一种超声成像系统及其成像方法与流程

1.本发明涉及超声技术领域。具体地，本发明涉及一种超声成像系统及其成像方法。


背景技术：

2.在超声成像、光声成像等生物医学成像系统中，超声传感器阵列是成像系统的关键部件。传感器阵列由多个超声传感器阵元以一定的空间排布方式组成，以每个阵元探测到的超声信号为基础，基于声学相位合成方法能够重建出目标生物组织结构，从而为医学诊断提供影像学依据。
3.现有技术中光声成像系统主要包括基于压电材料的超声传感器以及包括光纤超声传感器。然而，主流技术使用多个超声传感器作为超声传感器阵列中的阵元时，基于压电材料的超声传感器的成本较高，极大的提高了光声成像系统的成本，并且存在多个超声传感器阵元之间相互干扰导致成像质量较低的问题。
4.光纤超声传感器是以光纤为敏感介质、通过将超声波的声学作用转换为光学信号变化的新型传感器。us6839496b1公开了一种基于光纤超声传感器的超声成像系统，通过在光纤端面设计干涉仪结构，超声作用引起光纤的敏感薄膜厚度变化，实现反射光的干涉谱漂移，然而该超声成像系统无法实现对同一个超声波信号进行并行探测。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题至少之一，本发明第一个实施例提供一种超声成像系统，包括：
6.传感器模块，配置为调制外部的超声波信号，并输出多个预设波长的调制光信号；
7.分时复用模块，配置为基于所述调制光信号输出预设的延迟量下的延迟调制光信号；
8.光学信号采集模块，配置为根据所述延迟调制光信号生成光声成像图片。
9.进一步的，传感器模块包括不同预设波长的光纤超声传感器；其中，所述光纤超声传感器包括：
10.激光光源单元，配置为发射入射激光；
11.与所述半导体激光器连接的光纤组件，配置为基于所述入射激光将外部的超声波信号调制后输出；以及
12.位于所述光纤上成对设置的反射光栅腔镜。
13.进一步的，所述光纤包括稀土离子。
14.进一步的，所述分时复用模块包括：
15.波分复用器：配置为接收所述多个预设波长的调制光信号并通过同一光纤线路输出；
16.选通开关，配置为根据预选时间阈值选择满足所述预选时间阈值的调制光信号；
17.环形器，配置为将所述满足所述预选时间阈值的调制光信号引导至所述反射延迟单元；
18.对应于所述预设波长的反射延迟单元，配置为反射并延迟所述对应于所述预设波长的所述调制光信号，以使得所述环形器输出延迟后的延迟调制光信号。
19.进一步的，所述反射延迟单元包括：交替排列的窄带反射组件和延迟光纤；
20.所述窄带反射组件，包括至少一个对应于所述预设波长的窄带反射件；
21.所述延迟光纤组件，包括设置在所述窄带反射件远离所述环形器一侧的延迟光纤或者设置在相邻窄带反射件之间的延迟光纤。
22.进一步的，所述光学信号采集模块包括：
23.光电转换单元，配置为根据所述延迟调制光信号输出延迟调制电信号：
24.信号解调单元，配置为解调所述延迟调制电信号；
25.图像处理单元，配置为根据所述延迟调制电信号生成光声成像图片。
26.进一步的，所述光电转换单元包括：
27.放大器，配置为放大所述延迟调制光信号；
28.光电探测器，配置为将所述延迟调制光信号转换为所述延迟调制电信号；
29.变频单元，配置为将所述调制电信号进行变频处理；
30.模数转换单元，配置为将变频处理的调制电信号进行离散化。
31.进一步的，所述信号解调单元进一步配置为还原所述离散化的变频处理的调制电信号，输出所述延迟调制电信号。
32.进一步的，所述光纤超声传感器为波长调制型传感器或者频率调制型传感器；
33.或者
34.所述光纤超声传感器还包括单偏振型光纤传感器；
35.光学信号采集模块还包括非平衡式干涉仪，配置为将所述延迟调制光信号转换为光学强度信号并输出至所述光电探测器；
36.或者
37.述光纤超声传感器还包括单频输出型光纤传感器；
38.光学信号采集模块还包括非平衡式干涉仪结合光电探测器，配置为将所述延迟调制光信号转换为光学强度信号并输出至所述光电探测器；或者
39.光纤超声传感器还包括无源光纤光学谐振腔，配置为输出所述调制光信号；
40.光学信号采集模块还包括频率梳，配置为检测所述无源光纤光学谐振腔输出的所述调制光信号的频率信息并输出至所述光电探测器；
41.或者
42.光纤超声传感器还包括无源光纤光学谐振腔，配置为输出所述调制光信号；
