一种无创脑功能成像头盔及成像方法与流程

本发明涉及医疗成像设备技术领域，尤其是涉及一种无创脑功能成像头盔及成像方法。

背景技术：

光声成像是近年来新兴发展的一种成像方法，可实现对组织物理化学性质的成像。它结合了纯光学成像的高对比度和纯超声学的高穿透性的优点，可以提供高对比度和高轴向分辨率，在功能成像领域具有广泛的应用前景。

如果可以实现超声和光声的双模态的同时检测，进而成像，那么既可以提供较高分辨率的结构成像，又可以在结构信息的基础上提供高分辨率和高对比度的组织物理化学性质的功能成像。

现有的成像装置体积过于庞大，操作不太方便，例MRI应用条件较为苛刻，检查时所有的金属均不能参与，CT与PET具有放射性，不适用于孕妇或幼儿；且在成像的过程中，大多技术需要保证被试者头部与探头不发生相对移动，被试者大多是在麻醉的状态下进行成像，不能自由活动；目前也缺乏对颅骨内脑部进行超声、光声的同时无损检测的装置及方法，多为单独检测，没有形成一体化检测设备，或采用光学方法，只能对大脑皮层进行近红外脑成像，不能对颅骨内脑部进行结构成像以确定某一特定位置所在。

如中国专利CN 104545814A公开了一种动物头戴式光声成像装置，此装置的缺点是只能对动物脑部进行光声成像，缺乏组织的物理结构信息；中国专利CN 108056777 A公开了一种测量含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的装置及近红外脑成像设备，然而此装置的缺点是只能对大脑皮层进行近红外脑成像，不能对颅骨内脑部进行结构成像以确定某一特定位置所在。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种无创脑功能成像头盔及成像方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种无创脑功能成像头盔，包括：

中心节点：其与多条测量臂的一端连接，用于集结各条测量臂中超声相控阵和光发射模块的电缆线，并通过多芯电缆与主机连接；

多条测量臂：所有所述测量臂的形状均为长条形，每条所述测量臂的一端分别与所述中心节点相连接，每条所述测量臂上还设有用于透过脉冲光和超声的发射接收带；

带状光发射及透光模块：其通过固定卡槽固定于所述测量臂内，用于向颅骨内发出脉冲光穿过发射接收带照射脑部待成像组织区域产生光声信号；

带状超声相控阵发射及接收模块：其通过固定卡槽固定于所述测量臂内，用于发射超声信号穿过发射接收带照射脑部待成像组织区域，并接收反射回的超声信号和脑组织产生的光声信号；

主机：其通过多芯电缆经所述中心节点与每条所述测量臂中的带状光发射及透光模块和带状超声相控阵发射及接收模块相连接，用于驱动发射激光和超声信号，并接收产生的光声信号和反射回的超声信号进行成像。

优选地，通过所述中心节点与每条所述测量臂之间不同的连接设置方式以形成固定式无创脑功能成像头盔和滑动式无创脑功能成像头盔；

所述中心节点与每条所述测量臂一端的固定连接，并且每条所述测量臂以设定间隔分布，形成固定式无创脑功能成像头盔；

或者，所述中心节点与每条所述测量臂一端的活动连接，相邻所述测量臂之间设置有卡点，用于限制每条所述测量臂在相邻卡点之间以设定角度范围内滑动，形成滑动式无创脑功能成像头盔。

优选地，所述带状光发射及透光模块包括沿光路依次设置的脉冲光源、光束整形镜和导光板，所述脉冲光源通过多芯电缆与所述主机连接。

优选地，所述脉冲光源包括内嵌式LED阵列光源和外接激光器发射激光光源，用于发射多个不同波长的脉冲光。

优选地，所述带状超声相控阵发射及接收模块包括阵元板和超声声头，所述阵元板的顶端通过多芯电缆与所述主机连接，其底端连接所述超声声头，所述超声声头包括压电陶瓷、匹配层和声透镜。

优选地，该头盔还包括用于对所述发射接收带提供保护的透明水密层。

优选地，通过所述带状光发射及透光模块与所述带状超声相控阵发射及接收模块不同的连接设置方式以形成单侧给光模式无创脑功能成像头盔和双侧给光模式无创脑功能成像头盔。

优选地，所述带状光发射及透光模块与所述带状超声相控阵发射及接收模块分别以单个并列设置于所述发射接收带的左右两侧，并且所述带状超声相控阵发射及接收模块中的阵元板以与所述发射接收带的法线间形成50°～80°倾斜设置，形成单侧给光模式无创脑功能成像头盔。

