个所述第二凹腔围成有第二容纳腔，所述第一容纳腔与所述第二容纳腔并排布置，所述第一容纳腔和所述第二容纳腔均与所述外壳的第一端导通；所述光声耦合机构与所述外壳的第一端联接，所述光声耦合机构同时与所述第一容纳腔、所述第二容纳腔相对布置；所述第一防水件设于两个所述壳体的抵接处，所述第一防水件用于对所述第一容纳腔与所述第二容纳腔之间实现防水隔离。

其中，所述光声耦合机构包括第一反射镜和第二反射镜；所述第一反射镜与所述第一容纳腔相对布置，所述第一反射镜的反射面朝向所述第一容纳腔外；所述第二反射镜与所述第二容纳腔相对布置，所述第二反射镜的反射面同时与所述第一反射镜的反射面、所述第二容纳腔相对。

其中，所述第一反射镜的反射面与所述第二反射镜的反射面平行相对。

其中，所述第一反射镜的反射面与所述第一容纳腔中心轴向的夹角为45°，所述第二反射镜的反射面与所述第二容纳腔中心轴向的夹角为45°。

其中，所述光声耦合机构还包括有机玻璃，所述有机玻璃同时与所述第一容纳腔、所述第二容纳腔相对布置，所述第一反射镜和所述第二反射镜设于所述有机玻璃内部。

其中，所述第二容纳腔内设有平凸柱透镜和平凹柱透镜，所述平凸柱透镜包括相对布置的一凸面和一平面，所述平凹柱透镜包括相对布置的一凹面和一平面，所述平凹柱透镜置于所述平凸柱透镜与所述第二反射镜之间，所述平凹柱透镜的平面与所述第二反射镜的反射面相对布置，所述平凹柱透镜的凹面与所述平凸柱透镜的平面相对布置。

其中，所述光声成像夹具还包括第二防水件，所述第二防水件设于所述外壳第一端的端面与所述光声耦合机构之间，所述第二防水件具备两个环状结构，一个所述环状结构围绕所述第一容纳腔的端口布置，另一个所述环状结构围绕所述第二容纳腔的端口布置。

其中，所述第一防水件的一端延伸至所述外壳的第一端，并与所述第二防水件相接，所第一防水件的另一端远离所述外壳的第二端端面；所述光声成像夹具还包括第三防水件，所述第三防水件设于所述第一容纳腔内，且所述第三防水件设于第一防水件的两端之间，所述第三防水件围绕所述第一容纳腔内壁布置为环状，所述第三防水件用于在所述第一容纳腔装入超声探头后，在所述第一容纳腔内分隔形成储液腔。

其中，至少一个所述壳体的端部开设有注水孔，所述注水孔与所述储液腔导通，所述防水件的一部分遮挡于所述注水孔与所述储液腔之间。

一种光声成像装置，包括超声探头、光纤和上述的光声成像夹具，所述超声探头设于所述第一容纳腔内，所述光纤设于所述第二容纳腔内，所述超声探头和所述光纤的发射端均朝向所述光声耦合机构。

本发明的有益效果如下：

在使用过程中，需要将超声探头放置于第一容纳腔内，将光纤放置于第二容纳腔内，并在第一容纳腔内注水，但由于所述第一防水件设于两个所述壳体的抵接处，所述防水件用于对所述第一容纳腔与所述第二容纳腔之间实现防水隔离，所以第一容纳腔内的水无法渗漏至第二容纳腔内，从而避免影响光斑的质量，为光声成像的质量提供了重要保障。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明优选实施方式提供的结构示意图；

图2是本发明优选实施方式提供的第一防水件、第二防水件和第三防水件的组装关系示意图；

图3是本发明优选实施方式提供的定位槽结构示意图。

附图标记如下：

1、超声探头；

2、光纤；

3、光声耦合机构；31、第一反射镜；32、第二反射镜；33、有机玻璃；

41、第一防水件；42、第二防水件；43、第三防水件；

5、平凸柱透镜；

6、平凹柱透镜；

7、壳体；

8、储液腔；

9、注水孔；

10、定位槽；101、凸条。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。

从图1至3可知，本发明实施方式所述的光声成像夹具，包括外壳、光声耦合机构3和第一防水件41；所述外壳包括两个相对拼接的壳体7，每个所述壳体7均设有第一凹腔和第二凹腔，两个所述第一凹腔围成有第一容纳腔，两个所述第二凹腔围成有第二容纳腔，所述第一容纳腔与所述第二容纳腔并排布置，所述第一容纳腔和所述第二容纳腔均与所述外壳的第一端导通；所述光声耦合机构3与所述外壳的第一端联接，所述光声耦合机构3同时与所述第一容纳腔、所述第二容纳腔相对布置；所述第一防水件41设于两个所述壳体7的抵接处，所述第一防水件41用于对所述第一容纳腔与所述第二容纳腔之间实现防水隔离。

