一種生物組織三維光聲成像的裝置的製作方法

2023-06-15 21:51:36 2

專利名稱：一種生物組織三維光聲成像的裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及生物醫學測量和醫療器械技術領域，具體涉及一種生物組織三維 光聲成像的裝置。
背景技術：
光聲成像技術結合純光學成像高對比度和純超聲成像深穿透性的優點，由於組織 對超聲的衰減和散射遠小於組織對光的衰減和散射，用寬帶超聲探測器檢測超聲波代替光 學成像中檢測散射光子，其可以提供高對比度和高解析度的組織影像，成像可達到釐米量 級深度和微米量級解析度，並且具有無放射性損傷、成本較低、使用安全便捷等特性。尤其 是，光聲信號在生物組織內有很好的傳輸特性，它攜帶了組織的光吸收特徵信息，而生物組 織對光吸收的差異反映了組織的結構形態和生理特徵，同時也反映組織代謝的差異和病變 特徵，被認為是進行早期癌變和各種損失診斷成像的有效方法。中國發明專利申請公開說明書(公開號CN1862247A)公開了一種基於多通道電子 並行掃描光聲實時層析成像的方法及其裝置，但該方法也只能實現二維的光聲層析成像， 且由於採用線陣探頭在單個方位接收光聲信號，難以實現具有不規則邊界(如各種凸出結 構)的被測組織的光聲複雜圖像。中國發明專利申請公開說明書(公開號CN 1555764A) 也公開了一種生物組織光學和超聲的採集和層析成像的方法及其裝置。其成像方法包括 (1)超聲掃描生物組織，查找可能的病變部位；(2)脈衝雷射和超聲同時入射到第1步找出 的可疑病變部位的組織中，獲得光致超聲和反射超聲信號；(3)接受超聲回波和光聲信號；計算機對信號進行數據處理後，通過直線投影層析成像。其裝置中用於發射和接受超聲 的傳感器是線型多元超聲陣列，可以得到二維平面的超聲回波信號和光致超聲信號，經過 數據處理後，只能獲得二維光聲和超聲像，圖像的辨識困難，需要有相當經驗的人員才能解 讀圖像的意義。 2003年Wang等報導了採用單元非聚焦探頭依次做圓周和線性掃描來實現三維光 聲成像(X. D. Wang, Y. J. Pang, G. Ku, G. Stoica, and L. H. Wang, 「 Three-dimensional laser induced photoacoustic tomography of mouse brain with the skin and skull intact, 」 Opt. Lett.，28，17392-1741，2003.)；由於需要同時做兩個方位的機械掃描，其系 統穩定性和時間解析度被極大的降低。2002年Andreev等和2008年Ephrat等分別報導了 將多個單元探頭沿著經度和緯度依次間隔稀疏排列在一個球面上接收光聲信號的三維光 聲成像方法(V. G. Andreev, D. A. Popov, D. V. Sushko, A. A. Karabutov, and Α. Α. Oraevsky, 「Image reconstruction in 3D optoacoustic tomography system withhemispherical transducer array,，，Proc. SPIE，4618，137-145，2002. P. Ephrat，L. Keenliside， A.Seabrook, F. S. Prato, and J. J. Carson, "Three-dimensional photoacoustic imaging by sparse-array detection and iterative image reconstruction，，，J· Biomed· Opt·， 13 (5), 054052, 2008.)；該方式雖然不需要機械掃描即可實現三維光聲成像，但由於多個單 元探頭間距太大且精確定位困難，其加工難度和空間解析度受到了極大的限制。尤其需要指出的是，以上光聲成像方法的信號採集普遍採用單元換能器，以獲得不同方向的光聲信 號，再經複雜算法重建出組織的光學吸收分布。由於多方位的機械旋轉掃描和長時間的數 據採集過程，機械振動和儀器長時間工作的隨機參數漂移等不穩定因素對結果帶來的隨機 誤差不可避免，從而嚴重影響成像質量和研究結果的可靠性和穩定性。同時，成像算法復 雜，計算量大，耗費時間長，在實際應用中顯然存在相當大的局限性，無法滿足實際臨床的 快速精確需求。