43.光学信号采集模块还包括可调谐激光器，配置为检测所述无源光纤光学谐振腔输出的所述调制光信号的频率信息并输出至所述光电探测器。
44.本发明第二个实施例提供一种利用权利上述超声成像系统进行超声成像的方法，包括
45.根据外部的超声波信号进行调制，并输出多个预设波长的调制光信号；
46.基于所述调制光信号输出预设的延迟量下的延迟调制光信号；
47.根据所述延迟调制光信号生成光声成像图片。
48.本发明的有益效果如下：
49.本发明实施例通过传感器模块将外部的超声波信号调制为多个预设波长的调制光信号输出，并利用分时复用模块将多个调制光进行延迟避免干涉，光学信号采集模块根据互相独立的延迟调制光信号生成光声成像图片，本发明实施例的光声成像系统能够对同一超声波信号并行采集，从而生成成像质量较高的光声成像图片，并且本发明实施例超声成像系统成本较低，具有广泛的应用前景。
附图说明
50.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
51.图1示出本发明一个实施例提出的超声成像系统的框架结构图；
52.图2示出本发明实施例所述的光纤超声传感器的结构示意图；
53.图3示出本发明实施例的光纤超声传感器的输出的调制光信号的输出光谱示意图；
54.图4示出本发明实施例所述的分时复用模块的结构示意图；
55.图5示出本发明实施例所述的光学信号采集模块的结构示意图；
56.图6示出本发明实施例所述的光学信号采集模块的一个具体示例的结构示意图；
57.图7示出本发明实施例的超声成像系统生成的调制光信号序列示意图；
58.图8a和8b分别示出目标组织的图片以及利用本发明实施例的光声成像系统得到的光声成像图片；
59.图9示出本发明另一个实施例的提出的超声成像方法的流程图。
具体实施方式
60.为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
61.需要说明的是，本文中所述的“在
……
上”、“在
……
上形成”和“设置在
……
上”可以表示一层直接形成或设置在另一层上，也可以表示一层间接形成或设置在另一层上，即两层之间还存在其它的层。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
62.现有医用超声传感器主要基于压电材料，将超声信号转换为电信号输出。医用超声传感系统中包括多个超声传感器阵列，每个超声传感器阵元都需配置独立的前置放大器、滤波器与信号采集模块。现有技术中，通过设置数量较多的超声传感器阵列中阵元数量，实现对目标组织结构进行更为精准的还原，从而获得质量更高的成像结果。然而由于组阵方式上的限制，超声传感器的阵元数量越多，构成阵列的成本也相应成比例地提高。此
外，大规模的超声传感器阵列中各阵元之间不可避免的存在电磁串扰，即使超声传感器阵元数量继续增加也有可能无法获得更优的成像质量。
63.现有技术的光声成像系统中，还利用光纤超声传感器形成光声成像系统，采用多个器具有各自不同的工作波长的超声传感器阵元构成了一个阵列，在信号采集方式上，需采用一台可调谐激光器通过波长扫描分别对每个传感器进行信号采集，无法实现对同一个超声场信号进行并行探测。
64.然而，上述光声成像系统存在成本高、成像质量低的问题，为解决该问题，本技术提出一种超声成像系统及其成像方法。
65.本发明第一个实施例提出一种超声成像系统，如图1所示，其包括：
66.传感器模块，配置为调制外部的超声波信号，并输出多个预设波长的调制光信号；
67.分时复用模块，配置为基于所述调制光信号输出预设的延迟量下的延迟调制光信号；
68.光学信号采集模块，配置为根据所述延迟调制光信号生成光声成像图片。
69.本发明实施例通过传感器模块将外部的超声波信号调制为多个预设波长的调制光信号输出，并利用分时复用模块将多个调制光进行延迟避免干涉，光学信号采集模块根据互相独立的延迟调制光信号生成光声成像图片，本发明实施例的光声成像系统能够对同一超声波信号并行采集，从而生成成像质量较高的光声成像图片。
