一种适用于外周血管成像的光声成像系统及方法与流程

本发明涉及医学技术领域，具体涉及一种适用于外周血管成像的光声成像系统及方法。

背景技术：

外周血管疾病(peripheralvasculardisease，pvd)是指影响除心脏和颅内之外的动脉、静脉和淋巴循环的各种病理生理学综合征，被业内称为“心脏以外的心脏病”，对心脑血管疾病有潜在致病作用。

根据人体临床症状、体征和特殊检查进行周围血管疾病的诊断并不困难，如进行超声筛查、核磁共振成像、血管造影成像。但是，超声成像技术尚不能准确清晰显示微小血管病变，核磁共振成像采用射线会对人体造成一定伤害，血管造影成像的辐射和造影剂的应用会对人体造成一定程度伤害。

因此，如何提出一种系统，能够提高对血管成像的安全性成为业界亟待解决的重要课题。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种适用于外周血管成像的光声成像系统及方法。

一方面，本发明提出一种适用于外周血管成像的光声成像系统，包括触发器、激光器、扫描探头、机械臂、多通道数据采集卡和上位机，其中：

所述触发器分别与所述激光器和所述多通道数据采集卡相连；所述扫描探头包括光纤束、超声换能器和夹持器，所述光纤束包括多根光纤，所述光纤束的一端与所述激光器相连另一端平均一分二被所述夹持器对称地固定在所述超声换能器的两侧，以实现声光共轴；所述光纤束用于将所述激光器产生的激光照射到待扫描目标产生光声信号，所述超声换能器用于接收所述光声信号；所述扫描探头可拆卸地安装在所述机械臂上，所述机械臂用于带动所述扫描探头对所述待扫描目标进行扫描；所述多通道数据采集卡分别与所述超声换能器和所述上位机相连。

其中，所述夹持器包括三个安装孔，其中两个安装孔分别安装所述平均分成两部分的多根光纤，另一个安装孔安装所述超声换能器，所述两个安装孔关于所述另一个安装孔对称设置。

其中，所述系统还包括：所述触发器与所述超声换能器相连，所述超声换能器还用于产生和接收超声信号。

其中，所述激光器采用多种波长脉冲激光器。

其中，所述夹持器采用3d打印技术制造。

其中，所述激光器通过光纤耦合器与所述光纤束相连。

其中，所述光纤束包括128根光纤。

其中，所述超声换能器为线性阵列超声换能器。

另一方面，本发明提出一种采用上述任一实施例所述的光声成像系统的适用于外周血管成像的光声成像方法，包括：

激光器发射激光，同时向触发器发送第一触发信号；

所述触发器接收到所述第一触发信号后向多通道数据采集卡发送采集信号；

所述激光通过所述光纤束照射到待扫描目标产生光声信号；

超声换能器接收所述光声信号；

所述多通道数据采集卡根据所述采集信号采集所述超声换能器接收到的光声信号，并将所述光声信号发送至上位机；

所述上位机基于所述光声信号对所述待扫描目标进行成像。

再一方面，本发明提出一种采用上述任一实施例所述的光声成像系统的适用于外周血管成像的多模态光声成像方法，包括：

激光器发射激光，同时向触发器发送第一触发信号；

所述触发器接收到所述第一触发信号后向多通道数据采集卡发送采集信号，并在发送所述采集信号预设时间后，向超声换能器发送第二触发信号；

所述激光通过光纤束照射到待扫描目标产生光声信号；

所述超声换能器接收所述光声信号；在接收到所述第二触发信号后，向待扫描目标发射超声信号，并接收反射的超声信号；

所述多通道数据采集卡根据所述采集信号采集所述超声换能器接收到的所述光声信号和所述反射的超声信号，并将所述光声信号和所述反射的超声信号发送至上位机；

所述上位机基于所述光声信号和所述反射的超声信号对所述待扫描目标进行多模态成像。

本发明提供的适用于外周血管成像的光声成像系统及方法，通过激光器发射激光，同时向触发器发送触发信号，使触发器向多通道数据采集卡发送采集信号，激光通过光纤束照射待扫描目标产生光声信号，多通道数据采集卡根据采集信号采集超声换能器接收的光声信号，并将光声信号传输到上位机成像，实现了对外周血管的形态学定位和功能代谢成像，提高了对外周血管成像的安全性和准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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为本发明一实施例适用于外周血管成像的光声成像系统的结构示意图；

