一种基于同轴时域分辨光声成像的检测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于同轴时域分辨光声成像的检测系统，该系统包括主控制器、扫描头部、三维电动平台和辅助部件。本发明专利技术的有益效果是，采用同轴激光发射兼超声接收光路，实现了光学焦点与声学焦点的重合以及同顶点的激发立体角激发和接收立体角接收，可减少测量误差；以血管内血流光声回波为空间分析基准，采用时域分辨光声回波信号分析，可分析出同一时刻主轴路径上穿过的血流、血管内部组织、血管壁各分层物质对应的光声回波信号，可实现光声对血管的外部形貌及内部组织形态分布的同时探测。

A Detection System Based on Coaxial Time-domain Resolution Photoacoustic Imaging

The invention discloses a detection system based on coaxial time-domain resolved photoacoustic imaging, which comprises a main controller, a scanning head, a three-dimensional electric platform and auxiliary components. The beneficial effect of the present invention is that by using coaxial laser emission and ultrasonic receiving optical path, the coincidence of optical focus and acoustic focus, the excitation of stereo angle at the same vertex and the reception of stereo angle at the same vertex can be realized, and the measurement error can be reduced; the principal axis path at the same time can be analyzed by using time domain resolved photoacoustic echo signal analysis based on the spatial analysis datum of intravascular blood flow photoacoustic echo. The photoacoustic echo signal corresponding to the blood flow, the internal tissue of the blood vessel and the layered substances of the blood vessel wall can be used to detect the external morphology and the internal tissue morphology distribution of the blood vessel at the same time.