70.本发明实施例中，一方面，本发明实施例利用光纤超声传感器成像的复用性能，即，能够通过一个光学信号采集模块实现对传感器模块中的多个传感器同时进行信号采集，实现对同一外部超声波信号的并行调制和采集，从而有效提高光声成像图片的成像质量。进一步的，本发明实施例的传感器模块中的多个光纤传感器之间不存在电磁串扰，进一步提高成像质量。另一方面，本发明实施例仅采用一个光学信号采集模块，有效避免由于光学信号采集模块成本较高造成的成本占用的问题，从而在实现高质量成像的基础上有效降低系统成本，具有广泛的应用前景。
71.在一个可选的实施例中，传感器模块包括不同预设波长的光纤超声传感器；其中，所述光纤超声传感器1包括激光光源单元11和光纤12，以及位于所述光纤12上成对设置的反射光栅腔镜123。
72.激光光源单元11配置为发射入射激光。在一个具体示例中，本发明实施例的激光光源单元包括半导体激光器，其能够输出的入射激光的波长为980mm的泵浦光源，使得光纤超声传感器在泵浦光注入后在增益波长上形成连续光的激光输出。
73.光纤12与所述半导体激光器连接，基于所述入射激光将外部的超声波信号调制后输出。
74.在一个可选的实施例中，所述光纤的纤芯，所述光纤包括稀土离子。本发明实施例的传感器的光纤含有稀土离子，稀土掺杂离子能够提供光学增益，以提高成像质量。在一个具体示例中，所述光纤为铒-镱共掺光纤。
75.以及位于所述光纤12上成对设置的反射光栅腔镜123，反射光栅腔镜123的反射率较高用来提供光学反馈。激光输出波长由光栅反射镜的反射波长决定，在一个具体示例中，光栅腔镜间距小于8mm，从而保证在x、y两个正交偏振方向上都具有单频率激光输出，对应的输出激光波长在1525-1565nm之间。本发明实施例中，传感器模块包括多个光纤超声传感
器，每一光纤超声传感器的工作波长不同，从而能够将外部的超声波信号调制为对应的工作波长并输出。在一个具体示例中，本发明实施例的光纤超声传感器对1mhz至50mhz范围的超声波信号具有探测能力，具有广泛的应用前景。
76.在一个具体示例中，传感器模块包括4个不同预设波长的光纤超声传感器，图3示出了每一光纤超声传感器在输出端的输出光谱，4个工作波长分别为1542.4、1544.2、1550.3、1551.7nm。该4个不同工作波长的光纤超声传感器根据对应目标组织的形态以及目标组织的结构特点进行组阵。例如，多个光纤超声传感器按照线性、环形等几何结构构成阵列。本发明实施例不限制传感器模块中的光纤超声传感器的具体组阵结构，本领域技术人员根据实际应用进行设置，在此不再赘述。
77.进一步的，利用光纤固定管内部的反射光栅腔镜的双折射特性，由于光纤内存在微弱的双折射，x、y方向的两正交激光的输出频率存在一定频率差。光纤超声传感器响应于入射的待测超声波，光纤能够产生微小形变，在x、y方向上激光频率发生漂移，拍频信号也发生频率移动，从而输出响应于外部超声波信号产生的调制光信号fx以及fy至光学信号采集模块。在一个具体示例中，拍频信号频率在0.1ghz至2.5ghz之间。
78.因此，本发明实施例的传感器模块能够对目标组织同时进行信号采集，并在保证超声调制信号能够符合目标组织的真实特征的基础上，避免多个光纤超声传感器之间的电磁串扰，有效提高成像质量。
79.在一个可选的实施例中，如图4所示，所述分时复用模块2包括：
80.波分复用器21：配置为接收所述多个预设波长的调制光信号(λ1、λ2、λ3～λn)并通过同一光纤线路输出；
81.选通开关22，配置为根据预选时间阈值选择满足所述预选时间阈值的调制光信号；
82.环形器23，配置为将所述满足所述预选时间阈值的调制光信号引导至所述反射延迟单元；
83.对应于所述预设波长的反射延迟单元24，配置为反射并延迟所述对应于所述预设波长的所述调制光信号。
84.本实施例中，波分复用器具有不同的工作波长的输入信道，每一输入信道的工作波长对应于传感器模块的预设波长，使得多个不同波长的调制光信号分别接入独立的输入信道中以避免串扰，并且通过一个光纤线路将各独立信道中不同波长的调制光信号输出至选通开关。
85.在一个具体示例中，如图4所示，波分复用器包括多个输入端，每一输入端能够接入对应于传感器模块的预设波长的调制光信号λ1、λ2、λ3～λn，并通过同一输出端将工作在不同波长上的调制光信号λ1、λ2、λ3～λn合并到同一根光纤线路中输出至选通开关。