图2为本发明一实施例适用于外周血管成像的光声成像方法的流程示意图；

图3为本发明另一实施例适用于外周血管成像的多模态光声成像方法的流程示意图；

附图标记说明：

1-触发器；2-激光器；

3-上位机；4-扫描探头；

5-机械臂；6-多通道数据采集卡；

41-光纤束；42-超声换能器；

43-夹持器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

光声成像是近年来蓬勃兴起的一种基于生物组织内部的光学吸收特性差异，以光声作为信息载体的新型无损生物医学成像方法，具备纯光学成像的高对比度特性和纯超声成像的深穿透特性。光声成像通过探测生物组织中的光吸收体因瞬时热弹效应而产生的光声信号，以声波代替光学成像中的光子检测，从原理上避开了光学散射的影响，突破了高分辨率光学成像深度“软极限”(约1mm)，可实现深度达7cm的深层组织活体成像。光声成像不仅具备极其灵敏的光吸收对比来获取生物组织的功能信息，而且能够对深层组织进行跨尺度高分辨成像。

图1为本发明一实施例适用于外周血管成像的光声成像系统的结构示意图，如图1所示，本发明提供的适用于外周血管成像的光声成像系统，包括触发器1、激光器2、扫描探头4、机械臂5、多通道数据采集卡6和上位机3，其中：

触发器1分别与激光器2和多通道数据采集卡6相连；扫描探头4包括光纤束41、超声换能器42和夹持器43，光纤束41包括多根光纤，光纤束41的一端与激光器2相连，另一端平均一分二被夹持器43对称地固定在超声换能器42的两侧，以实现声光共轴；光纤束41用于将激光器2产生的激光照射到待扫描目标产生光声信号，超声换能器42用于接收所述光声信号；扫描探头4可拆卸地安装在机械臂5上，机械臂5用于带动扫描探头4进行扫描动作；多通道数据采集卡6分别与超声换能器42和上位机3相连。

激光器2发出激光，同时向触发器1发送第一触发信号，所述激光通过光纤束41照射到所述待扫描目标，所述待扫描目标为需要进行光声成像的对象，例如可以是人体的四肢，所述激光照射到所述待扫描目标后，能够产生光声信号，超声换能器42可以接收所述光声信号。触发器1用于在接收到激光器2的第一触发信号后，开启多通道数据采集卡6，使多通道数据采集卡6采集超声换能器42接收到的所述光声信号。其中，触发器1采用fpga电路板，一方面能够将所述第一触发信号拓宽至us级别发送至多通道数据采集卡6，使多通道数据采集卡6能够采集所述光声信号，另一方面拓展脉冲宽度延时1ms输出，触发进而控制超声换能器发射超声波，采集超声信号；激光器2可以采用532-1064nm多波长可调脉冲激光器，最大激光脉冲能量：80mj；工作能量：20mj/cm²以下，符合ansi安全标准。

夹持器43用于固定光纤束41和超声换能器42的相对位置，进而实现声光共轴，例如光纤束41包括128根光纤，平均分为两组光纤各64根，所述两组光纤通过夹持器43对称地固定到超声换能器42的两侧，所述两组光纤束产生的光斑分别照射到所述待扫描目标，从而能够实现声光共轴，保证了超声换能器42可以接收到效果良好的光声信号。其中，超声换能器42可以采用中心频率5-30mhz，垂直面焦距20±4mm，支持编码激发模式，支持所有扫描格式。

机械臂5可以实现扫描探头4在三维空间中的精确定位，机械臂5可以采用六轴机械臂和交流伺服电机控制，使机械臂5能够根据待扫描目标的几何形状和位置，带动扫描探头4进行精确扫描。例如，机械臂5可以在半径为850mm的空间范围内六个自由度运动，其运动精度0.1mm，单轴最大运动速度1m/s，通过编程实现运动轨迹的控制，使机械臂5完成二维或三维运动。机械臂5可以由上位机3控制。