优选地，所述带状超声相控阵发射及接收模块的两侧均设置有所述带状光发射及透光模块，所述带状超声相控阵发射及接收模块中的阵元板与所述发射接收带垂直设置，形成双侧给光模式无创脑功能成像头盔。

本发明还提供了一种采用所述无创脑功能成像头盔的成像方法，包括以下步骤：

步骤1：根据光声超声双模态同步成像系统中所述主机的激励信号，控制多个通道同时发射经波束合成后的超声波，经颅骨照射脑部待测组织区域；

步骤2：带状光发射及透光模块中的脉冲光源发射脉冲光，带状光发射及透光模块中的光束整形镜和导光板将激光整形后，经颅骨透射到与带状超声相控阵发射及接收模块覆盖的同一待测组织区域，产生光声信号；

步骤3：带状超声相控阵发射及接收模块接收组织反射的超声信号，经脉冲光触发后，经过延时，接收光声信号；

步骤4：将所接收的超声信号和光声信号经过多芯电缆传输到所述主机，实现颅骨内脑部组织同时同步光声超声双模态成像。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)光声、超声同时实时检测：采用将脉冲光源的光发射模块、多通道超声探头结合在一起的方式，实现了光声、超声两种信号的同时检测，并且通过采用同一探头装置进行检测，可以实现颅骨内脑部的超声和光声信息的同时实时获得。

2)信息丰富：光声对血管尤为敏感，在血氧饱和度检测方面具有独特优势，结合超声成像，能同时获得颅骨内脑部的物理结构信息和组织化学信息，使得所检测的组织信号信息更加丰富。

3)床旁可移动：此装置为头盔式，安全轻便，被试者可戴其自由活动，在床旁进行检测，减轻被试者的心理负担。

4)空间足：当设置一组带状光发射模块和透光模块时，将阵元板倾斜设置，可以留出足够的空间布置带状光发射模块和透光模块，从而可以减小尺寸。

5)探测效果好：配置两组带状光发射模块和透光模块，并分别位于阵元板两侧，可以提高探测效果。

附图说明

图1为本发明的整体结构第一视角示意图；

图2为本发明的整体结构第二视角示意图；

图3为本发明的整体结构第三视角示意图；

图4为本发明实施例中双侧给光模式俯视图；

图5为本发明实施例的单侧右侧给光模式俯视图；

图6为本发明实施例的单侧左侧给光模式俯视图；

图7为本发明实施例的光发射模块为内嵌式LED光源时的带状光发射模块和透光模块光路图；

图中，1、中心节点，2、测量臂，3、带状光发射及透光模块，4、带状超声相控阵发射及接收模块，5、多芯电缆，6、LED阵列光源，7、光束整形镜，8、导光板，9、阵元板，10、背衬，11、FPC柔性电路板，12、压电陶瓷，13、匹配层，14、声透镜，15、固定卡槽，16、透明水密层。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

本发明提供一种无创脑功能成像头盔，将超声和光声检测集成于同一探头装置，本发明通过将多通道超声探头与可发射多波长脉冲光的光发射模块结合在一起，实现同步、同位对超声和光声信号的实时采集，可以获得颅骨内脑部的物理结构信息和化学组分信息，实现无创脑功能成像，可用于脑部神经网络活动的检测与成像。

具体的，如图1～图3所示，该装置包括：

中心节点1：与各条测量臂2一端连接，用以集结各条测量臂2中超声相控阵和光发射模块的电缆线，通过多芯电缆5与主机连接；

还包括：

多条测量臂2：长条形，一端与中心节点1相连接，测量臂2与颅骨相接触的表面有沿着臂长方向的用于透过脉冲光和超声的发射接收带，每条测量臂2具有一定弹性，可贴合颅骨放置；

带状光发射及透光模块3，至少设有一组，均设置于测量臂2中且一侧设置在发射接收带上，用以向颅骨内发出均匀的脉冲光穿过发射接收带照射脑部待成像组织区域产生光声信号；

带状超声相控阵发射及接收模块4，位于测量臂2中且一侧且设置在发射接收带上，用于发射超声信号，以及接收超声信号和光声信号。

中心节点1与多条测量臂2一端的连接方式包括固定式和滑动式，具体组成方式如下：

1)固定式的情况：中心节点1与各条测量臂2的连接位置固定，多条测量臂2以确定间隔分布；

2)滑动式的情况：中心节点1与各条测量臂2连接位置非固定，相邻测量臂2之间设置一个卡点，限制每条测量臂2在相邻卡点之间的一定角度范围内滑动。

主机：通过多芯电缆5经中心节点1与测量臂2中的带状光发射及透光模块3和带状超声相控阵发射及接收模块4连接，用以驱动发射激光和超声信号，并接收产生的光声信号和反射回的超声信号进行成像。