86.本发明实施例的选通开关包括光开关，光开关在时间上对通过的调制光信号进行选通切换，仅通过含有一个预选时间阈值t的调制光信号，其它时间区间的调制光信号不予通过。如图4所示，调制光信号λ1满足选通开光的当前的预选时间阈值，因此不同波长上的调制光信号λ1、λ2、以及λ3中仅通过一个调制光信号λ1。在下一个预设时间阈值t内，则只有调制光信号λ2可通过。
87.值得说明的是，本发明不限制具体的预设时间阈值，本领域技术人员应当根据实
际应用选择对应的预设时间阈值，以实现选通开关仅通过一个满足预设时间阈值的调制光信号为设计准则，在此不再赘述。
88.进一步的，环形器23为将所述满足所述预选时间阈值的调制光信号引导至所述反射延迟单元24，反射延迟单元24反射并延迟所述对应于所述预设波长的所述调制光信号。在本实施例中，反射延迟单元24包括多个对应于所述调制光信号波长的窄带反射组件241，即，调制光信号λ1可被环形器引导至对应于其波长的窄带反射组件241上，调制光信号λ2可被环形器引导至对应于其波长的窄带反射组件241上，以将每一调制光信号延迟后的相互隔离，避免调制光信号之间的串扰。
89.在一个可选的实施例中，如图4所示，所述反射延迟单元24包括：交替排列的窄带反射组件241和延迟光纤242；
90.所述窄带反射组件241包括至少一个对应于所述预设波长的窄带反射件。每一窄带反射件的反射波长与各只光纤超声传感器的工作波长相匹配，仅能反射该波长的信号。
91.所述延迟光纤242包括：设置在所述窄带反射件241远离所述环形器23一侧的延迟光纤或者设置在相邻窄带反射件之间的延迟光纤。在一个具体示例中，相邻的两个窄带反射件之间插入一段延迟光纤，与环形器距离最近的第一个窄带反射件配合的延迟光纤设置在第一个窄带反射件远离所述环形器一侧。
92.延迟光纤的长度决定着所经信号的延迟时间，使相邻两个工作波长的调制光信号在时间上完全分开，有效避免串扰。在时间上完全交错的各波长的调制光信号再次传输至环形并输出。
93.具体的，延迟光纤长度l与延迟时间t的关系为t＝l/2c，其中c为光纤内光的传播速度。在一个具体示例中，为实现相邻两个波长的调制光信号在时间上完全分开，延迟时间t应大于等于预设时间阈值t，使得每个波长的时间窗口之间存在一定的空白区间。具体地，作为一个实施例，两个相邻光纤超声传感器之间的时间延迟为15微秒，考虑到光纤内光速约为2
×
108m/s，对应的延迟时间为1.5公里。每个传感器信号光的时间窗口为10微米，考虑到生物组织内声速约为1500m/s，对应的成像深度约为1.5cm。
94.本发明实施例不限制延迟光纤的延迟时间，本领域技术人员应当根据实际需求对每个预设波长的调制光信号进行适当延迟，以使调制光信号之间具有各自的时间窗口并相互交错开，不存在重叠区间为设计准则，在此不再赘述。
95.本发明实施例的调制光信号经反射延迟单元延迟后，再次输出至环行器，使得环形器输出延迟后的延迟调制光信号至光学信号采集模块，光学信号采集模块能够将延迟调制光信号转换和解调，并生成光声成像图片。
96.在一个可选的实施例中，如图5所示，所述光学信号采集模块3包括：
97.光电转换单元31，配置为根据所述延迟调制光信号输出延迟调制电信号：
98.信号解调单元32，配置为解调所述延迟调制电信号；
99.图像处理单元33，配置为根据所述延迟调制电信号生成光声成像图片。
100.在一个可选的实施例中，如图6所示，所述光电转换单元31包括：
101.放大器311，配置为放大所述延迟调制光信号；
102.光电探测器312，配置为将所述延迟调制光信号转换为所述延迟调制电信号；
103.变频单元313，配置为将所述调制电信号进行变频处理；
104.模数转换单元314，配置为将变频处理的调制电信号进行离散化。
105.在本实施例中，放大器311对延迟调制光信号进行放大，在一个具体示例中，放大器包括掺铒光纤放大器。光电探测器(pd)312获取放大后的延迟调制光信号并进行光电转换。在一个具体示例中，光电探测器的带宽大于等于5ghz。变频单元313进一步将所述调制电信号进行变频处理，具体的，对光电转换后的延迟调制光信号进行下变频，并通过本地微波源与入射的光纤传感器的调制信号进行混频，从而实现正交下变频。模数转换单元314将变频处理的调制电信号离散化后进行采集。在一个具体示例中，对采集的调制电信号进行低通滤波，以提升信噪比。信号解调单元对采集的调制电信号进行解调并使得图像处理单元根据所述延迟调制电信号生成光声成像图片。
