应用于脂肪移植的便携式光声显微成像装置及其成像方法

1.本发明涉及光学影像领域，尤其涉及应用于脂肪移植的便携式光声显微成像装置及其成像方法。


背景技术：

2.随着整形美容行业的蓬勃发展，我们年龄的逐渐增大，面部会出现下垂，脂肪流失，出现面部凹陷显老态，一些求美者为了改善面部凹陷，要求行脂肪移植，从而使面部年轻化。因此脂肪移植病例日渐增多，但脂肪栓塞事件也不少见。脂肪栓塞是脂肪移植潜在最严重的并发症，发生在脂肪误注入血管过程中，可导致脱发、失明、卒中和皮肤组织坏死等。
3.为了降低脂肪栓塞风险，如何在术中避开血管，尤显至关重要。目前针对这个问题，仍无有效可行的方法。那么，现在我们是否有一种仪器设备，能在术中对其血管进行扫描显影，产生三维视觉效果。不仅能指导临床医生，避开血管，减少脂肪栓塞，还能在脂肪填充时，指导我们对脂肪室进行精准注射。基于光声成像是近年快速发展起来的一种无损生物医学影像技术，具有其高分辨率、大探测深度、实时性强、小型化、低成本的特性，启迪并引导我们去寻求一种新方法。能在术中检测血管的方法，从而运用于脂肪移植手术中，进一步降低或避免脂肪栓塞的概率。
4.过去的十年中，光声成像(photoacoustic imaging)越来越受到生物医学领域科研人员的关注。细胞受到短脉冲激光照射后受热膨胀，并以高频振动的方式散热，从而产生超声波，根据不同组织产生超声波的特异性，便可实现组织结构的三维重建，光声成像是一种无损检测技术，具有无标记、无创伤、高分辨率以及高对比度等优势。
5.光声显微成像(photoacoustic microscopy)是一种通过逐点扫描实现高分辨率的光声成像技术，根据逐点扫描方式的不同分为光学分辨率光声显微成像和声学分辨率光声显微成像，前者分辨率更高，可接近亚微米；后者成像深度更深，可达到数十毫米，这种技术不仅能使组织成像，还能使血管成像，甚至毛细血管也能清晰成像。因此，在脂肪移植过程中，有指导医师避开血管的作用，能服务于临床，减少脂肪栓塞。
6.基于以上背景，迫使我们研发一套针对血管清晰成像的设备，帮助临床医生解决难题，降低脂肪栓塞率。
7.现有成熟的光声显微成像设备大都是利用电机带动激光头实现激光扫描，系统一般由光路部分与信号处理部分构成，光路部分主要用于光束的准直与聚焦，通常涉及准直器、光纤以及聚焦透镜，信号处理部分主要用于基于接收到的光声信号的三维重建，涉及超声换能器、信号放大器、滤波器以及一些用于图像处理的算法。
8.扫描振镜具有精度高速度快的特点常常在光学扫描领域中使用。扫描振镜主要有四种驱动方式：静电驱动、电磁驱动，其中电热驱动可以在保证精度的情况下获得大位移，常用于可实现大转角的微镜结构中。
9.传统的光声显微系统多采用步进电机进行扫描，扫描速度较慢且精度不高，长时间扫描时无法获取瞬时药物反应、脑功能等动态信息。同时，采用传统电机的光声显微系统
体积较大，不利于设备的携带，限制了光声显微系统的使用场景，因此本发明提出应用于脂肪移植的便携式光声显微成像装置及其成像方法。