【技术实现步骤摘要】
一种基于同轴时域分辨光声成像的检测系统
本专利技术涉及一种人体血管检测系统，尤其涉及一种基于同轴时域分辨光声成像的检测系统，适用于人体动静脉内外部三维结构的检测，属于光电检测领域。
技术介绍
血管造影是一种用于对血管健康情况进行监测的辅助检查技术，普遍用于临床各种疾病的诊断与治疗当中，有助于医生及时发现病情，控制病情进展，有效地提高了患者的生存率。血管造影属于介入检测方法，它需将显影剂注入被检者的血管里，因为X光无法穿透显影剂，血管造影可以准确地反映血管病变的部位和程度。但是血管造影在临床实际应用中也有许多不足。例如，它只能显示管腔的情况，不能显示病变所在的管壁和粥样斑块，不能提供粥样斑块形态和性质的详细情况，有可能使医生低估冠脉狭窄的程度。为了探测血管内部的情况，血管内超声等新技术被专利技术出来。血管内超声是将微型超声探头通过导管导进血管内进行探测，再经电子成像系统来显示血管内的几何形态和结构等细微解剖信息。血管内超声的探头是直接置于血管腔内探测，因此该技术不仅可准确测量管腔、粥样斑块及纤维斑块的大小，还可提供粥样斑块及纤维斑块的大体组织信息，在显示因心血管疾病或介入治疗等所致的血管内复杂病变形态时明显优于造影。虽然血管内超声技术可进行血管内部形态的探测，但由于它与血管造影一样都属于介入检测，要在局部麻醉的情况下把探头插入血管，存在许多血管检测的盲区以及可能造成对待检者的不良副作用。因此，非介入式的血管健康监测技术有着巨大的需求和市场前景。光声成像(PhotoacousticImaging,PAI)是近年来发展起来的一种非入侵式和非电离式的新型生物医学成像方法，可以避免血管内超声等介入式检测方法的问题。其原理是当脉冲激光照射到生物组织中时，组织的光吸收域将产生超声信号，这种由光激发产生的超声信号为光声信号。生物组织产生的光声信号携带了组织的光吸收特征信息，通过探测光声信号能重建出组织中的光吸收分布图像。光声成像技术可以实现血管分布探测，即外部形貌探测，但同时对血管的外部形貌及内部组织形态分布进行探测是一个待攻克的难题。
技术实现思路
针对以上的光声技术对血管的外部形貌及内部组织形态分布同时探测的难题，本专利技术提供一种基于同轴时域分辨光声成像的检测系统与方法，采用同轴激光发射兼超声接收光路，通过以血管内血流光声回波为空间分析基准，通过时域分辨光声回波信号的分析，在单个扫描点可分析出同一时刻主轴路径上穿过的血流、血管内部组织、血管壁各分层物质对应的光声回波信号，从而实现了光声对血管的外部形貌及内部组织形态分布同时探测。本专利技术是这样来实现的：本专利技术提出的基于激光光声的人体血管检测系统，主要由主控制器、扫描头部、三维电动平台和辅助部件组成；其中，辅助部件包括级联放大器、探测器电路、激光器控制器、信号采集卡、三向电机控制器及三向步进电机；扫描头部内有光声探测头、带孔反射镜、激光器、激光扩束镜、比例分光片、光电探测器、超声探头、激光器线缆、探测器线缆以及超声线缆；扫描头部上开有窗口，方便激光器线缆、探测器线缆以及超声线缆穿出扫描头部，并分别与激光器控制器、探测器电路及级联放大器相连；光声探测头由同轴装配的平凸聚焦镜和超声透镜组成，两者的中心轴均为主轴，平凸聚焦镜开有中心圆孔，超声透镜同轴嵌入装配进中心圆孔中，平凸聚焦镜的光学焦点与超声透镜的声学焦点重合于聚焦点；扫描头部装配在三维电动平台上，在三向步进电机的带动下做三维运动，三向步进电机由三向电机控制器进行精确控制；激光器控制器通过激光器线缆启动或关闭激光器，并可设置激光器的工作参数；光电探测器可将接收的光转换成电信号，通过探测器线缆送至探测器电路进行放大，放大后的电信号作为控制信号送至信号采集卡的触发端口，触发启动信号采集卡进行信号采集工作；超声探头可将接收的超声转换为电信号，并通过超声线缆送至级联放大器进行多级串联放大，放大后的信号送至信号采集卡进行信号采样，模数转换并送至主控制器中的主控软件进行分析；激光器沿发射光轴发出的中频脉冲激光经比例分光片后分为透射脉冲光与反射脉冲光两部分；其中反射脉冲光沿监测光轴行进，被光电探测器接收并转化为电信号，经探测器电路放大，送至信号采集卡的触发端口；而透射脉冲光继续沿发射光轴行进，经激光扩束镜扩束准直后，再经带孔反射镜反射，沿主轴向下行进，经平凸聚焦镜聚焦于聚焦点；聚焦点处激发的超声信号沿主轴向上行进，经中心圆孔中的超声透镜穿过带孔反射镜的通孔聚焦至超声探头上，超声探头将超声转换为电信号，经级联放大器多级放大后，至信号采集卡；主控制器用于启动激光器控制器，接收信号采集卡输出的信号并由内部的主控软件进行分析；主控制器还用于给三向电机控制器发送控制指令以及三向步进电机所需的三个方向的行进步数；发射光轴、监测光轴、主轴三者共面，发射光轴与主轴平行，并与监测光轴垂直；本专利技术提出的基于激光光声的人体血管检测方法包括以下步骤：(1)系统初始定位人体待测区域内包括皮肤、皮下组织、血管壁、粥样斑块、流动血液等不同组织及成分，将人体血管检测系统靠近人体待测区域的待检测血管的起始血流位置；主控制器给三向电机控制器发送控制指令，设定三向步进电机的z方向(皮下的深度方向为z向，沿血流的方向为x向，垂直血流的方向为y向)的行进步数，带动三维电动平台上的扫描头部运动，使光声探测头大致位于皮肤上方一厘米左右；主控制器启动激光器控制器，激光器控制器按照设定好的工作参数启动激光器；(2)单点测试激光脉冲部分能量穿过比例分光片，经带孔反射镜反射，再经平凸聚焦镜聚焦于聚焦点，形成以聚焦点为顶点的激发立体角，该激发立体角穿过皮肤下不同深度的不同组织，只有单位面积的能量密度超过光声产生阈值的那些组织才能产生超声回波信号；位于以聚焦点为顶点的接收立体角的超声回波信号经超声透镜聚焦至超声探头上转换为电信号；同时，该激光脉冲另一部分能量经比例分光片反射，被光电探测器接收并转化为电信号，经探测器电路放大，送至信号采集卡的触发端口，瞬时开启信号采集卡，此时，超声探头输出的电信号经级联放大器多级放大后，至信号采集卡进行高频采样，模数转换并送至主控制器中的主控软件进行分析；(3)时域分辨光声定位分析通常情况下，激发立体角中的激光脉冲能量依次经过皮下组织、血管壁、粥样斑块、流动血液，在聚焦良好的情况下，以上四种不同成分的单位面积的激光能量将达到光声阈值，将依次激发出皮下组织光声信号、血管壁光声信号、粥样斑块光声信号、流动血液光声信号；主控制器中的主控软件接收到的时域分辨光声信号中，首先在t1时刻接收到强度为I1时间宽度为T1的皮下组织光声信号，然后依次在t2时刻接收到强度为I2时间宽度为T2的血管壁光声信号，t3时刻接收到强度为I3时间宽度为T3的粥样斑块光声信号，t4时刻接收到强度为I4时间宽度为T4的流动血液光声信号；其中，光声信号的时间宽度的倒数即近似为超声频率的2倍，不同组织成分由激光激发的超声频率是不同的，相同组织成分由激光激发的超声频率是相同的，因此，根据时间宽度的测量即可判断组织成分；光声信号的强度代表组织成分密度的大小，相同的组织成分，光声信号越强代表该处的组织密度更大；定义传输时间Δt1＝t2-t1；Δt2＝t3-t2；Δt3＝t4-t3；用传输时间乘以声音在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于同轴时域分辨光声成像的检测系统，包括主控制器(21)、扫描头部(1)、三维电动平台(22)和辅助部件，辅助部件包括级联放大器(17)、探测器电路(18)、激光器控制器(19)、信号采集卡(20)、三向电机控制器(23)及三向步进电机(37)；其特征在于：扫描头部(1)内有光声探测头(10)、带孔反射镜(12)、激光器(2)、激光扩束镜(7)、比例分光片(31)、光电探测器(5)、超声探头(13)、激光器线缆(6)、探测器线缆(8)以及超声线缆(14)；扫描头部(1)上开有窗口(15)，方便激光器线缆(6)、探测器线缆(8)以及超声线缆(14)穿出扫描头部(1)，并分别与激光器控制器(19)、探测器电路(18)及级联放大器(17)相连；光声探测头(10)由同轴装配的平凸聚焦镜(9)和超声透镜(11)组成，两者的中心轴均为主轴(16)，平凸聚焦镜(9)开有中心圆孔(38)，超声透镜(11)同轴嵌入装配进中心圆孔(38)中，平凸聚焦镜(9)的光学焦点与超声透镜(11)的声学焦点重合于聚焦点(30)；扫描头部(1)装配在三维电动平台(22)上，在三向步进电机(37)的带动下做三维运动，三向步进电机(37)由三向电机控制器(23)进行精确控制；激光器控制器(19)通过激光器线缆(6)启动或关闭激光器(2)，并可设置激光器(2)的工作参数；光电探测器(5)可将接收的光转换成电信号，通过探测器线缆(8)送至探测器电路(18)进行放大，放大后的电信号作为控制信号送至信号采集卡(20)的触发端口，触发启动信号采集卡(20)进行信号采集工作；超声探头(13)可将接收的超声转换为电信号，并通过超声线缆(14)送至级联放大器(17)进行多级串联放大，放大后的信号送至信号采集卡(20)进行信号采样，模数转换并送至主控制器(21)中的主控软件进行分析；激光器(2)沿发射光轴(3)发出的中频脉冲激光经比例分光片(31)后分为透射脉冲光与反射脉冲光两部分；其中反射脉冲光沿监测光轴(4)行进，被光电探测器(5)接收并转化为电信号，经探测器电路(18)放大，送至信号采集卡(20)的触发端口；而透射脉冲光继续沿发射光轴(3)行进，经激光扩束镜(7)扩束准直后，再经带孔反射镜(12)反射，沿主轴(16)向下行进，经平凸聚焦镜(9)聚焦于聚焦点(30)；聚焦点(30)处激发的超声信号沿主轴(16)向上行进，经中心圆孔(38)中的超声透镜(11)穿过带孔反射镜(12)的通孔(36)聚焦至超声探头(13)上，超声探头(13)将超声转换为电信号，经级联放大器(17)多级放大后，至信号采集卡(20)；主控制器(21)用于启动激光器控制器(19)，接收信号采集卡(20)输出的信号并由内部的主控软件进行分析；主控制器(21)还用于给三向电机控制器(23)发送控制指令以及三向步进电机(37)所需的三个方向的行进步数；发射光轴(3)、监测光轴(4)、主轴(16)三者共面，发射光轴(3)与主轴(16)平行，并与监测光轴(4)垂直。...