106.在一个可选的实施例中，所述信号解调单元32进一步配置为还原所述离散化的变频处理的调制电信号，输出所述延迟调制电信号。
107.在一个具体示例中，模数转换单元采集的两路正交的延迟调制电信号q(t)与i(t)的夹角为且该夹角和相互正交的延迟调制电信号q(t)和i(t)之间的关系为：
[0108][0109]
在一个具体示例中，传感器模块响应于超声波信号的产生频率调制为相位对时间的导数，通过求导操作还原出原始的调制光信号，图7为根据本发明实施例得到的原始调制光信号序列，如图7所示，原始调制光信号#1对应调制光信号λ1，原始调制光信号#2对应调制光信号λ2，原始调制光信号#3对应调制光信号λ3，原始调制光信号#4对应调制光信号λ4，传感器模块中的多个光纤超声传感器对应的预设波长的调制光信号在时间上相互独立，并未产生串扰，有效确保根据调制光信号生成的光声成像图片的成像品质。
[0110]
图8a和8b分别示出目标组织的图片以及利用本发明实施例的光声成像系统得到的光声成像图片。由图8a和8b可知，利用本发明实施例的超声成像系统得到的光声成像图片具有较高的成像质量。
[0111]
在一个可选的实施例中，所述光纤超声传感器为波长调制型传感器或者频率调制型传感器，每个光纤超声传感器的工作波长不同，外部的超声波信号到传感器上引起其输出波长(或频率)的调制。
[0112]
在另一个可选的实施例中，所述光纤超声传感器还包括单偏振型光纤传感器；
[0113]
光学信号采集模块还包括非平衡式干涉仪，配置为将所述延迟调制光信号转换为光学强度信号并输出至所述光电探测器。
[0114]
在另一个可选的实施例中，所述光纤超声传感器还包括单频输出型光纤传感器；
[0115]
光学信号采集模块还包括非平衡式干涉仪结合光电探测器，配置为将所述延迟调制光信号转换为光学强度信号并输出至所述光电探测器。
[0116]
在另一个可选的实施例中，光纤超声传感器还包括无源光纤光学谐振腔，配置为输出所述调制光信号；
[0117]
光学信号采集模块还包括频率梳，配置为检测所述无源光纤光学谐振腔输出的所述调制光信号的频率信息并输出至所述光电探测器。
[0118]
在另一个可选的实施例中，光纤超声传感器还包括无源光纤光学谐振腔，配置为输出所述调制光信号；
[0119]
光学信号采集模块还包括可调谐激光器，配置为检测所述无源光纤光学谐振腔输出的所述调制光信号的频率信息并输出至所述光电探测器。
[0120]
本发明上述实施例的光纤超声传感器以及光学信号采集模块进行超声波信号调制的过程和原理与前述实施例类似，在此不再赘述。本发明实施例能够应用多种类型的光纤超声传感器以及光学信号采集模块，既能降低光声成像系统的制造成本，又能实现高质量的成像图片，具有广泛的应用前景。
[0121]
本发明另一个实施例提出一种利用本发明上述超声成像系统进行超声成像的方法，如图9所示，该方法包括：
[0122]
根据外部的超声波信号进行调制，并输出多个预设波长的调制光信号；
[0123]
基于所述调制光信号输出预设的延迟量下的延迟调制光信号；
[0124]
根据所述延迟调制光信号生成光声成像图片。
[0125]
在一个具体示例中，所述外部的超声波信号为目标组织吸收激光脉冲产生瞬时热膨胀而激发生成的，传感器模块调制外部的超声波信号，并输出多个预设波长的调制光信号；分时复用模块基于所述调制光信号输出预设的延迟量下的延迟调制光信号；光学信号采集模块根据所述延迟调制光信号生成光声成像图片，利用本发明实施例的超声成像的方法得到的光声成像图片，能够通过一个光学信号采集模块实现对传感器模块中的多个传感器同时进行信号采集，传感器模块中的多个光纤传感器之间不存在电磁串扰，实现对同一外部超声波信号的并行调制和采集，有效提高光声成像图片的成像质量，具有广泛的应用前景。
[0126]
需要说明的是，本发明实施例提供的超声成像方法的步骤的先后顺序可以进行适当调整，步骤也可以根据情况进行相应增减，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易程度变化的方法，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此不再赘述。
[0127]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。