集成光学环视和超声环扫功能的多模成像导管及系统的制作方法

本发明涉及医疗器械，具体涉及一种集成光学环视和超声环扫功能的多模成像导管及系统。

背景技术：

1、现有通过内窥镜的工作通道进入体内腔道的成像导管，仅仅具有单一的光学成像功能，不具备超声断层成像和彩色多普勒血流成像功能，光学成像仅能获取腔道内黏膜表面的形态信息，对于位于腔道黏膜下或管壁深层的病变（如黏膜下肿瘤、外压性隆起、血管畸形等）完全无法显示，因此无法提供腔道管壁深层结构和血流信息。临床中许多早期癌灶并非表面隆起或凹陷，而是呈平坦或凹陷型生长，光学成像导管难以判断其浸润深度，常常需要借助其他影像学手段（如ct、eus）进行联合评估，增加了患者检查次数和医疗成本。

2、因此，现有成像导管存在无法获取腔道管壁深层结构信息的问题，无法满足当前医疗对多模态、多参数同步获取的需求，尤其是在管壁断层结构和血流评估方面存在严重不足。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于一种集成光学环视和超声环扫功能的多模成像导管，以解决现有成像导管的信息获取维度单一，无法同步获取腔道管壁深层结构信息的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

3、一种集成光学环视和超声环扫功能的多模成像导管，所述导管包括位于远端的头端部：所述头端部包括：

4、透光管，位于所述头端部的外周，所述透光管可供光线和超声波透过；

5、光学摄像模组，用于获取目标对象的光学图像数据，包括沿所述头端部的中心轴线从近端到远端依次设置的图像传感器、第一镜头组件和光反射器，所述第一镜头组件的光轴和所述头端部的中心轴线重合，所述光反射器能够将自所述透光管射入所述头端部内的光线反射至所述第一镜头组件并射向所述图像传感器；

6、环阵超声换能器，同轴设置在所述透光管的内侧，所述环阵超声换能器用于获取目标对象的超声断层图像数据；所述环阵超声换能器在所述头端部的侧向方向上的超声环扫区域和所述光学摄像模组在所述头端部的侧向方向上的光学图像拍摄区域至少部分重合。

7、进一步地，所述环阵超声换能器同轴设置在所述第一镜头组件的外周。所述环阵超声换能器的超声环扫区域的横截面位于所述光学摄像模组的侧向光学图像拍摄区域的中心位置。

8、进一步地，所述环阵超声换能器的内侧固定设置在所述第一镜头组件的近端部分的外周，所述环阵超声换能器的外侧与所述透光管的内壁贴合固定。

9、进一步地，所述环阵超声换能器包括呈筒状排列的多个换能器阵元，多个所述换能器阵元在所述第一镜头组件的圆周方向排列形成环形阵列；每个所述换能器阵元独立连接有一根超声信号线，所述信号线沿所述导管的轴向延伸并与导光部的超声信号收发接口电连接。多个所述换能器阵元朝向所述第一镜头组件的一侧设有背衬层，所述背衬层由声阻抗匹配的吸声材料制成，所述背衬层用于吸收反向传播的声波以抑制杂波干扰并提高轴向分辨能力。

10、进一步地，所述透光管的外壁面涂覆有抗反射涂层和/或亲水涂层。

11、进一步地，所述光反射器为凸面朝向像侧的弯月型双曲面反射镜片。弯月型双曲面反射镜片靠近图像传感器一侧的一个焦点和第一镜头组件靠近图像传感器一侧的一个焦点实现公焦点设计。

12、进一步地，所述光学摄像模组还包括与所述第一镜头组件同光轴设置的第二镜头组件，所述第二镜头组件位于所述光反射器的远端，从所述头端部的远端方向射入的光线能够依次通过所述第二镜头组件、所述光反射器和所述第一镜头组件射向所述图像传感器；所述光反射器的几何中心设有中心通孔，所述中心通孔允许经所述第二镜头组件射向所述中心通孔的全部或部分光线通过。

13、进一步地，从所述头端部的远端方向射入的光线依次通过所述第二镜头组件、所述光反射器和所述第一镜头组件射向所述图像传感器的感光表面的中心区域；

14、从所述头端部的侧向方向射入的光线依次通过所述光反射器和所述第一镜头组件射向所述图像传感器的感光表面的周边区域；

15、所述感光表面的中心区域和所述感光表面的周边区域为所述感光表面上没有交集的两个不同区域。

16、进一步地，所述头端部包括第一环形支座和位于所述第一环形支座远端的第二环形支座，所述透光管固定连接在所述第一环形支座和所述第二环形支座之间；所述第一镜头组件和所述环阵超声换能器均固定连接于所述第二环形支座，所述光反射器和所述第二镜头组件均固定连接于所述第二环形支座。

