便携式光声成像装置、变焦扩束装置、及光声成像试验系统

技术领域

本申请涉及光声成像技术领域，特别是涉及便携式光声成像装置、变焦扩束装置、及光声成像试验系统。

背景技术

光声成像是一种结合了光学成像和超声成像优点的非侵入性的生物医学成像技术。目前的光声成像系统根据系统配置和应用领域大致分为三类：PACT(光声计算机断层扫描)，PAM(光声显微成像)和PAE(光声内窥成像)。但是，传统的光声设备存在着价格昂贵、设备体积笨重并且光照方式固定不可调整等局限性，这些缺点大大的制约了光声成像系统的发展。

对于激光激发方面：激光照射方案可以分为单束光照射和双侧光照射。研究人员广泛使用的光学双侧照射方式主要有明场照射方案、暗场照射方案、及混合场照射方案。对于光声图像重构来说，不同的光照方案直接影响光声信号的质量的好坏。

因此，如何设计一种可以改变照射方案的低成本、便携式光声探头对光声成像系统的发展具有重要意义，是本领域亟需解决的一项技术问题。

申请内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供便携式光声成像装置、变焦扩束装置、及光声成像试验系统，用于解决现有的光声成像技术方案不能改变照射方案、价格昂贵、体积大不易于携带等技术问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本申请的第一方面提供一种便携式光声成像装置，其包括：旋转驱动单元；变焦扩束单元，其与所述旋转驱动单元连接，以在受驱旋转后将入射光束的入射光斑经连续扩倍后形成扩束光并出射至待成像目标，以形成对应的超声信号；超声换能单元，用于采集所述待成像目标的超声信号，以供进行图像重构。

于本申请的第一方面的一些实施例中，所述装置还包括：光束入射角度调节单元，设于入射光束的入射路径上以将入射光束向外反射，并通过自身转动来调节入射光束的反射角度；转动驱动单元，其与所述光束入射角度调节单元传动连接，以驱动所述光束入射角度调节单元转动。

于本申请的第一方面的一些实施例中，，所述装置还包括：声导介质储放单元，设于超声信号传播至所述光束入射角度调节单元的传播路径上，以减少超声信号的衰减。

于本申请的第一方面的一些实施例中，所述声导介质储放单元为储水单元；所述储水单元设有进/出水口。

于本申请的第一方面的一些实施例中，所述装置包括一对变焦扩束单元；所述光束入射角度调节单元为反射镜；所述转动驱动单元为旋转电机；所述便携式光声成像装置包括：一对反射镜，分别设于一对变焦扩束单元中的一者及另一者的入射光束的入射路径上，以将入射光束向外反射；一对对侧旋转的旋转电机，分别传动连接所述一对反射镜中的一者及另一者，以驱动所述一对反射镜对侧开合。

于本申请的第一方面的一些实施例中，所述旋转驱动单元与变焦扩束单元直接相连或通过传动机构相连。

于本申请的第一方面的一些实施例中，所述装置包括：一旋转驱动单元；一对变焦扩束单元；齿轮组，位于所述一对变焦扩束单元的中间，与所述旋转驱动单元传动连接，以随旋转驱动单元的旋转而发生旋转，并带动所述一对变焦扩束单元同向旋转；其中，所述齿轮组包括第一齿轮、第二齿轮、及第三齿轮；所述第一齿轮通过齿轮轴和联轴器与旋转驱动单元相连，以随旋转驱动单元旋转；所述第二齿轮和第三齿轮分别啮合连接于所述第一齿轮的两侧，以随第一齿轮的旋转而发生同向旋转；其中，所述第二齿轮和第三齿轮分别套于所述一对变焦扩束单元中的一者及另一者，以带动所述一对变焦扩束单元同向旋转。

为实现上述目的及其他相关目的，本申请的第二方面提供一种变焦扩束装置，其包括：所述变焦扩束装置传动连接并受驱于一旋转驱动单元，并在受驱旋转后将入射光束的入射光斑经连续扩倍后形成扩束光并出射至待成像目标，以形成对应的超声信号，以供超声换能单元接收所述超声信号后进行图像重构；其中，所述变焦扩束装置包括；固定组套筒，其内设有固定组镜片；变倍组套筒，其内设有变倍组镜片；所述变倍组套筒与固定组套筒轴向连接；补偿组套筒，其内设有补偿组镜片；所述补偿组套筒与变倍组套筒轴向连接；其中，所述固定组套筒旋转时带动变倍组套筒和偿组套筒联合转动，且所述固定组镜片和变倍组镜片的组合焦距与所述补偿组镜片的前焦距重合，以实现扩束。

于本申请的第二方面的一些实施例中，所述固定组套筒包括凸轮组件，所述变倍组套筒设有与所述凸轮组件匹配的凸轮槽；所述固定组套和变倍组套筒通过凸轮组件和凸轮槽旋入配合为凸轮结构；以及/或者，所述所述变倍组套筒与补偿组套筒之间通过螺纹装配连接。