發明內容本實用新型的目的是提供一種生物組織三維光聲成像的裝置，特別適用於早期乳 腺癌或顱腦損傷的檢測。為解決上述技術問題，本實用新型採用如下的技術方案一種生物組織三維光聲成像的裝置，包括光聲激發與傳感單元，信號控制與處理 單元。所述光聲激發與傳感單元由圓形齒輪、一個或一個以上弧形超聲陣列、內裝有超 聲耦合液的碗狀弧形外殼、透過雷射的保護膜、光路外殼、擴束鏡和光纖組成。所述碗狀弧 形外殼的頂部外壁定位同心安裝所述圓形齒輪。碗狀弧形外殼的側壁從頂部到底部鑲嵌弧 度與碗狀弧形外殼相匹配的所述弧形超聲陣列。碗狀弧形外殼的底部與所述保護膜密封結 合。所述光路外殼內、保護膜的下方裝有所述擴束鏡。光路外殼底部連接有光纖。碗狀弧 形外殼的下沿與光路外殼的上沿轉動連接。所述信號控制與處理單元由雷射器、數據採集卡、預處理電路、步進電機、驅動器、 數字I/O卡、計算機和顯示器組成。所述圓形齒輪與步進電機嚙合連接。所述計算機、數字I/O卡、驅動器與步進電機 依次導線連接。所述數字I/O卡還與預處理電路、弧形超聲陣列依次導線連接。所述數據採 集卡分別與雷射器、預處理電路和計算機導線連接。所述計算機還和顯示器導線連接。光 纖的進光端與雷射器連接、出光端與光路外殼連接。作為本實用新型裝置的一種實施例，所述碗狀弧形外殼從頂部到底部鑲嵌一個所 述弧形超聲陣列。在檢測時，碗狀弧形外殼需要至少圍繞被測乳腺或顱腦旋轉180度，才可 獲得完備數據的三維光聲圖像，耗時比較長。作為本實用新型裝置的另一種實施例，所述碗狀弧形外殼從頂部到底部鑲嵌三個 或三個以上所述弧形超聲陣列。碗狀弧形外殼圍繞被測乳腺或顱腦旋轉較小的角度，即可 獲得完備數據的三維光聲圖像；但由於採用了多個弧形超聲陣列，成本較高。本實用新型裝置優選的實施例是，所述碗狀弧形外殼從頂部到底部鑲嵌兩個所述 弧形超聲陣列。本實用新型更優選的是兩個所述弧形超聲陣列夾角為90度地鑲嵌在碗狀 弧形外殼上。該優選的裝置在檢測時，碗狀弧形外殼圍繞被測乳腺或顱腦旋轉90，即可獲得 完備數據的三維光聲圖像；檢測耗時短，成本合理。當然，本領域技術人員應當理解，在實際檢測不需要完備數據的情況下，上述光聲 傳感器只需圍繞被測乳腺或顱腦旋轉更小的角度。為了防止檢測時碗狀弧形外殼中的超聲耦合液流出，上述光聲激發與傳感單元還 包括一個與碗狀弧形外殼頂部內壁密封結合的圓環狀彈性密封圈，所述彈性密封圈可以採用如橡膠、矽膠等彈性材料製成，密封圈的內徑小於被測乳腺或顱腦的直徑。本實用新型所述裝置的一種實施例中，一個上述光聲激發與傳感單元和信號控制 與處理單元連接，所述裝置特別適用於顱腦或單側乳房的檢測。本實用新型所述裝置的另一種實施例中，兩個上述光聲激發與傳感單元和信號控 制與處理單元連接。所述信號控制與處理單元中的雷射器同時和兩個光聲激發與傳感單元 中的光纖的進光端導線連接；信號控制與處理單元中的步進電機和兩個光聲激發與傳感單 元中的圓形齒輪有兩種連接方式1) 一個步進電機同時和兩個圓形齒輪嚙合連接，則兩個 碗狀弧形外殼同步轉動；2)兩個圓形齒輪分別和兩個步進電機嚙合連接，兩個所述步進電 機同時和所述驅動器(14)導線連接，這種連接方式下兩個碗狀弧形外殼可以獨立轉動。所 述裝置特別適用於雙側乳房的檢測。本實用新型所述裝置還可以包括主要由工作檯構成的固定單元，所述工作檯上有 一個或兩個圓心共軸的圓形通孔，每一個所述圓形通孔的正下方是一個所述光聲激發與傳 感單元，所述圓形齒輪與工作檯轉動連接。病人可以俯臥在工作檯上接受單側或雙側乳腺 的光聲檢測。本實用新型所述每個弧形超聲陣列可以含有512、256或128個陣元，陣元之間的 刻縫寬為0. 03mm。