【技术特征摘要】
1.一种基于同轴时域分辨光声成像的检测系统，包括主控制器(21)、扫描头部(1)、三维电动平台(22)和辅助部件，辅助部件包括级联放大器(17)、探测器电路(18)、激光器控制器(19)、信号采集卡(20)、三向电机控制器(23)及三向步进电机(37)；其特征在于：扫描头部(1)内有光声探测头(10)、带孔反射镜(12)、激光器(2)、激光扩束镜(7)、比例分光片(31)、光电探测器(5)、超声探头(13)、激光器线缆(6)、探测器线缆(8)以及超声线缆(14)；扫描头部(1)上开有窗口(15)，方便激光器线缆(6)、探测器线缆(8)以及超声线缆(14)穿出扫描头部(1)，并分别与激光器控制器(19)、探测器电路(18)及级联放大器(17)相连；光声探测头(10)由同轴装配的平凸聚焦镜(9)和超声透镜(11)组成，两者的中心轴均为主轴(16)，平凸聚焦镜(9)开有中心圆孔(38)，超声透镜(11)同轴嵌入装配进中心圆孔(38)中，平凸聚焦镜(9)的光学焦点与超声透镜(11)的声学焦点重合于聚焦点(30)；扫描头部(1)装配在三维电动平台(22)上，在三向步进电机(37)的带动下做三维运动，三向步进电机(37)由三向电机控制器(23)进行精确控制；激光器控制器(19)通过激光器线缆(6)启动或关闭激光器(2)，并可设置激光器(2)的工作参数；光电探测器(5)可将接收的光转换成电信号，通过探测器线缆(8)送至探测器电路(18)进行放大，放大后的电信...

【专利技术属性】
技术研发人员：万雄，王泓鹏，袁汝俊，何强，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31