为实现上述目的及其他相关目的，本申请的第三方面提供一种光声成像试验系统，应用于本申请第二方面提供的便携式光声成像装置；所述试验系统包括：激光发生单元，其与所述便携式光声成像装置通过光纤相连，以向便携式光声成像装置的变焦扩束单元发射入射光束；超声信号采集单元，其与便携式光声成像装置的超声换能单元通信连接，以接收所述超声换能单元所采集的待成像目标的超声信号；处理单元，其接收所述超声信号采集单元所采集的超声信号数据，以根据所述超声信号数据进行图像重构，并根据待成像目标在重构图像中的成像尺寸与所述待成像目标的实际尺寸之间的比较结果信息来试验所述便携式光声成像装置的成像性能。

如上所述，本申请的便携式光声成像装置、变焦扩束装置、及光声成像试验系统，具有以下有益效果：

1.出射光斑大小能够连续调节。

2.光束入射角度可以调节。

3.光照激发和超声接收集成在一个设备中，结构紧凑，易于携带。

4.本申请的技术方案提供了用于超声传播层的自带水箱，故而不再需要传统设备的耦合水层，节约成本，进一步改善设备结构的紧凑程度。

附图说明

图1A显示为本申请一实施例中的便携式光声成像装置的轴测图示意图。

图1B显示为本申请一实施例中的便携式光声成像装置的俯视图示意图。

图1C显示为本申请一实施例中的便携式光声成像装置的主视图示意图。

图1D显示为本申请一实施例中的便携式光声成像装置的立体图示意图。

图2显示为本申请一实施例中齿轮组的示意图。

图3A显示为本申请一实施例中的变焦扩束装置的侧视图示意图。

图3B显示为本申请一实施例中的变焦扩束装置的立体图示意图。

图4显示为本申请一实施例中光声成像试验系统的结构示意图。

图5显示为本申请一实施例中变倍试验系统的结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，在下述描述中，参考附图，附图描述了本申请的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本申请的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本申请的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本申请。空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“固持”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

光声成像是一种结合了光学成像和超声成像优点的非侵入性的生物医学成像技术。一方面，用于在光声成像中重建图像的信号是超声信号，生理组织对超声信号的散射比光散射低2至3个数量级，这可以在深层组织成像时提供更高的空间分辨率。另一方面，与超声成像相比，光声成像结果不仅光学对比度更高，还能提供多种功能信息。这种成像方式由于结合了上述所说的光学成像和超声成像的优点而被广泛使用在生物医学、生物分子学等领域。

目前的光声成像系统根据系统配置和应用领域大致分为三类：PACT(光声计算机断层扫描)，PAM(光声显微成像)和PAE(光声内窥成像)。但是，传统的光声设备存在着价格昂贵、设备体积笨重并且光照方式固定不可调整等局限性，这些缺点大大的制约了光声成像系统的发展。

对于激光激发方面：激光照射方案可以分为单束光照射和双侧光照射。对于单光束照射，一般选择垂直于样品表面以获得最佳光子沉积；对于双侧光照射方式，则需改变三个照射参数以获得不同的激光照射方案，这三个照射参数分别为双侧光斑的直径大小(d)、光照射角度(w)、光斑距离(l)，不同的参数组合产生不同的光照方案从而获得不同的光照效果。

目前，研究中广泛使用的光学双侧照射方式主要有：

1.明场照射方案，其优点是可以在近检测表面获得最佳光子沉积，缺点是光子分布不均匀导致图像质量不佳。

2.暗场照射方案，其优点是在深层可以获得较好的光子分布，其缺点是在近表面由于能量密度受限导致检测区域能量缺乏。

3.混合场照射方案。

对于光声图像重构来说，不同的光照方案直接影响光声信号的质量的好坏。因此，本申请旨在提供一种可以改变照射方案的成本低的且易于携带的光声成像系统。

如图1A～1D所示，展示本申请一实施例中的便携式光声成像装置的结构示意图。具体来说，图1A展示的便携式光声成像装置的轴测图，图1B展示的是便携式光声成像装置的的俯视图，图1C展示的是便携式光声成像装置的主视图，图1D展示的则是便携式光声成像装置的立体图。

结合图1A～1D分析如下，本实施例的便携式光声成像装置包括旋转驱动单元101、变焦扩束单元102、及超声换能单元103。其中，变焦扩束单元102与所述旋转驱动单元101连接，以在受驱旋转后将入射光束的入射光斑经连续扩倍后形成扩束光并出射至待成像目标，以形成对应的超声信号；超声换能单元103用于采集所述待成像目标的超声信号，以供进行图像重构。