如图4～图7所示，

带状光发射及透光模块3的光发射模块发射不同波长的脉冲光，带状光发射及透光模块3的透光模块将脉冲光透射到颅骨内的脑部组织中，带状超声相控阵发射及接收模块4至少包括超声声头、阵元板9、相控阵电缆线，用于发射超声信号，以及接收超声信号和光声信号，一端与中心节点1连接的各条测量臂2用于容纳其他所有模块，实现颅骨内脑部组织的超声光声双模态无创脑功能成像。

脉冲光源包括但不限于内嵌式LED阵列光源6和外接激光器发射激光光源，用于发射多个波长的脉冲激光，脉冲光源的长度长于光束整形镜7和导光板8的长度，保证发射的脉冲激光覆盖整个透光区域。

带状超声相控阵发射及接收模块4包括阵元板9、相控阵电缆线和超声声头，阵元板9的一端与相控阵电缆线连接，另一端与超声声头连接，接收来自驱动电路的触发信号，发射超声波信号，并在一定的延时后依次接收纵切面组织反射的超声信号和产生的光声信号。其中，本实施例中超声声头可选用常规声头，包括压电陶瓷、匹配层13和声透镜14。

测量臂2具有一定弹性，包含固定卡槽15和用于保护超声声头和带状光发射及透光模块3的透明水密层16，固定卡槽15嵌于测量臂2中，用于固定超声声头、带状光发射及透光模块3中的带状光发射模块和透光模块。

对于带状光发射及透光模块3中的带状光发射模块和透光模块的设置方式，可以分为单侧给光模式和双侧给光模式，两种方式各有优点，具体组成方式如下：

1)单侧给光模式中，带状光发射及透光模块3共设有一组，阵元板9与发射接收带成一斜角，且其远离发射接收带的一端远离带状光发射模块和透光模块设置，优选的，探头内部在探头横截面上空间区域分为左右两部分，其中阵元板9在50～80度范围内以一定倾斜角放置，使得探头内部另一侧能够放置带状光发射及透光模块3中的带状光发射模块和透光模块，固定卡槽15分为两部分，分别用于固定超声声头和透光板，实现激光从超声声头的一侧透过，透过颅骨照射脑部待测组织区域；左右两部分区域内的模块可交换放置；

2)双侧给光模式中，探头内部在探头横截面上空间区域分为三部分，其中阵元板9置于中间区域并与发射接收带成一直角，两组带状光发射及透光模块3中的带状光发射模块和透光模块分别置于阵元板9两侧，固定卡槽15分为三部分，分别用于固定中间的超声声头和两侧的导光板8，实现激光从超声声头的两侧透过，透过颅骨照射脑部待测组织区域；

带状光发射及透光模块3中的透光模块包括光束整形镜7和导光板8，光束整形镜7和导光板8在光路上自前往后设置，且导光板8固定在测量臂2上，光束经由光束整形镜7整形后，由导光板8进一步均匀化后对外照射。导光板8均匀化后的光束照射到带状超声相控阵发射和接收模块覆盖的同一待测组织区域，用于产生光声信号，满足方程：

其中p(r,t)为声压，H(r,t)为入射激光在成像区域激发的热源函数，H(r,t)＝A(r)I(t)，A(r)是组织的光吸收分布，I(t)为照射光强，β为热膨胀系数，Cp为比热容，c是组织声速，为拉普拉斯算子，r为成像点到入射点的距离，t为时间。

实施例中的本发明具体应用时包括以下步骤：

步骤S1：基于光声超声双模态同步成像系统(可采用中国专利CN105395170A公开的系统)的激励信号，控制多个通道同时发射经波束合成后的超声波，透过颅骨照射脑部待测组织区域；

步骤S2：带状光发射及透光模块3中的光发射部分发射脉冲光，透光部分将激光整形后透射到与带状超声相控阵发射及接收模块4覆盖的同一待测组织区域，用于产生光声信号。

步骤S3：接收光声超声双模态同步成像系统的激励信号，带状超声相控阵发射及接收模块4接收组织反射的超声信号，经脉冲光触发后，经过一定的延时，接收光声信号。

步骤S4：所接收的超声信号和光声信号经过多芯电缆5传输到主机，实现颅骨内脑部同时同步光声超声双模态成像。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。