技术实现要素：

10.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的应用于脂肪移植的便携式光声显微成像装置及其成像方法。
11.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
12.应用于脂肪移植的便携式光声显微成像装置，包括检测部分、激光部分、扫描振镜、信号接收部分和生物组织；
13.所述激光部分包括激光器、光纤、准直器、透镜、反射镜和透光反声玻片，激光器与光纤直接连接，所述光纤与主体装置直接连接，准直器的出射光路与透镜的光轴重合；
14.进一步的，准直器用于接收来自光纤的激光，并将其准直，准直器的出射光路与所述聚焦透镜的光轴重合，激光透过聚焦透镜后在聚焦透镜的焦点。
15.所述检测部分包括光电传感器与分光镜组成，所述分光镜置于光路中；
16.进一步的，激光通过分光镜后被分为两束光，其中一束激光入射到光电传感器，用于判断激光器工作状态，例如功率和光路方向。
17.所述信号接收部分包括超声换能器、信号放大器、滤波器以及通讯接口，所述超声换能器通过导线与信号放大器连接，所述信号放大器通过导线与滤波器链接；
18.所述扫描振镜由镜片、一号制动器、二号制动器、三号制动器、四号制动器以及相应的一号电极、二号电极、三号电极和四号电极组成。
19.进一步的，扫描振镜用于以不同的角度反射激光，实现逐点扫描。
20.优选的，所述一号制动器和三号制动器为一个制动器对，二号制动器和四号制动器为一个制动器对，所述一号制动器、二号制动器、三号制动器、四号制动器均布在镜片四周。
21.优选的，所述扫描振镜最大轴向位移505μm，扫描角度范围
±ꢀ
18
°
。
22.优选的，所述分光镜、透镜、反射镜、扫描振镜以及透光反声玻片依次排列后形成激光光路。
23.通过采用上述技术方案：激光光路中，在末端有一透光反声玻片，激光通过该玻片入射到生物体上，生物体产生的光声信号被所述透光反声玻片反射后入射到所述超声换能器，该设计有助于实现光轴与声轴共轴，提高成像的信噪比，分光片用于实现激光器工作状态的检测，所述聚焦透镜用于将所述准直后的激光聚焦到被测对象上，被所述反射镜反射的激光入射到所述扫描振镜上，所述扫描振镜通过调整偏转角度实现激光不同角度出射，所述透光反声玻片可保证光束通过并反射光声信号，实现光声共轴设计。
24.优选的，所述信号放大器与滤波器独立于主体结构之外，所述信号放大器与滤波器通过导线连接并与上位机，所述信号放大器与固定于主体结构的超声换能器通过导线连接。
25.通过采用上述技术方案：超声换能器接收生物组织受到激光作用后产生的光声信号，并经所述信号放大器与滤波器进行预处理，最后传入电脑进行处理。
26.优选的，所述应用于脂肪移植的便携式光声显微成像装置的成像方法，具体步骤
为：
27.步骤s1：生成短脉冲激光，所述短脉冲激光用于实时监测系统工作状态和作用于被测生物组织；
28.步骤s2：光束聚焦，所述短脉冲激光聚焦到被测生物组织表面；
29.步骤s3：扫描振镜偏转，实现所述短脉冲激光聚焦焦点在被测生物组织表面扫描；
30.步骤s4：超声换能器采集所述被测生物组织产生的光声信号，经预处理后，传入电脑基于光声信号振幅生成与所述被测对象对应的显微图像。
31.本发明的有益效果为：
32.本发明的成像方法为一种基于扫描振镜的激光扫描方案，代替传统的电机驱动激光头的方案，利用扫描振镜的绕轴偏转，使得聚焦光束在生物组织上扫描，扫描振镜体积小、精度高、响应快，使得成像系统具有高分辨率、快速成像、便携等特点，从而在脂肪移植中，能清晰显影血管，利于临床医师在可视下操作，避开血管，减少栓塞，在体积方面相比传统使用电机的成像系统有缩小了数个数量级，从而极大地拓宽了光声显微成像设备的应用场景。
33.进一步地，在本发明中，激光以“线扫描”模式进行扫描，在超声换能器性能一定的情况下，扫描线越密集，成像分辨率越高，每对制动器可驱动扫描振镜绕一轴转动，分别使用40hz和0.2hz的交流电驱动扫描振镜的两个制动器对，使得扫描振镜绕两轴转动的频率分别为80hz和0.18hz，在2min内得到分辨率优于7μm的图像，从而实现了生物样本的快速高质量成像，有望此研究发明能使血管清晰成像，为临床医生提供更好的辅助手段，降低手术风险。
附图说明
34.图1为实施例中应用于脂肪移植的便携式光声显微成像装置及其成像方法的结构框架图；
35.图2为实施例中应用于脂肪移植的便携式光声显微成像装置及其成像方法的结构示意图；
36.图3为实施例中扫描振镜结构示意图；
37.图4为实施例中应用于脂肪移植的便携式光声显微成像装置方法的流程示意图；
38.图5为实施例中对活体小鼠耳朵血管所成的最大值投影图像。
39.图中：
40.100、检测部分；101、分光镜；102、光电传感器；
41.200、激光部分；201、激光器；202、光纤；203、准直器；204、透镜；205、反射镜；206、透光反声玻片；
42.300、扫描振镜；301、镜片；302、一号制动器；303、二号制动器；304、三号制动器；305、四号制动器；306、一号电极；307、二号电极；308、三号电极；309、四号电极；