值得说明的是，本实施例中的便携式光声成像装置将变焦扩束单元和超声换能单元集成在一个设备中，结构紧凑，易于携带。另外，本方案中的变焦扩束单元实现连续扩倍，能够连续调节出射光斑的大小，操作简单方便。

另需说明的是，本申请的便携式光声成像装置既可采用单束光照射，也可采用双侧光照射，本实施例不作限定。本实施例以图1A～1D所展示的是带有双变焦扩束单元的示意图为例，来说明本申请中的便携式光声成像装置的结构及原理。

在一实施例中，旋转驱动单元101与变焦扩束单元102可直接相连，例如：旋转驱动单元101为转速可调的旋转电机，旋转电机的输出轴与变焦扩束单元直连，从而带动变焦扩束单元旋转。

在一实施例中，旋转驱动单元101与变焦扩束单元102通过传动机构相连。旋转驱动单元101是动力来源设备，例如电动机(如步进电机、伺服电机、力矩电机、开关磁阻电机、直流电机、异步电机、或同步电机等)、液压型动力源(如油泵等)、气压型动力源(如气压泵等)等等；所述传动机构如齿轮传动机构、链传动机构、带传动机构、蜗轮蜗杆传动机构、或者凸轮传动机构等等。

以图1A为例，便携式光声成像装置包括旋转驱动单元101、一对变焦扩束单元102、及齿轮组。其中，所述齿轮组位于一对变焦扩束单元102的中间，与旋转驱动单元101动连接，以随旋转驱动单元101的旋转而发生旋转，并带动所述一对变焦扩束单元102同向旋转。

具体的，所述齿轮组具体包括第一齿轮1041及位于其两侧的第二齿轮1042及第三齿轮1043。第一齿轮1041通过齿轮轴及联轴器105与旋转驱动单元101相连，以随旋转驱动单元101旋转；所述第二齿轮1042和第三齿轮1043分别啮合连接于所述第一齿轮的两侧，以随第一齿轮的旋转而发生同向旋转。其中，所述第二齿轮1042和第三齿轮1043分别套于所述一对变焦扩束单元中的一者及另一者，以带动所述一对变焦扩束单元同向旋转。

为便于本领域技术人员理解，现结合图2对齿轮组的旋转原理做进一步的解释。在图2中，第一齿轮1041的两侧分别啮合连接有第二齿轮1042及第三齿轮1043，当第一齿轮1041按顺时针方向旋转时，第二齿轮1042对应地发生逆时针旋转，第三齿轮1043对应地也发生逆时针旋转；同理，当第一齿轮逆时针旋转时，第二齿轮1042对应地发生顺时针旋转，第三齿轮1043对应地也发生顺时针旋转。因此，第一齿轮1041的旋转可带动第二齿轮1042及第三齿轮1043同向旋转。

在一实施例中，便携式光声成像装置还包括连接法兰106，其作用是安装旋转驱动单元101及光纤座，例如通过螺钉将步进电机和光纤座安装在连接法兰上，然后将连接法兰安装在外部箱体上。

在一实施例中，便携式光声成像装置还包括变焦扩束单元下托架107和变焦扩束单元上托架108，用于支撑固定变焦扩束单元。

在一实施例中，便携式光声成像装置还包括光束入射角度调节单元109和转动驱动单元110。其中，光束入射角度调节单元109设于入射光束的入射路径上以将入射光束向外反射，并通过自身转动来调节入射光束的反射角度；转动驱动单元110与光束入射角度调节单元109传动连接，以驱动所述光束入射角度调节单元109转动。

在一实施例中，便携式光声成像装置包括一对变焦扩束单元102；所述光束入射角度调节单元109为反射镜；所述转动驱动单元110为旋转电机；所述便携式光声成像装置包括：一对反射镜和一对对侧旋转的旋转电机；所述一对反射镜分别设于一对变焦扩束单元中的一者及另一者的入射光束的入射路径上，以将入射光束向外反射；所述一对对侧旋转的旋转电机分别传动连接所述一对反射镜中的一者及另一者，以驱动所述一对反射镜对侧开合。

在一实施例中，便携式光声成像装置还包括声导介质储放单元111，设于超声信号传播至所述光束入射角度调节单元109的传播路径上，以减少超声信号的衰减。用于传播超声信号的声导介质包括固体(如钢铁、铜、塑料、玻璃等)、液体(如水、甘油、乙醇等)、或者气体(如空气等)。以水作为声导介质为例，所述声导介质储放单元111为储水单元，所述储水单元设有进/出水口112，用于进水和出水。