17、进一步地，所述头端部还包括位于所述第一环形支座近端的第三环形支座，所述头端部的外周设有固定连接在所述第一环形支座和所述第三环形支座之间的透光窗，所述透光窗的内侧设有照明件，所述照明件用于为所述光学摄像模组提供拍摄所需光线；所述照明件为led灯或照明光纤。

18、进一步地，所述第一镜头组件包括第一镜筒和设置在所述第一镜筒内的第一透镜组；所述第二镜头组件包括第二镜筒、设置在所述第二镜筒内的第二透镜组、以及固定于所述第二镜筒且位于所述第二透镜组远端的保护玻璃窗，所述第一镜筒固定于第二环形支座，所述第二镜头固定于所述第一环形支座。

19、一种集成光学环视和超声环扫功能的多模成像系统，包括主机、显示器和如上所述的集成光学环视和超声环扫功能的多模成像导管；所述导管包括由近端到远端依次设置的导光部、柔性导管部和头端部：所述导光部插接连接于所述主机，所述主机连接有显示器；所述光学摄像模组获取的光学图像数据和所述环阵超声换能器获取的超声断层图像数据经过所述主机处理后显示于所述显示器。

20、进一步地，所述主机包括系统控制模块、以及与所述系统控制模块电连接的光学光源模块、超声前端模块和导管插座；

21、所述导管插座用于与所述导管的导光部建立光、电及控制信号的连接；

22、当所述照明件为照明光纤时，所述光学光源模块受控于所述系统控制模块产生照明光束，所述光学光源模块发出的照明光束通过照明光束端口与所述导管内的照明光纤光学耦合；当所述照明件为led灯时，所述光学光源模块受控于所述系统控制模块产生照明信号，照明信号通过照明信号传输线传递至所述导管内的led灯；

23、所述超声前端模块受控于所述系统控制模块产生激励脉冲信号，所述超声前端模块发出的激励脉冲信号通过超声信号收发端口传输至所述导管远端的环阵超声换能器；所述超声前端模块根据所述环阵超声换能器回传的超声回波信号生成b模式超声原始图像数据和/或彩色多普勒血流原始图像数据，并将所述b模式超声原始图像数据和/或彩色多普勒血流原始图像数据输出至系统控制模块；

24、所述系统控制模块包括主处理器和与所述主处理器电连接的成像处理单元，所述主处理器与所述导光部的成像信号端口电连接；所述成像处理单元包括光学图像处理单元、b模式超声图像处理单元、彩色多普勒血流图像处理单元和图像融合单元；

25、所述光学图像处理单元耦合于所述主处理器和所述图像融合单元之间，所述光学图像处理单元对回传的光学图像数据进行处理以得到光学图像；

26、所述b模式超声图像处理单元耦合于所述主处理器和所述图像融合单元之间，所述b模式超声图像处理单元对b模式超声原始图像数据进行处理以得到b模式超声图像；

27、所述彩色多普勒血流图像处理单元耦合于所述主处理器和所述图像融合单元之间，所述彩色多普勒血流图像处理单元对回传的彩色多普勒血流原始图像数据进行处理以得到彩色多普勒血流图像，所述彩色多普勒血流图像叠加在同位置的b模式超声图像上；

28、所述图像融合单元包括存储有图像融合算法的内存固件；所述图像融合单元基于出厂标定获得的光学图像坐标系-超声断层图像坐标系的空间映射参数，在同一坐标系下对所述光学图像、b模式超声图像和彩色多普勒血流图像进行实时融合得到光学-超声叠合图像，并将光学-超声叠合图像显示在所述显示器的同一画面上。

29、本发明技术方案，具有如下优点：

30、1.本发明提供的集成光学环视和超声环扫功能的多模成像导管，通过在导管的头端部的外周设置可以透光和透声的透光管，在头端部的内部沿近端到远端依次设置图像传感器、第一镜头组件和光反射器，且光反射器能够将自透光管射入头端部内的光线反射至第一镜头组件并射向图像传感器，能够实现头端部外周360°的环视光学成像；透光管内侧的环阵超声换能器能够实现头端部外周360°的超声环扫成像，且由于环阵超声换能器在头端部外周的超声环扫区域和光学摄像模组在头端部外周的光学环视区域部分重合，两者配合能够同时获取头端部侧向方向上同一目标对象的光学图像数据和超声断层图像数据，将环视光学成像与环阵超声成像（包括彩色多普勒功能）集成于同一导管的头端部内，在单次检查中能够同步获取目标对象的表面形态信息、深层结构和血流信息，填补了该领域的技术空白。

31、2.本发明提供的集成光学环视和超声环扫功能的多模成像导管，环阵超声换能器同轴设置在第一镜头组件的外周，环阵超声换能器和第一镜头组件通过共轴设计和出厂标定能够实现超声成像和光学成像这两种成像模态的空间对准。