本實用新型所述裝置的工作過程是被測生物組織由碗狀弧形外殼的上端開口進 入並浸沒於超聲耦合液中，開啟雷射發生器；雷射發生器產生脈衝雷射，常用的是紅外脈衝 雷射；雷射耦合進入光纖，經擴束鏡擴束後透過保護膜輻射在被測生物組織上，被測生物組 織激發出光致超聲信號，弧形超聲陣列接收光聲信號後將其轉化為電信號，通過預處理電 路後由數據採集卡採集進計算機；採集完一次光聲信號後，計算機通過數字I/O卡發出數 字信號到驅動器，驅動步進電機實現一次步進轉動，同時通過圓形齒輪帶動弧形超聲陣列 圍繞被測生物組織轉動到下一個位置；弧形超聲陣列在該位置接收光聲信號後將其轉化為 電信號，然後採集進計算機；計算機再通過數字I/O卡發出數位訊號到驅動器，驅動步進電 機實現下一次步進轉動，同時通過圓形齒輪帶動弧形超聲陣列圍繞被測生物組織轉動；如 此重複上述採集-轉動的步驟，直至收到足夠多位置的光聲信號後，計算機通過計算重建 出被測組織的三維光聲圖像，由顯示器實時顯示或進行後續列印等處理。本實用新型的有益效果是(1)與中國發明專利申請公開說明書(公開號CN1555764A、CN1862247A)公開的只 能獲得二維光聲和超聲圖像的裝置相比，本實用新型可以獲得生物組織的三維光聲圖像， 從而使疾病的診斷更加快速。(2)本實用新型將三維光聲成像的激發與傳感一體化，實現了結構的小型化和實 用化，系統結構穩定且便攜。(2)與背景技術中記載的採用單元探頭的三維成像光聲傳感器相比，本實用新型 的弧形超聲陣列具有振元密度高、定位精確和機械加工簡便等優點，有效的提高了系統傳 感的時間和空間解析度。(3)本實用新型只需進行一個方向的旋轉掃描即可實現三維成像，有效提高了系 統的機械穩定性和操作簡便。(4)本實用新型的傳感裝置為可做圓周掃描的凹弧形結構，特別適用於乳腺和顱腦的檢測；除此之外還可廣泛應用於其它不規則凸出結構的生物組織或小動物的發育與病 變檢測等三維醫學成像領域。(5)隨著光源的技術進步，尤其是半導體雷射器的飛速發展，將來可採用小型化價 格低廉的光源，則本實用新型的裝置更易於應用推廣，可廣泛應用於醫學診斷和工業檢測 等領域。

圖1為實施例1的主要結構示意圖。圖2為圖1所示實施例的光聲激發與傳感單元的結構示意圖。圖3為圖2的俯視圖。圖4為圖2的仰視圖。圖5為實施例2的固定單元的結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作具體說明實施例1 一種用於顱腦無損檢測的光聲三維成像的裝置本實施例的結構如圖1-5所示，各元件的名稱為1.圓形齒輪、2.弧形超聲陣列、 3.碗狀弧形外殼、4.超聲耦合液、5.保護膜、6.擴束鏡、7.光纖、8.光路外殼、9.彈性密封 圈、10.雷射器、11.數據採集卡、12.預處理電路、13.步進電機、14.驅動器、15.數字I/O 卡、16.計算機、17.顯示器。其中雷射器10為1064nm光纖輸出高功率、高重複率YAG雷射系統(Big-Sky，美 國)；光纖7的直徑為600um，數值孔徑NA為0. 22 ；數據採集卡11為8通道同步採樣通道 的高速數位化儀PCI_5105(NI，美國)；弧形超聲陣列2為廣州多浦樂電子科技有限公司最 新推出的基於1-3複合材料的醫用傳感器產品。本實用新型裝置包括光聲激發與傳感單元，信號控制與處理單元。光聲激發與傳感單元由圓形齒輪1、弧形超聲陣列2、內裝有超聲耦合液4的碗狀 弧形外殼3、能透過雷射的保護膜5、擴束鏡6、光纖7、光路外殼8和圓環狀的彈性密封圈9 組成。弧形外殼3兩端開口，其頂部直徑為65cm，底部直徑為5cm。圓形齒輪1定位同心安 裝在弧形外殼3的頂部外壁，圓形齒輪1加工的齒數為120，採用步進電機13帶動完成一個 圓周掃描至少需要120個脈衝。圓環狀彈性密封圈9與碗狀弧形外殼3的頂部內壁密封結 合。碗狀弧形外殼3的側壁從頂部到底部鑲嵌兩個弧度與弧形外殼3相匹配、夾角為90度 的弧形超聲陣列2。每個弧形超聲陣列2含有128個陣元，陣元之間的刻縫寬為0. 03mm，其 中心頻率為2. 5MHz，相對帶寬為75%，面積為IOOmmX IOmmXO. 8mm。保護膜5與碗狀弧形 外殼3的底部密封結合。弧形外殼3內裝有超聲耦合液4。擴束鏡6位於保護膜5下方、光 纖7的出光端上方。碗狀弧形外殼3下沿與光路外殼8的上沿轉動連接。