多通道数据采集卡6用于从超声换能器42采集到所述光声信号，多通道数据采集卡6可以通过pci插槽与上位机3相连，并将采集到的所述光声信号发送至上位机3。上位机3用于基于所述光声信号可以对所述待扫描目标进行断层或者三维成像，成像深度最大可达10cm，成像空间分辨率不低于1mm。其中，多通道数据采集卡6可以采用多路复用32路模拟输入，传输速度500ks/s，16位分辨率，信号幅值±10v，内置滤波放大模块，可以实现高通和低通滤波，电压放大倍数±40db；上位机3采用pc机，安装有相应的成像软件，可以实时显示、存储及回放基于所述光声信号产生的图像。

下面对本发明提供的适用于外周血管成像的光声成像系统的工作流程进行说明：

激光器2发射激光，同时向触发器1发射第一触发信号，触发器1接收到所述第一触发信号后向多通道数据采集卡6发射采集信号，所述激光通过光纤束41照射到待扫描目标产生光声信号，超声换能器42接收所述光声信号，多通道数据采集卡6接收到所述采集信号后采集超声换能器42接收到的光声信号，并将所述光声信号发送至上位机3，上位机3根据所述光声信号对所述待扫描目标进行断层或者三维成像。

本发明提供的适用于外周血管成像的光声成像系统能够对血流、血氧、氧代谢等重要生理参数进行无标记的定量高分辨率功能成像，同时能够避免采用造影剂和x射线成像对人体造成的伤害。本发明提供的适用于外周血管成像的光声成像系统，通过激光器发射激光，同时向触发器发射触发信号，使触发器向多通道数据采集卡发射采集信号，激光通过光纤束照射待扫描目标产生光声信号，多通道数据采集卡根据采集信号采集超声换能器接收的光声信号，并将光声信号传输到上位机成像，提高了对血管成像的安全性和准确性。

在上述各实施例的基础上，进一步地，夹持器43包括三个安装孔，其中两个安装孔分别安装所述一分二光纤，另一个安装孔安装超声换能器42，所述两个安装孔关于所述另一个安装孔对称设置。

具体地，为了保证声光共轴，需要将所述一分二光纤对称地安装到超声换能器42的两侧，夹持器43可以设置三个安装孔，其中两个安装孔关于另一个安装孔对称设置，所述另一个安装孔用于固定安装超声换能器42，所述两个安装孔安装所述一分二光纤。

在上述各实施例的基础上，进一步地，所述系统还包括：触发器1与超声换能器42相连，超声换能器42还用于产生和接收超声信号。

具体地，超声换能器42还能够向所述待扫描目标发出超声信号，并接受所述待扫描目标反射的超声信号，超声换能器42与触发器1相连，在接收触发器1发出的超声触发信号后，发出所述超声信号。

在上述各实施例的基础上，进一步地，激光器2采用多种波长脉冲激光器，例如532-1064nm多波长可调的脉冲激光器。选择适当波长的激光依次照射所述待扫描目标，利用不同成分在不同波长的激光照射下光吸收系数不同，由不同波长的激光激发获得的光声信号有差异，从而可以获得多种参数的功能成像。

在上述各实施例的基础上，进一步地，夹持器43采用3d打印技术制造。

在上述各实施例的基础上，进一步地，激光器2通过光纤耦合器与光纤束41相连。

在上述各实施例的基础上，进一步地，光纤束41包括128根光纤。

在上述各实施例的基础上，进一步地，超声换能器42为线性阵列超声换能器。

图2为本发明一实施例适用于外周血管成像的光声成像方法的流程示意图，如图2所示，采用上述任一实施例所述的光声成像系统的适用于外周血管成像的光声成像方法，包括：

s201、激光器发射激光，同时向触发器发送第一触发信号；

具体地，在上述任一实施例所述的光声成像系统准备完成进行光声成像后，开启激光器发射激光，并向触发器发送第一触发信号。

s202、所述触发器接收到所述第一触发信号后向多通道数据采集卡发送采集信号；

具体地，所述触发器会接收所述第一触发信号，并在接收到所述第一触发信号后，向多通道数据采集卡发送采集信号。

s203、所述激光通过所述光纤束照射到待扫描目标产生光声信号；

具体地，所述激光通过与所述激光器相连的光纤束照射到待扫描目标上，从而产生光声信号。

s204、超声换能器接收所述光声信号；

具体地，在光声信号产生后，所述超声换能器接收所述光声信号。

s205、所述多通道数据采集卡根据所述采集信号采集所述超声换能器接收到的光声信号，并将所述光声信号发送至上位机；

具体地，所述多通道数据采集卡可以接收所述采集数据的信号，并在接收所述采集数据的信号后，对所述超声换能器进行光声信号采集，在采集到所述光声信号后，将所述光声信号发送至上位机。

