一种高速手持式非接触光弹性成像探头装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种高速手持式非接触光弹性成像探头装置，采用毫米级超小型超声换能器实现对样品组织进行无损、非接触、区域性精确激励；采用扫频速度400kHz的高速激光器对样品组织的振动信号进行数据快速采集，采用M

【技术实现步骤摘要】
一种高速手持式非接触光弹性成像探头装置


[0001]本专利技术涉及生物光子学弹性成像领域，具体为一种高速手持式非接触光弹性成像探头装置。

技术介绍

[0002]临床上许多疾病的发生、发展及治疗监测的过程中，都伴随着生物组织生物力学性质如剪切模量、杨氏模量等参数的变化。如肝硬化、乳腺癌、动脉粥样硬化、圆锥角膜、白内障等，均会导致相应的人体组织变硬或者变软，而从物理学角度解释，可以认为这些疾病引起了生人体组织生物力学性质的改变。临床上对于这些疾病的研究发现，人体组织生物力学性质的改变，往往在疾病早期尚未引起组织结构改变之前就已经发生，因此，对人体组织生物力学性质的检测可以为临床上众多疾病的诊断、治疗及预防提供科学依据和技术支撑。
[0003]目前临床上的弹性检测方式，包括离体和在体两种，其中离体检测方式主要以单轴拉伸测试为代表，通过记录组织的应力应变关系，计算其杨氏模量，该方式属于有创测试，无法满足临床在体检测条件。在体检测方式包括目前已经被提出的多种弹性检测技术，如磁共振弹性成像、超声弹性成像等，这类技术手段可以通过记录组织中的振动信息或机械波传播信息，通过建立物理模型计算组织的剪切模量或杨氏模量，目前已经成功应用在脑科、皮肤科、内科等多个临床方向。然而受限于磁共振技术以及超声技术本身的成像分辨率，这类技术只能评估毫米级分辨率的力学参数，对于脑组织、心血管组织以及眼组织这类具有微米甚至亚微米级高精细结构的人体组织，无法进行有效的弹性检测。
[0004]光弹性成像技术是以光学手段为基础的弹性检测方式，包括布里渊散射弹性成像、激光散斑弹性成像以及光学相干弹性成像等。其中基于波的光学相干弹性技术以其无损、非接触、高分辨率、高信噪比、快速三维成像等优势，已经发展成为最有可能实现临床多学科应用的光弹性成像技术，并且现在已经进行了初步的临床应用转化。激励源、光学探测系统、数据与信号的采集和处理是光学相干弹性成像技术的三个主要部分，现有的光学相干弹性成像技术往往采用厘米级大尺寸的超声换能器或接触式探针对样品组织进行机械激励，不仅尺寸太大会增加系统复杂度，不便于临床检查和实验操作，而且对于边缘性组织如角膜缘等，往往不易于激励。另外，现有系统光源A线速度普遍较低，完成一次数据采集时间需要数秒或数十秒，这将会增加数据采集过程中的背景噪声强度以及体运动伪影的强度。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种高速手持式非接触光弹性成像探头装置，解决传统设备超声换能器尺寸大不便于临床检查和实验操作，系统光源A线速度低，数据采集时间长导致背景噪声增强的技术问题。
[0006]为解决以上技术问题，本专利技术公开了一种高速手持式非接触光弹性成像探头装
置，包括：
[0007]高速扫频激光器01，所述高速扫频激光器01的扫描速度为400kHz；超声换能器12，用于对样品组织进行非接触无损激励，产生振动信号和机械波，所述超声换能器12的直径不大于0.8mm，所述超声换能器(12)的芯片封装后整体外部直径不大于1.2mm；
[0008]采用M
‑
B扫描模式来获取样品组织中被所述超声换能器12激发出的振动信号及机械波传播过程；
[0009]采用深度分辨弹性成像算法对样品组织的生物力学性质沿深度方向进行逐像素层析分辨成像，在每个成像深度分别计算相应机械波的传播速度，由波速进一步计算剪切模量、杨氏模量等生物力学参数。
[0010]优选地，高速手持式非接触光弹性成像探头装置还包括：函数发生器16、功率放大器17、计算机18，所述超声换能器12的驱动由所述计算机18产生同步信号，经所述函数发生器16输出Burst信号，再由所述功率放大器17放大后，对其进行驱动。
[0011]优选地，高速手持式非接触光弹性成像探头装置还包括：3D打印夹具13，所述3D打印夹具13包括手持式操作手柄，为同轴圆环夹具。
[0012]优选地，高速手持式非接触光弹性成像探头装置还包括：99：1光纤耦合器02、环形器a03、环形器b04、光纤准直器05、光衰减器06、聚焦透镜07、反射镜08、准直器09、扫描振镜10、扫描透镜11、50：50光纤耦合器14、光电探测器15。
[0013]优选地，所述超声换能器12的芯片采用单面元发射型超声换能器芯片，所述芯片的输出声场在0.8mm处形成自然焦点，超声的横向声场半高全宽为0.6mm，小于光学相干弹性成像系统扫描透镜的聚焦光斑大小。