信號控制與處理單元由雷射器10、數據採集卡11、預處理電路12、步進電機13、驅 動器14、數字I/O卡15、計算機16和顯示器17組成。所述圓形齒輪1與步進電機13嚙合連接。所述計算機16、數字I/O卡15、驅動器 14與步進電機13依次導線連接。所述數字I/O卡15還與預處理電路12、弧形超聲陣列2依次導線連接。所述數據採集卡11分別與雷射器10、預處理電路12和計算機16導線連 接。所述計算機16還和顯示器17導線連接。光纖7的進光端與雷射器10連接、出光端與 光路外殼8連接。本實施例適用於顱腦的光聲三維檢測，具體操作步驟為1)被測顱腦進入碗狀弧形外殼3並浸沒於超聲耦合液4中，彈性密封圈9與顱腦 密切貼合，開啟裝置；2)雷射發生器10激發產生1064nm的脈衝雷射耦合進入光纖7，經擴束鏡6擴束 後透過保護膜5輻射在被測顱腦上激發出光聲信號；3)弧形超聲陣列2接收光聲信號轉化為電信號，通過預處理電路12後由數據採集 卡11採集進計算機16 ；4)採集完一次光聲信號後，計算機16通過數字I/O卡15發出數位訊號到驅動器 14，驅動步進電機13實現一次步進轉動，同時通過圓形齒輪1帶動弧形超聲陣列2圍繞被 測顱腦轉動，到達下一個測定位置；4)重複步驟3和4 ；直至旋轉掃描接收到足夠多位置的光聲信號後，計算機16通 過計算重建出被測顱腦的三維光聲圖像，由顯示器實時顯示或進行後續列印等處理。實施 例2 —種用於雙側乳腺光聲三維成像的裝置本實施例的結構與實施例1相似，不同之處在於1)還包括主要由工作檯18構成的固定單元。工作檯18上有兩個圓心共軸的圓形 通孔19，每個所述圓形通孔19的正下方是一個所述光聲激發與傳感單元，每個光聲激發與 傳感單元中的圓形齒輪1都與工作檯18轉動連接。2) 一個步進電機13同時與兩個光聲激發與傳感單元中的圓形齒輪1嚙合連接。3) 一個雷射器10同時與兩個光聲激發與傳感單元中的光纖7的進光端連接。4)每個光聲激發與傳感單元中的碗狀弧形外殼3頂部直徑30cm ；圓形齒輪1加工 的齒數為48。一個弧度與碗狀弧形外殼3相匹配的弧形超聲陣列2鑲嵌固定在弧形外殼 的側壁；所述弧形超聲陣列2含有512個陣元，陣元之間的刻縫寬為0. 03mm，其中心頻率為 2. 5MHz，相對帶寬為 75%，面積為 IOOmmX IOmmXO. 8mm。該裝置的操作步驟與實施例1所述步驟相同，兩個碗狀弧形外殼同步轉動。實施例3 —種用於雙側乳腺光聲三維成像的裝置本實施例的結構與實施例2相似，不同之處在於每個光聲激發與傳感單元中的圓形齒輪1分別與一個步進電機13嚙合連接。兩 個步進電機同時和驅動器14導線連接。每個碗狀弧形外殼3的側壁鑲嵌固定兩個弧形超 聲陣列2，每個所述弧形超聲陣列2含有256個陣元，陣元之間的刻縫寬為0. 03mm，其中心 頻率為2. 5MHz，相對帶寬為75%，面積為80mmX IOmmXO. 8mm。該裝置的操作步驟與實施例1所述步驟相同，兩個碗狀弧形外殼可以獨立轉動， 對有病變懷疑的乳腺則可以進行更多的掃描。實施例4 一種用於單側乳腺光聲三維成像的裝置本實施例的結構與實施例1相似，不同之處在於光聲激發與傳感單元中碗狀弧 形外殼3頂部直徑30cm ；圓形齒輪1加工的齒數為48 ；三個弧度與碗狀弧形外殼3相匹 配的弧形超聲陣列2圓周對稱地固定在弧形外殼的外壁；所述弧形超聲陣列2含有256個陣元，陣元之間的刻縫寬為0. 03mm，其中心頻率為3. 5MHz，相對帶寬為75%，面積為 80mmX IOmmX 0. 8mm。 該裝置的操作步驟與實施例1所述步驟相同。
權利要求一種生物組織三維光聲成像的裝置，其特徵在於包括光聲激發與傳感單元，信號控制與處理單元；所述光聲激發與傳感單元包括圓形齒輪(1)、一個或一個以上弧形超聲陣列(2)、內裝有超聲耦合液(4)的碗狀弧形外殼(3)、透光的保護膜(5)、擴束鏡(6)、光纖(7)和光路外殼(8)組成；所述碗狀弧形外殼(3)的頂部外壁定位同心安裝所述圓形齒輪(1)，碗狀弧形外殼(3)的側壁從頂部到底部鑲嵌弧度與碗狀弧形外殼(3)相匹配的所述弧形超聲陣列(2)，碗狀弧形外殼(3)的底部與所述保護膜(5)密封結合；所述光路外殼(8)內、保護膜(5)的下方裝有所述擴束鏡(6)，光路外殼(8)底部連