[發(fā)明專利]光聲/超聲雙模內(nèi)窺成像裝置及方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111492958.3
• 申請日: 2021-12-08
• 公開（公告）號: CN114403803A
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發(fā)明（設計）人: 高飛;吳濤;蔡俊翔;王怡韻
• 申請（專利權）人: 上海科技大學
• 主分類號: A61B5/00
• 分類號: A61B5/00;A61B8/08;A61B8/12;A61B1/31;A61B1/07
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 翁若瑩;柏子雵

1.一種光聲/超聲雙模內(nèi)窺成像裝置，能夠同時工作于光聲成像模式以及超聲成像模式，也能夠僅工作于光聲成像模式或超聲成像模式，其特征在于，包括內(nèi)窺探頭、激光脈沖發(fā)生器、超聲信號激發(fā)組件、信號處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和計算模塊，其中：

脈沖激光器經(jīng)由光纖與內(nèi)窺探頭相連，同時，超聲信號激發(fā)組件經(jīng)由陣列開關與內(nèi)窺探頭相連；內(nèi)窺探頭還經(jīng)由陣列開關、信號處理模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊與計算模塊相連；

當工作于光聲成像模式或光聲和超聲雙模模式時，通過陣列開關將超聲信號激發(fā)組件切出，脈沖激光器的脈沖激光通過光纖導入內(nèi)窺探頭，脈沖激光通過內(nèi)窺探頭照射到被探測物上；被探測物在脈沖激光的激勵下產(chǎn)生的光聲信號被內(nèi)窺探頭接收后，內(nèi)窺探頭輸出的光聲信號經(jīng)過信號處理模塊的模擬濾波以及放大處理后，再通過數(shù)據(jù)采集模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后由計算模塊基于獲得的數(shù)字信號通過計算機程序成像；

當工作于超聲成像模式或光聲和超聲雙模模式時，通過陣列開關將超聲信號激發(fā)組件選通，由超聲信號激發(fā)組件使得內(nèi)窺探頭向被探測物在單一中心頻率上或者在多個中心頻率上發(fā)射超聲波；被探測物返回的超聲波被內(nèi)窺探頭接收后，內(nèi)窺探頭輸出的超聲波信號經(jīng)過信號處理模塊的模擬濾波以及放大處理后，再通過數(shù)據(jù)采集模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后由計算模塊基于獲得的數(shù)字信號通過計算機程序成像；

將使用時內(nèi)窺探頭遠離操作者的一端定義為遠端，靠近操作者的一端定義為近端，則內(nèi)窺探頭包括殼體，殼體遠端部分設有N組PMUT組，N組PMUT都相同，N至少為1；若N大于2，則所有N組PMUT組沿周向均勻布置，從而組成一個圈包圍在內(nèi)窺探頭1近端四周；每組PMUT組包括M個沿徑向布置的PMUT單元，M至少為2；在一組PMUT中，同一PMUT單元具有同一中心頻率，不同PMUT單元的中心頻率不同，則一個PMUT組具有M個不同中心頻率，一個內(nèi)窺探頭具有N個相同的組，從而形成具有M個不同中心頻率大小為N×M的PMUT陣列；從近端至遠端，依次將每組PMUT組中的M個PMUT單元定義為第1個PMUT單元至第M個PMUT單元，則所有N組PMUT組中所有任意第m個PMUT單元位于同一圓周上，m＝1,2,……,M；

殼體內(nèi)還設有準直鏡以及錐形反射鏡，脈沖激光通過光纖導入內(nèi)窺探頭后，先由準直鏡準直后，再通過錐形反射鏡實現(xiàn)度全方位反射；脈沖激光被錐形反射鏡發(fā)射到被探測物上，由PMUT陣列接收光聲信號，PMUT陣列經(jīng)由信號線將光聲信號向外輸出；

同時，信號線還用于接收超聲信號激發(fā)組件給出的信號，并將該信號加載到PMUT陣列上，由PMUT陣列中的任意一組PMUT組產(chǎn)生單一中心頻率的超聲波，或由PMUT陣列中的多組PMUT組產(chǎn)生多中心頻率的超聲波；被探測物返回的超聲波由PMUT陣列接收后，再經(jīng)由信號線將超聲波信號向外輸出。

2.如權利要求1所述的一種光聲/超聲雙模內(nèi)窺成像裝置，其特征在于，所述脈沖激光器為短脈沖發(fā)射機，脈沖寬度在3ns-50ns，激光數(shù)值孔徑為0.3-0.7mm、波長為400nm-2500nm。

3.如權利要求1所述的一種光聲/超聲雙模內(nèi)窺成像裝置，其特征在于，所述超聲信號激發(fā)組件為多通道，能夠產(chǎn)生幅值上限為30V的0.01Hz～50MHz基礎波形，還能夠產(chǎn)生脈寬最小達到8ns的脈沖信號。

4.如權利要求1所述的一種光聲/超聲雙模內(nèi)窺成像裝置，其特征在于，所述內(nèi)窺探頭的尺寸在0.5mm-10mm之間，PMUT單元基于壓電材料或者PMUT單元的制造工藝是基于絕緣襯底上硅片的背部刻蝕工藝，其設計的中心頻率在20kHz～50MHz。

5.一種基于如權利要求1所述的光聲/超聲雙模內(nèi)窺成像裝置進行內(nèi)窺成像的方法，其特征在于，包括以下操作步驟：

步驟1、將內(nèi)窺探頭插入被探測物中；

步驟2、光聲/超聲雙模內(nèi)窺成像裝置工作于光聲和超聲雙模同時成像或光聲成像模式與超聲成像模式單模式切換成像，則有：

當工作于光聲成像模式，脈沖激光通過內(nèi)窺探頭照射到被探測物上，被探測物在脈沖激光的激勵下產(chǎn)生的光聲信號被PMUT陣列接收；光聲信號是寬頻的沖擊信號，PMUT陣列檢測到N個窄帶響應，對應著N個不同頻段，則N組PMUT組得到N組數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)輸入計算模塊后通過成像算法獲得一條環(huán)帶光聲圖像；

當工作于超聲成像模式，選擇單頻成像或者多頻成像：

當選擇單頻成像時，利用PMUT陣列中M個中心頻率其中一個頻率；信號發(fā)生器用該頻率電信號激勵一圈N組PMUT；產(chǎn)生的超聲波中的一部分被被探測物吸收后，未被被探測物吸收的超聲波返回PMUT陣列，N組PMUT組得到N組數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)輸入計算模塊后通過成像算法獲得一條環(huán)帶超聲圖像；

當選擇多頻成像時，利用PMUT陣列中M個中心頻率其至少2個頻率；信號發(fā)生器依次用該頻率電信號激勵一圈N組PMUT；當接收到上一個頻率的超激勵的響應信號之后再激勵下一個頻率的超聲波；計算模塊分別基于每組PMUT組對不同中心頻率分別成像，然后再將所有圖像整合在一起獲得最終的環(huán)帶超聲圖像；

當工作于光聲和超聲雙模模式時，計算模塊基于獲得的環(huán)帶光聲圖像以及環(huán)帶超聲圖像進行超聲光聲混合成像。