一种光声超声多模态成像系统的制作方法

技术特征：
1.一种光声超声多模态成像系统，其特征在于：该多模态成像系统包括四个成像子系统，分别为光声显微成像系统、光声层析成像系统、宽波束b-mode超声成像系统和超声多普勒成像系统；该多模态成像系统包括光源组件、光路整形组件、光路传输组件、光束扫描组件、反射式支架、信号采集与控制平台、计算机和耦合水槽；所述光源组件包括应用于光声显微成像系统的固体激光器与连续谱发光二极管，和应用于光声层析成像系统的发射短脉冲激光的泵浦激光器与光学参数振荡器，用于向成像目标发射一定频率的脉冲激光；其中，光声显微成像系统应用可见光波段的高频激光，光声层析成像系统应用近红外波段的低频激光；所述光路整形组件包括应用于光声显微成像系统的滤光片与反射镜，和应用于光声层析成像系统的扩束器与透镜组，用于发射激光的光斑整形；所述光路传输组件包括应用于光声显微成像系统的聚焦物镜、滤光小孔以及单模光纤，和应用于光声层析成像系统的平凸透镜与多模光纤，用于传输激光并根据不同成像需求射出单模或多模光斑；所述光束扫描组件包括可调焦准直透镜、二维mems扫描振镜以及平凸透镜，用于对光声显微成像系统中单模光纤出射的脉冲激光进行准直，扫描与聚焦；所述反射式支架包含光束传输组件与超声反射组件，并设置入光口与第一出光口用于激光信号与超声信号传输，所述激光器产生的脉冲激光通过入光口进入反射式支架，并通过第一出光口到达成像目标；所述第一出光口也作为宽波束b-mode超声成像系统与超声多普勒成像系统中超声信号与成像目标反应的中介；所述信号采集与控制平台使用商用的超声平台，该平台附带有一体化的阵列超声探头，用于超声信号的发射与接收；该平台通过程序编码对发射和采集到的超声信号进行简单操作，包括放大，滤波以及信号显示等预处理；所述计算机用于驱动二维mems扫描振镜实现光栅扫描并控制电机转动；此外，图像的重建过程在计算机上实现；所述耦合水槽，用于传输激光信号与超声信号，通过超声耦合剂与成像目标直接接触。2.根据权利要求1所述的光声超声多模态成像系统，其特征在于：所述采集控制平台与激光器共同合作完成对四种模态的时序控制，每一采集周期完成一个成像截面的信号采集；所述连续谱发光二极管接收固体激光器的激光脉冲并传送到采集控制平台提供触发信号，采集控制平台接收触发信号，并在一个采集周期内先后完成光声显微成像模态信号采集，短脉冲激光发射，光声层析成像模态信号采集，宽波束超声信号发射与接收，平面波超声信号发射与接收；所述短脉冲激光由泵浦激光器与光学参数振荡器接收采集控制平台的触发信号进行发射。3.根据权利要求1所述的光声超声多模态成像系统，其特征在于：所述采集与控制平台控制阵列换能器向成像目标发射宽波束超声信号以进行b-mode成像扫描，并接收超声回波信号；所述采集与控制平台控制阵列换能器向成像目标发射平面波超声信号进行多普勒成像扫描，控制换能器接收超声回波信号，并对信号进行存储，以备后续的图像重建与处理；阵列超声换能器利用所有阵元对四种模态产生的超声信号进行接收。4.根据权利要求1所述的光声超声多模态成像系统，其特征在于：所述光声显微成像系