值得说明的是，本申请的技术方案提供了用于超声传播层的自带水箱，故而不再需要传统设备的耦合水层，节约成本，进一步改善设备结构的紧凑程度。

如图3A和3B所示，展示本申请一实施例中变焦扩束装置的结构示意图。具体来说，图3A展示的是变焦扩束装置的侧视图，图3B展示的是变焦扩束装置的立体图。

于本实施例中，所述变焦扩束装置传动连接并受驱于一旋转驱动单元，并在受驱旋转后将入射光束的入射光斑经连续扩倍后形成扩束光并出射至待成像目标，以形成对应的超声信号，以供超声换能单元接收所述超声信号后进行图像重构。

于本实施例中，变焦扩束装置包括固定组套筒31、变倍组套筒32、及补偿组套筒33。固定组套筒31内设有固定组镜片34，变倍组套筒32内设有变倍组镜片35，补偿组套筒33内设有补偿组镜片36。变倍组套筒32与固定组套筒31轴向连接，补偿组套筒33与变倍组套筒32轴向连接。其中，所述固定组套筒31旋转时带动变倍组套筒32和偿组套筒33联合转动，且所述固定组镜片34和变倍组镜片35的组合焦距与所述补偿组镜片36的前焦距重合，以实现扩束。

在一实施例中，固定组镜片34为凸透镜，变倍组镜片35为凹透镜，补偿组镜片36为凸透镜。

在一实施例中，所述固定组套筒31包括未图示的环形凸轮组件，所述变倍组套筒32设有与所述凸轮组件匹配的未图示的凸轮槽；所述固定组套31和变倍组套筒32通过凸轮组件和凸轮槽旋入配合为凸轮结构。在一实施例中，所述变倍组套筒32与补偿组套筒33之间通过螺纹装配连接。

如图4所示，展示本申请一实施例中光声成像试验系统的结构示意图。于本实施例中，光声成像试验系统应用于便携式光声成像装置，所述试验系统包括：激光发生单元401、超声信号采集单元402、及处理单元403。

激光发生单元401与便携式光声成像装置404通过光纤相连，以向便携式光声成像装置404的变焦扩束单元发射入射光束。超声信号采集单元402与便携式光声成像装置404的超声换能单元通信连接，以接收所述超声换能单元所采集的待成像目标的超声信号。处理单元403接收所述超声信号采集单元402所采集的超声信号数据，以根据所述超声信号数据进行图像重构，并根据待成像目标在重构图像中的成像尺寸与所述待成像目标的实际尺寸之间的比较结果信息来试验所述便携式光声成像装置的成像性能。

所述激光发生单元401电性连接并受控于信号发生器405，从而发出强PA信号。超声信号采集单元402将采集到的超声信号发送至数据采集卡406，由数据采集卡将超声信号数据发送至处理单元403，以供处理单元403进行处理和图像重建。

具体的，为产生强PA信号，本实施例中的激光发生单元采用高能灯泵浦固态Q开关激光器(LPS-532-L，CNI)作为激光源，通过EOM(电光调制)产生的高峰值功率，窄脉冲宽度脉冲激光通过光纤耦合器耦合到具有多模单芯的Y型阶跃折射率光纤，来自光纤输出的激光束由一对凸透镜准直，然后光束被反射镜反射到样品表面。由超声信号采集单元(如超声扫描仪)检测到的PA信号被发送到超声成像平台中的12通道DAQ数据采集板，用于进一步的后处理和图像重建。系统采集的血管仿体的原始PA信号通过小波去噪方法和自适应阈值选择进行处理。此外，降噪后的PA数据使用滤波反投影算法处理并显示在GPU图形卡(如GeForce GTX 1080Ti，NVIDIA)上。

在一以橡胶颗粒作为待成像目标的试验中，通过本实施例中的光声成像试验系统，获得去除伪影后的橡胶颗粒的PA成像结果。

在本试验中，首先验证变倍单元的变倍能力，在验证过程中我们使用连续激光器进行验证，连续激光器产生1W左右808nm波长的连续激光，如图5所示。连续激光器51产生的入射光经过变倍单元52变倍，然后通过带测量刻度的光学测量板53测定光斑大小。其中可以近似看做准直的入射光束产生的入射光斑为2mm，在选取5x和6x为倍率后，在光学测量板53上分别获得10mm和12mm的光斑，从而验证了变倍单元的变倍能力。

于本试验中，所述橡胶颗粒实际测量的直径为12mm，通过本申请的使用基于混合场照明方案的便携式光声成像装置(亦可称为PA探头LaPA)来测得的橡胶颗粒的直径为～13mm。因此，试验结果表明本申请的新型成像探头在容忍偏差范围内具有非常出色的成像能力。

综上所述，本申请提供便携式光声成像装置、变焦扩束装置、及光声成像试验系统，其出射光斑大小能够连续调节，光束入射角度可以调节，光照激发和超声接收集成在一个设备中，结构紧凑，易于携带；另外，本申请的技术方案提供了用于超声传播层的自带水箱，故而不再需要传统设备的耦合水层，节约成本，进一步改善设备结构的紧凑程度。所以，本申请有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。