接有光纖(7)；碗狀弧形外殼(3)的下沿與光路外殼(8)的上沿轉動連接；所述信號控制與處理單元由雷射器(10)、數據採集卡(11)、預處理電路(12)、步進電機(13)、驅動器(14)、數字I/O卡(15)、計算機(16)和顯示器(17)組成；所述圓形齒輪(1)與步進電機(13)嚙合連接；所述計算機(16)、數字I/O卡(15)、驅動器(14)與步進電機(13)依次導線連接，所述數字I/O卡(15)還與預處理電路(12)、弧形超聲陣列(2)依次導線連接，所述數據採集卡(11)分別與雷射器(10)、預處理電路(12)和計算機(16)導線連接，所述計算機(16)還和顯示器(17)導線連接，光纖(7)的進光端與雷射器(10)連接、出光端與光路外殼(8)連接。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述碗狀弧形外殼(3)的側壁從頂部到 底部鑲嵌一個所述弧形超聲陣列(2)。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述碗狀弧形外殼(3)的側壁從頂部到 底部鑲嵌兩個所述弧形超聲陣列(2)。
4.根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於所述兩個弧形超聲陣列(2)的夾角為90度。
5.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述碗狀弧形外殼(3)的側壁從頂部到 底部鑲嵌三個或三個以上所述弧形超聲陣列(2)。
6.根據權利要求1至5任一所述的裝置，其特徵在於所述光聲激發與傳感單元還包 括一個與碗狀弧形外殼(3)頂部內壁密封結合的圓環狀彈性密封圈(9)。
7.根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於一個所述光聲激發與傳感單元和信號控 制與處理單元相連。
8.根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於還包括主要由工作檯(18)構成的固定單 元，所述工作檯(18)上有一個圓形通孔(19)，所述圓形通孔(19)的正下方是所述光聲激發 與傳感單元，所述圓形齒輪(1)與工作檯(18)轉動連接。
9.根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於兩個所述光聲激發與傳感單元和信號控 制與處理單元相連；所述信號控制與處理單元中的雷射器(10)同時和兩個光聲激發與傳 感單元中的光纖(7)的進光端導線連接；信號控制與處理單元中的步進電機(13)同時和兩 個光聲激發與傳感單元中的圓形齒輪(1)嚙合連接，或者兩個所述圓形齒輪(1)分別和兩 個步進電機(13)嚙合連接，兩個所述步進電機(13)同時和所述驅動器(14)導線連接。
10.根據權利要求9所述的裝置，其特徵在於還包括主要由工作檯(18)構成的固定 單元，所述工作檯(18)上有兩個圓心共軸的圓形通孔(19)，每個所述圓形通孔(19)的正下 方是一個所述光聲激發與傳感單元，所述圓形齒輪(1)與工作檯(18)轉動連接。
專利摘要本實用新型公開了一種生物組織三維光聲成像的裝置，它主要由圓形齒輪、弧形超聲陣列、碗狀弧形外殼、超聲耦合液、保護膜、光路外殼、擴束鏡、光纖、雷射器、數據採集卡、預處理電路、步進電機、驅動器、數字I/O卡、計算機、顯示器組成。該裝置的工作過程是被測生物組織經雷射輻射產生光聲信號，弧形超聲陣列接收光聲信號並被採集進計算機；驅動器帶動弧形超聲陣列圍繞被測生物組織轉動到下一個位置；重複採集-轉動的步驟，直至接收到足夠多位置的光聲信號，計算機通過計算重建出被測組織的三維光聲圖像。本實用新型可以快速、無損地實現生物組織的三維光聲成像，特別適用於早期乳腺癌和顱腦損傷的檢測。
文檔編號A61B8/00GK201624671SQ20102014682
公開日2010年11月10日 申請日期2010年4月1日 優先權日2010年4月1日
發明者劉國棟, 徐景坤, 曾呂明, 楊迪武 申請人:江西科技師範學院