以图1所示为参考，壳体7包括左侧边缘、中部边缘(图中未示出)和右侧边缘，壳体7的左侧边缘与中部边缘之间为第一凹腔，壳体7中部边缘与右侧边缘之间为第二凹腔，而第一防水件41将同时设于壳体7的左侧边缘、中部边缘和右侧边缘的表面，当两个壳体7拼接为一体后，便能对第一防水件41进行夹持固定，并在外壳的左侧形成第一容纳腔，在外壳的右侧形成第二容纳腔，其中，使用过程大致如下：

1、将超声探头1放置于第一容纳腔内，将光纤2放置于第二容纳腔内，且保持超声探头1和光纤2的发射端均朝向光声耦合机构3；

2、在第一容纳腔内注水，使得水位能够淹盖超声探头1的发射端；

3、超声探头1发出声波，光源经光纤2的发射端射出，两者在光声耦合机构3内汇聚、耦合，并射至需要进行光声成像的组织内。

由于第一防水件41对第一容纳腔与第二容纳腔之间实现了防水隔离，所以第一容纳腔内的水无法渗漏至第二容纳腔内，从而避免影响光斑的质量，为光声成像的质量提供了重要保障；另外，从图1可知，在使用过程中，第一容纳腔内的水仅需淹没超声探头1的发射端便可，所以第一防水件41的长度可以适当减短，无需同时延伸至外壳的两端。

本发明实施方式所述光声成像夹具的一种改进可如图1所示，所述光声耦合机构3包括第一反射镜31和第二反射镜32；所述第一反射镜31与所述第一容纳腔相对布置，所述第一反射镜31的反射面朝向所述第一容纳腔外；所述第二反射镜32与所述第二容纳腔相对布置，所述第二反射镜32的反射面同时与所述第一反射镜31的反射面、所述第二容纳腔相对。

其工作过程大致如下：

1、超声探头1发出声波，光源的光线经光纤2的发射端射出；

2、声波沿超声探头1的输出路径发出；

3、光源的光线射至第二反射镜32的反射面上，并反射至第一反射镜31的反射面上，然后沿超声探头1输出路径的延伸方向射出，并与声波产生耦合。

经过第一反射镜31与第二反射镜32的共同作用，使得光源最终的射出路径与超声探头1的输出路径一致，所以声波将与光源产生相遇、重叠，以此实现声波与光源的耦合。

本发明实施方式所述光声成像夹具的一种改进可如图1所示，所述第一反射镜31的反射面与所述第二反射镜32的反射面平行相对。

以图1所示方向为参考，假定此时光源经光纤2的发射端射出，其射出方向垂直于水平方向，根据入射角等于反射角的原理可知，在第一反射镜31的反射面与第二反射镜32的反射面平行相对的情况下，光源能够保持以垂直于水平方向的角度射出，即在进行光声成像时，光声成像装置能够保持正放角度进行探测，为医生的操作带来极大的便利。

需要指出，第一反射镜31和第二反射镜32的倾斜角度会影响光源的反射方向，为保证第一反射镜31能够从第二反射镜32处接收光源，需调节两者在垂直方向上的距离，即第一反射镜31和第二反射镜32的倾斜角度将影响光声耦合机构3的厚度。

本发明实施方式所述光声成像夹具的一种改进可如图1所示，所述第一反射镜31的反射面与所述第一容纳腔中心轴向的夹角为45°，所述第二反射镜32的反射面与所述第二容纳腔中心轴向的夹角为45°。

以图1所示方向为参考，假定此时光源经光纤2的发射端射出，其射出方向垂直于水平方向，根据入射角等于反射角的原理可知，在第一反射镜31的反射面与第二反射镜32的反射面保持45°倾斜布置的情况下，光源将以水平方向从第二反射镜32反射至第一反射镜31，使得第一反射镜31和第二反射镜32布置在同一水平面内，减少光声耦合机构3的占用空间，为缩小设备体积提供了重要帮助。

本发明实施方式所述光声成像夹具的一种改进可如图1所示，所述光声耦合机构3还包括有机玻璃33，所述有机玻璃33同时与所述第一容纳腔、所述第二容纳腔相对布置，所述第一反射镜31和所述第二反射镜32设于所述有机玻璃33内部。

有机玻璃33的面积可以设置为与外壳端口的面积相一致，并与外壳的端口相对布置，以保证超声探头1发出的声波、以及从光纤2射出的光源均能经过有机玻璃33射出；另外，由于有机玻璃33是目前最优良的高分子透明材料，透光率达到92％，比玻璃的透光度高，能够减少光源射出时的损耗；再者，有机玻璃33具有良好的综合力学性能，能对其内部的第一反射镜31和第二反射镜32进行保护，为提高光声成像装置的使用寿命提供了重要帮助。

本发明实施方式所述光声成像夹具的一种改进可如图1所示，所述第二容纳腔内设有平凸柱透镜5和平凹柱透镜6，所述平凸柱透镜5包括相对布置的一凸面和一平面，所述平凹柱透镜6包括相对布置的一凹面和一平面，所述平凹柱透镜6置于所述平凸柱透镜5与所述第二反射镜32之间，所述平凹柱透镜6的平面与所述第二反射镜32的反射面相对布置，所述平凹柱透镜6的凹面与所述平凸柱透镜5的平面相对布置。