统利用光束扫描组件对成像目标进行二维扫描，计算机控制二维mems扫描振镜的第一个轴进行移动，带动聚焦的点激光遍历快轴的扫描范围，形成一幅b-scan图像后，二维mems扫描振镜改变另一个轴的位置作为慢轴，重复b-scan扫描过程；这样遍历成像区域后，利用多个b-scan图像获得成像目标的最大值投影图像。5.根据权利要求1所述的光声超声多模态成像系统，其特征在于：所述宽波束b-mode超声成像系统在控制阵列超声换能器发射超声波时以发射线位置为中点，并在阵列换能器两侧对称设置相等阵元数的阵元形成一组探头阵元组，使每一探头阵元组按照排布顺序依次聚焦于所设置的每一个焦点，该焦点深度在成像平面外；得到深度方向上的波束宽度和能量均匀分布，从而获得视场范围内灰阶和分辨率一致性高的超声图像。6.根据权利要求1所述的光声超声多模态成像系统，其特征在于：所述超声多普勒成像系统在控制阵列超声换能器发射超声波时全部阵元都执行发射动作，并接收反射的超声回波信号；通过平面波复合技术得到平面波b-scan图像；之后，对同一位置进行快速多帧采集，并通过gpu加速的算法重建获得高时空分辨率的超声多普勒图像。7.根据权利要求1所述的光声超声多模态成像系统，其特征在于：所述反射式支架是一个内部装有透明去离子水的半封闭矩形腔体；所述光束传输组件包括进光口、二向色镜、透光反声薄片以及出光口，在光声显微成像系统中，可见光波段的脉冲激光经过光束扫描组件聚焦后通过进光口照射到二向色镜，在光声层析成像系统中，多模光纤出射的脉冲激光直接照射二向色镜；二向色镜作为进光组件实现对可见光的反射与近红外波段激光的透射，使得两种不同波长的激光通过透光反声薄片和出光口进入耦合水槽；超声反射组件包含出光口、透光反声薄片、反声金属薄片、齿轮、防水轴承以及旋转电机。8.根据权利要求7所述的光声超声多模态成像系统，其特征在于，所述光束传输组件与超声反射组件中，二向色镜与所述入光口呈45
°
角，与所述第一出光口呈45
°
角；透光反声薄片与所述第一出光口呈45
°
角，二向色镜与透光反声薄片有一定距离并呈90
°
角，即非平行摆放；超声换能器与入射光束平行，并接收经过透光反声薄片与反声金属材料两次反射的超声回波信号。9.根据权利要求7或8所述的光声超声多模态成像系统，其特征在于：超声信号的扫描有两种方式：（1）所述超声反射组件的反声金属薄片通过防水轴承与齿轮与旋转电机相连置于超声探头下方与超声探头成一定角度，通过计算机控制旋转电机带动薄片进行旋转，从而控制声信号的入射角度，照射到成像目标的不同截面并进行超声回波接收，从而实现对超声信号的扫描；（2）将耦合水槽固定于步进电机并将成像目标放置在电机上随电机移动，使得光信号与超声信号照射在不同的成像平面，从而实现超声信号的扫描。10.根据权利要求1所述的光声超声多模态成像系统，其特征在于，耦合水槽的水槽设计浅而宽，目的是尽量减少光传输与声反射的路程，同时尺寸略宽于反射式支架可以在随电机移动时保持扫描的稳定；水槽底部开有附有透明材料的第二出光口，内部装满去离子水用于超声信号耦合；水槽放置在反射式支架下方，两个出光口之间用水耦合，并保持相对平行。

技术总结
本发明公开了一种光声超声多模态成像系统，将光声显微成像技术、光声层析成像技术、宽波束B-mode超声成像技术与超声多普勒成像技术相结合，在对同一目标组织进行成像时，可以同时获得光学吸收与声学衰减特性；光声成像技术以不同尺度不同视野下目标组织的功能信息为标志，揭示表面组织与深部组织的精细血管网络、血流动力学以及形态学变化；超声成像技术补充目标组织的结构信息与流体的流动速度，方向等；多模态的集合有利于充分发挥各个模态的成像优点，为多尺度多功能生物医学成像提供条件。件。件。


技术研发人员：奚磊 庞崭 齐伟智 秦伟 王一珂
受保护的技术使用者：南方科技大学
技术研发日：2021.09.16
技术公布日：2022/2/7