43.400、信号接收部分；401、超声换能器；402、信号放大器；403、滤波器；
44.500、生物组织。
具体实施方式
45.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
46.实施例
47.如图1-5所示，应用于脂肪移植的便携式光声显微成像装置，包含检测部分100，激光部分200、扫描振镜300以及信号接收部分400。
48.在本实施例中，激光器201产生激光并通过光纤202入射，扫描振镜300偏转，使得激光透过透光反声玻片206，作用在生物体上，生物体产生的超声波被透光反声玻片206反射后被超声换能器401接收，实现信号采集。
49.其中，如图2所示，分光镜101和光电传感器102构成了检测部分100，激光通过分光镜101后被分成两束光，其中一束激光入射到光电传感器102。
50.在本实施例中，光电传感器102用于检测激光功率以及光路位置偏移。
51.其中，如图2所示，激光由激光器201发出，通过光纤202传输，再经准直器203准直后出射，激光依次通过分光镜101和透镜204，并被反射镜205反射后，入射到扫描振镜300上，激光被扫描振镜 300反射后通过透光反声玻片206，最终作用在生物组织500上。
52.在本实施例中，激光器201发出波长为1064nm的短脉冲激光，激光入射到反射镜205的入射角为45
°
，初始状态下，激光入射到扫描振镜300的入射角为45
°
。
53.其中，如图3所示，扫描振镜300由镜片301、一号制动器302、二号制动器303、三号制动器304、四号制动器305以及相应的一号电极306、二号电极307、三号电极308，四号电极309组成，一号制动器302和三号制动器304为一个制动器对，二号制动器303和三号制动器304为一个制动器对，四个制动器均布在镜片301四周，其中在一号制动器302和三号制动器304的作用下，镜片301可绕轴2 转动，在二号制动器303与四号制动器305的作用下，镜片301可绕轴1转动，一号制动器302、二号制动器303、三号制动器304、四号制动器305同时作用时，镜片301可做单自由度的轴向运动。
54.在本实施例中，一号制动器302、二号制动器303、三号制动器 304、四号制动器305均为电热驱动制动器，扫描振镜300扫描角度为
±
18
°
，轴向最大位移为505μm。
55.其中，如图2所示，生物组织500被短脉冲激光作用后产生光声信号，光声信号向上传播时被透光反声玻片206反射并被超声换能器 401接收，超声换能器401接收的信号经信号放大器402放大后，再经滤波器403除杂以完成信号的预处理。
56.其中，如图4所示，应用于脂肪移植的便携式光声显微成像装置方法包括如下步骤：
57.步骤s1：生成短脉冲激光，所述短脉冲激光用于实时监测系统工作状态和作用于被测生物组织500；
58.步骤s2：光束聚焦，所述短脉冲激光聚焦到被测生物组织500 表面；
59.步骤s3：扫描振镜300偏转，实现所述短脉冲激光聚焦焦点在被测生物组织500表面扫描；
60.步骤s4：超声换能器401采集所述被测生物组织500产生的光声信号，经预处理后，传入电脑基于光声信号振幅生成与所述被测对象对应的显微图像。
61.在本实施例中，应用本发明的方法和装置对活体小鼠耳朵血管进行成像，具体如
图5所示。
62.具体的，利用实施例l的装置对活体小鼠耳朵血管进行成像，其中脉冲激光器201输出的波长为1064nm，脉宽15ns，扫描振镜300 沿成像区域的直径进行扫描，扫描范围为2.5mm，扫描步长为5μm，共采集1000组信号，得到如上图所示的图像，由图像可以看出，活体小鼠耳朵中的毛细血管被清晰地呈现出来，说明本发明的方法和装置能够以很高的分辨率对目标物体成像。
63.采用了上述技术方案之后，具有如下有益效果：
64.本发明的成像方法为一种基于扫描振镜的激光扫描方案，代替传统的电机驱动激光头的方案，利用扫描振镜的绕轴偏转，使得聚焦光束在生物组织上扫描，扫描振镜体积小、精度高、响应快，使得成像系统具有高分辨率、快速成像、便携等特点，从而在脂肪移植中，能清晰显影血管，利于临床医师在可视下操作，避开血管，减少栓塞，在体积方面相比传统使用电机的成像系统有缩小了数个数量级，从而极大地拓宽了光声显微成像设备的应用场景。
65.进一步地，在本发明中，激光以“线扫描”模式进行扫描，在超声换能器性能一定的情况下，扫描线越密集，成像分辨率越高。本实施例中，每对制动器可驱动扫描振镜绕一轴转动，分别使用40hz和 0.2hz的交流电驱动扫描振镜的两个制动器对，使得扫描振镜绕两轴转动的频率分别为80hz和0.18hz，在2min内得到分辨率优于7μm 的图像，从而实现了生物样本的快速高质量成像，有望此研究发明能使血管清晰成像，为临床医生提供更好的辅助手段，降低手术风险。
66.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。