当光源从光纤2的发射端射出时，光源会依次穿过平凸柱透镜5的凸面和平面、平凹柱透镜6的凹面和平面，以此将光纤2发射出的圆形光展宽成和超声探头1探测区域匹配的矩形细长光斑，提高光声成像的质量。

本发明实施方式所述光声成像夹具的一种改进可如图1和2，所述光声成像夹具还包括第二防水件42，所述第二防水件42设于所述外壳第一端的端面与所述光声耦合机构3之间，所述第二防水件42具备两个环状结构，一个所述环状结构围绕所述第一容纳腔的端口布置，另一个所述环状结构围绕所述第二容纳腔的端口布置。

参考附图1和2可知，在使用过程中，第二防水件42的左右两侧均具有一个环状结构，置于左侧的环状结构将围绕第一容纳腔的端口周边布置，置于右侧的环状结构将围绕第二容纳腔的端口周边布置，即通过第二防水件42进一步加强第一容纳腔与第二容纳腔的防水隔离，所以第一容纳腔内的水无法经外壳与光声耦合机构3的连接处渗漏至第二容纳腔，，从而避免影响光斑的质量，为光声成像的质量提供了重要保障。

本发明实施方式所述光声成像夹具的一种改进可如图1和2，所述第一防水件41的一端延伸至所述外壳的第一端，并与所述第二防水件42相接，所第一防水件41的另一端远离所述外壳的第二端端面；所述光声成像夹具还包括第三防水件43，所述第三防水件43设于所述第一容纳腔内，且所述第三防水件43设于第一防水件41的两端之间，所述第三防水件43围绕所述第一容纳腔内壁布置为环状，所述第三防水件43用于在所述第一容纳腔装入超声探头1后，在所述第一容纳腔内分隔形成储液腔8。

从图1可知，在使用过程中，第一容纳腔内的水仅需淹没超声探头1的发射端便可，所以第一防水件41的长度可以适当减短，无需同时延伸至外壳的两端；另外，当在第一容纳腔内装入超声探头1后，布置为环状的第三防水件43将与超声探头1的外壁贴合，以此在第一容纳腔内分隔形成储液腔8，从图1可知，由于储液腔8的体积远小于第一容纳腔的体积，只需注入较少的水量便可保证淹盖超声探头1的发射端，而且储液腔8与第一容纳腔防水隔离，也避免储液腔8会渗水至第一容纳腔内，保持超声探头1时刻处于被淹盖的状态，为光声成像的质量提供了保证。

另外，图1所示的第一防水件41为弧形，图2所示的第一防水件41为条形，具体是因为第一防水件41可由橡胶等软性材质制成，在安装过程中能够对第一防水件41进行弯曲，以此匹配需要进行安装为位置，同理，第二防水件42和第三防水件43亦是如此。

更进一步的，为了加强对第一防水件41、第二防水件42和第三防水件43的固定，可以在壳体7相应的位置设置定位槽10，将对应的防水件嵌入定位槽10内便可，如图3所示，还可在定位槽10的槽底设置设置凸条101，凸条101沿定位槽10的延伸方向布置，假定需要对第一防水件41进行固定，当两个壳体7和光声耦合机构3组装为一体后，凸条101将嵌入第一防水件41内，通过挤压力能够固定防水条的位置，并增加第一防水件41与壳体7间的贴合程度，避免穿过第一防水件41产生渗漏，同理，第二防水件42和第三防水件43亦是如此。

本发明实施方式所述光声成像夹具的一种改进可如图1所示，至少一个所述壳体7的端部开设有注水孔9，所述注水孔9与所述储液腔8导通，所述防水件4的一部分遮挡于所述注水孔9与所述储液腔8之间。

在使用过程中，通过注水孔9可以对储液腔8进行注水，譬如使用针管穿过注水孔9、防水件4，使得针管插入至储液腔8内，然后在储液腔8内注水，注水完毕后，取出针管，防水件4便因弹性形变自动对注水孔9进行堵塞，从而避免注水孔9出现渗水现象；其中，可以根据需要，选择不同的软胶、软垫作为防水件4，只要能通过弹性抵接填塞各种缝隙，避免出现渗水现象便可。

从图1可知，本发明实施方式所述的光声成像装置，包括超声探头1、光纤2和上述的光声成像夹具，所述超声探头1设于所述第一容纳腔内，所述光纤2设于所述第二容纳腔内，所述超声探头1和所述光纤2的发射端均朝向所述光声耦合机构3。

具体的，还可以使得超声探头1的输出路径与光纤2的输出路径相互平行，此时第一容纳腔的两侧可以设置为贴近超声探头1的侧壁，第二容纳腔的两侧可以设置为贴近光纤2的侧壁，即第一容纳腔的横向占用空间与超声探头1的宽度一致，第二容纳腔的横向占用空间与光纤2的宽度一致，使得外壳的体积能够趋于最小化，为缩小设备体积提供了重要帮助。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。