[0014]优选地，所述高速扫频激光器01的激光光源中心波长为1310nm，带宽100nm，完成一次A线扫描的时间为2.5μs。
[0015]优选地，所述M
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B扫描模式获取三维数据组(x,z,t)的大小为(500，1024，500)，整个数据采集持续时间为0.625s。
[0016]优选地，所述99：1的光纤耦合器将光源入射光分为1％的参考光和99％的样品光，对样品进行高信噪比成像检测。
[0017]优选地，所述3D打印夹具13将超小型所述超声换能器12与所述扫描透镜11分别通过所述3D打印夹具13的上圆环和下圆环连接，所述下圆环可以沿轴向滑动。
[0018]优选地，将所述准直器09、所述扫描振镜10、所述扫描透镜11、所述超声换能器12、所述3D打印夹具13整体封装设计，便于检测过程中手持式操作。
[0019]与现有技术相比，本专利技术获得的有益效果是：
[0020]本专利技术提出一种高速手持式光弹性成像探头装置，采用0.8mm直径的超小型超声换能器，所述换能器采用单面元发射模式，中心频率为930kHz，在0.8mm处形成自然焦点，焦斑的FWHM为0.6mm，小于光学扫描透镜的聚焦光斑大小，可以针对不同的样品组织以及同一组织的不同区域实现无损、非接触精准激励，具有实现临床上不同组织疾病的精确检测的有益效果。
[0021]采用厚度为0.2mm的铝合金材料对所述超声换能器的芯片进行封装，封装后的探头整体外部直径为1.2mm，接近光学扫描透镜聚焦光斑大小，解决了现有超声换能器尺寸太大导致系统更加复杂，不便于临床检查和实验操作的技术问题，具有对样品组织不同区域
尤其是边缘性组织进行精准聚焦激励的有益效果。
[0022]采用3D打印技术，使用聚合树脂材料自行设计并打印夹具，将超小型的所述超声换能器与所述扫描透镜固定，设计手持式操作手柄，实现光学焦点和声学焦点相对位置固定且满足光弹性成像检测条件，实验过程中无需多次调节光、声焦点，具有便于手持操作，简单易行的有益效果。
[0023]采用扫频速度为400kHz扫频激光器作为系统光源，中心波长1310nm，带宽100nm，将单次A线扫描时间提高至0.25μs，解决了现有技术中系统光源A线速度慢，一次采集数据时间长的技术问题，具有A线扫描时间短，数据采集快的有益效果。
[0024]采用M
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B扫描模式来获取样品组织中被超声换能器激发出的振动信号及机械波传播过程，所述M
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高速手持式非接触光弹性成像探头装置，其特征在于，包括：高速扫频激光器(01)，所述高速扫频激光器(01)的扫描速度为400kHz；超声换能器(12)，用于对样品组织进行非接触无损激励，产生振动信号和机械波，所述超声换能器(12)的直径不大于0.8mm，所述超声换能器(12)的芯片封装后整体外部直径不大于1.2mm；采用M
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B扫描模式来获取样品组织中被所述超声换能器(12)激发出的振动信号及机械波传播过程；采用深度分辨弹性成像算法对样品组织的生物力学性质沿深度方向进行逐像素层析分辨成像，在每个成像深度分别计算相应机械波的传播速度，由波速进一步计算剪切模量、杨氏模量等生物力学参数。2.如权利要求1所述的高速手持式非接触光弹性成像探头装置，其特征在于，还包括：函数发生器(16)、功率放大器(17)、计算机(18)，所述超声换能器(12)的驱动由所述计算机(18)产生同步信号，经所述函数发生器(16)输出Burst信号，再由所述功率放大器(17)放大后，对其进行驱动。3.如权利要求1所述的高速手持式非接触光弹性成像探头装置，其特征在于，还包括：3D打印夹具(13)，所述3D打印夹具(13)包括手持式操作手柄，为同轴圆环夹具。4.如权利要求3所述的高速手持式非接触光弹性成像探头装置，其特征在于，还包括：99：1光纤耦合器(02)、环形器a(03)、环形器b(04)、光纤准直器(05)、光衰减器(06)、聚焦透镜(07)、反射镜(08)、准直器(09)、扫描振镜(10)、扫描透镜(11)、5...

【专利技术属性】
技术研发人员：何兴道，张余宝，史久林，朱羿叡，郝中骐，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：