32、3.本发明提供的集成光学环视和超声环扫功能的多模成像导管，环阵超声换能器固定设置在第一镜头组件偏向近端部分的外周，可以减少环阵超声换能器对穿过透光管的侧向环视光线的干扰，侧向进入光线能够通过环阵超声换能器和光反射器之间的间隙射向光反射器，有利于提高环视光学成像的清晰度。

33、4.本发明提供的集成光学环视和超声环扫功能的多模成像导管，抗反射涂层可以减小杂散光对环视光学成像清晰度的干扰，亲水涂层可以促进液体浸润透光管的外壁面，防止透光管的外壁面因出现空气间隙对超声成像质量的影响。

34、5.本发明提供的集成光学环视和超声环扫功能的多模成像导管，弯月型双曲面反射镜片的两个焦点在弯月型双曲面反射镜片的两侧，其中靠近图像传感器一侧的焦点与第一镜头组件靠近图像传感器一侧的焦点实现公共焦点设计。与球面反射镜片相比，双曲面反射镜片在设定的共轭焦点工作状态下不存在球差，可避免由于球面反射产生的像差模糊，从而保证侧向环视光学成像的清晰度。与椭球面反射镜片相比，双曲面反射镜片在实现共焦点设计的同时，其凸面朝向像侧的结构使得反射光路与入射光路在空间上自然分离，无机械结构遮挡风险，有利于将透过透光管的大角度侧向环视光线反射并收敛至光轴上的公共焦点，进而与前向直视光线实现共焦点匹配，保证两路光束在同一中间像面上形成清晰一致的图像。

35、6.本发明提供的集成光学环视和超声环扫功能的多模成像导管，第二镜头组件和第一镜头组件配合可以实现头端部远端的轴向光学成像；光反射器的几何中心设有中心通孔，中心通孔沿光轴贯通，中心通孔供前向成像光束无遮挡透射通过，直接射入第二镜头组件和图像传感器；侧向成像光束射向中心通孔外围的反射曲面，经反射折转后同样射入第二镜头组件和图像传感器，两路成像光束互不干涉，能够在同一图像传感器上同时成像。

36、7.本发明提供的集成光学环视和超声环扫功能的多模成像导管，感光表面的中心区域和感光表面的周边区域在图像传感器上的分区设置，能够实现前向成像光线和侧向环视光线的同时成像，且互不干涉。

37、8.本发明提供的集成光学环视和超声环扫功能的多模成像导管，在光学摄像模组的成像光路中，前向直视光线依次经第二镜头组件和光反射器的中心通孔后，在第一镜头组件的物方侧形成一前向实像，侧向环视光线经光反射器反射后形成一虚像，前向实像与虚像位于第一镜头组件物侧的同一中间像平面，第一镜头组件将中间像平面上的前向实像与虚像共同成像至图像传感器的感光表面，前向实像经第一镜头组件后在图像传感器的感光表面的中心区域成像得到前向直视图像，虚像经第一镜头组件后在图像传感器的感光表面的周边区域成像得到侧向环视图像，从而使前向直视图像与侧向环视图像在感光表面上分区呈现且互不干扰，便于前向成像光束和侧向环视光束的在低光环境下的同时分区成像。

38、9.本发明提供的集成光学环视和超声环扫功能的多模成像导管，第一环形支座和第二环形支座能够实现透光管、第一镜头组件、环阵超声换能器、光反射器和第二镜头组件在头端座上的共轴集成安装。

39、10.本发明提供的集成光学环视和超声环扫功能的多模成像系统，采用上述集成光学环视和超声环扫功能的多模成像导管，集成环视光学成像与超声环扫断层成像功能，在单根成像导管上实现了360°侧向环视光学成像、前向直视光学成像、360°侧向超声断层成像（b模式）以及彩色多普勒血流成像这四种模态的有机融合，且侧向环视光学成像和侧向超声断层成像能够实现同一目标组织的表面精细形态和深层结构及血流信息，在不增加器械数量和操作复杂性的前提下，显著提升了腔内成像的多维度信息获取能力，可广泛用于多种体内腔道的诊断与治疗场景。

40、11.本发明提供的集成光学环视和超声环扫功能的多模成像系统，彩色多普勒血流图像处理单元耦合于主处理器和图像融合单元之间，彩色多普勒血流图像处理单元对回传的彩色多普勒血流原始图像数据进行处理以得到彩色多普勒血流图像，彩色多普勒血流图像叠加在同位置的b模式超声图像上，能够获取伸出组织内的血流信息；图像融合单元基于出厂标定获得的光学图像坐标系-超声断层图像坐标系的空间映射参数，能够在同一坐标系下对光学图像、b模式超声图像和彩色多普勒血流图像进行实时融合得到光学-超声叠合图像，并将光学-超声叠合图像显示在显示器的同一画面上，方便在同一画面中看到病灶的全貌，提高诊断准确性。