s206、所述上位机基于所述光声信号对所述待扫描目标进行成像。

具体地，所述上位机接收到所述光声信号后，根据反投影重建算法对所述待扫描目标进行断层或者三维成像。

本发明提供的适用于外周血管成像的光声成像方法能够基于血红蛋白自身的光吸收，对血流、血氧、氧代谢等重要生理参数进行无标记的定量高分辨率功能成像，提高了对外周血管成像的准确性，同时能够避免采用造影剂和x射线成像对人体造成的伤害。本发明提供的适用于外周血管成像的光声成像方法，通过激光器发射激光，同时向触发器发射触发信号，使触发器向多通道数据采集卡发射采集信号，激光通过光纤束照射待扫描目标产生光声信号，多通道数据采集卡根据采集信号采集超声换能器接收的光声信号，并将光声信号传输到上位机成像，实现了对外周血管的形态学定位和功能代谢成像，提高了对外周血管成像的安全性和准确性。

图3为本发明另一实施例适用于外周血管成像的多模态光声成像方法的流程示意图，如图3所示，在上述实施例的基础上，进一步地，本发明提供的适用于外周血管成像的多模态光声成像方法包括：

s301、激光器发射激光，同时向触发器发送第一触发信号；

具体地，在上述任一实施例所述的光声成像系统准备完成进行光声成像后，开启激光器发射激光，并向触发器发送第一触发信号。

s302、所述触发器接收到所述第一触发信号后向多通道数据采集卡发送采集信号，并在发送所述采集信号预设时间后，向超声换能器发送第二触发信号；

具体地，所述触发器会接收到所述第一触发信号，并在接收到所述第一触发信号后，向多通道数据采集卡发送采集信号，在发送所述采集信号预设时间后，向超声换能器发送第二触发信号。其中，所述预设时间根据实际情况进行设置，本发明实施例不做限定。

s303、所述激光通过光纤束照射到待扫描目标产生光声信号；

具体地，所述激光通过与所述激光器相连的光纤束照射到待扫描目标上，从而产生光声信号。

s304、所述超声换能器接收所述光声信号；在接收到所述第二触发信号后，向待扫描目标发射超声信号，并接收反射的超声信号；

具体地，在光声信号产生后，所述超声换能器接收所述光声信号。所述超声换能器会接收所述第二触发信号，并在接收到所述第二触发信号后，向所述待扫描目标发射超声信号。所述待扫描目标可以对所述超声信号进行反射，所述超声换能器可以接收到反射的超声信号。

s305、所述多通道数据采集卡根据所述采集信号采集所述超声换能器接收到的所述光声信号和所述反射的超声信号，并将所述光声信号和所述反射的超声信号发送至上位机；

具体地，所述多通道数据采集卡接收所述采集信号，并在接收所述采集信号后，对所述超声换能器进行所述光声信号和所述反射的超声信号的采集，并将采集到的所述光声信号和所述反射的超声信号发送至上位机。

s306、所述上位机基于所述光声信号和所述反射的超声信号对所述待扫描目标进行多模态成像。

具体地，所述上位机接收到所述光声信号和所述反射的超声信号后，可以根据所述反射的超声信号对所述待扫描目标进行超声定位，并根据所述光声信号进行高分辨率功能成像，从而实现对所述待扫描目标的多光谱双模态断层或者三维成像。所述上位机还可以将所述超声成像和所述光声成像的图像进行融合。

本发明提供的适用于外周血管成像的多模态光声成像方法，同时采用超声信号和光声信号对待扫描目标进行成像，有利于快速获得待扫描目标的空间分布和进行形态学准确定位。

本发明方法实施例的具体流程可以参照上述各系统实施例的介绍，此处不再赘述。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。