基于光纖分束和柔性探測器的一體化光聲乳腺成像檢測裝置和方法與流程

本發明涉及光聲成像技術領域，具體涉及一種檢測乳腺癌的裝置，特別涉及光纖束和柔性探測器一體化光聲乳腺成像檢測裝置及采用該裝置實現的光聲乳腺成像檢測方法。

背景技術：

光聲成像技術作為一種基于組織內部光吸收差異的非電離成像方式，由于其高對比度、高成像深度、無損傷等優點而受到越來越多地關注，被認為是一種有發展前景的早期乳腺診斷技術。

光聲成像技術用于乳腺癌檢測的的原理是正常乳腺組織的主要成分是脂肪，而脂肪的光吸收系數較小，而在腫瘤組織的快速新陳代謝過程中，伴隨著產生更多水分子、離子、新生血管，而光聲成像對腫瘤新生血管很敏感。當用一束短脈沖激光均勻照射待測乳房時，快速吸收激光能量引起瞬間溫升，產生絕熱膨脹，熱能轉化為機械能并以超聲波形式輻射出去，即為光聲效應，再利用超聲換能器從各個方向接收光聲信號，結合合適的算法重建圖像即可得到組織的光吸收分布圖。

超聲換能器作用是將接收的超聲波轉換成電信號并傳導到數據采集-圖像重建組件，主要分為單元換能器和多元換能器兩大類。在單元換能器中，為重建一幀完整的圖像，需要利用機械使其圍繞組織轉動一周采集信號，因此需要花費較多的掃描時間；在多元換能器中以線性或環形比較常見，其中環形探測器雖然能夠從各方向接收信號，但因為其是硬質的探測器，掃描半徑是固定的，對于形狀不規則的物體，需要制作半徑相當大的探測器覆蓋住物體才能獲取完整的信息；線性探測器能夠和組織的局部位置實現無縫接觸，但是在接收信號時會缺失組織相對位置的信息，使重建圖形失真。

現有的光聲成像技術多采用一束激光照射待測部位，通常情況下，激光諧振腔打出的一束光屬于高斯光，光強呈現中間強兩端弱的不均勻分布，難以實現大面積均勻的光聲成像。

現有技術中僅有將柔性探測器用于金屬箱的密封檢測的技術，不存在將柔性探測器用于光聲成像的技術，更不存在將柔性探測器用于乳腺檢測的技術。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的技術問題，本發明的目的是：提供一種無需耦合液即可貼合乳房進行檢測的基于光纖分束和柔性探測器的一體化光聲乳腺成像檢測裝置和方法，可貼合乳房實現大面積均勻的光聲成像。

為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

基于光纖分束和柔性探測器的一體化光聲乳腺成像檢測裝置，包括探測器，還包括光纖束，光纖束將一束激光分為多束激光；探測器為柔性探測器；柔性探測器包括：可彎曲變形但不可拉伸變形的貼合乳房表面形狀的片狀的柔性基底，多個均勻分布在柔性基底上的接收乳腺反射的超聲信號的陣元；光纖束的與多束激光對應的多個端部與柔性基底耦合，且在柔性基底上均勻分布，從而激光可穿過柔性基底照射到乳房上。

作為一種優選，光纖束包括多根光纖和合束器，多根光纖的一端匯集于合束器中，每根光纖的另一端設有插針體；柔性基底上設有耦合圓柱孔，插針體插入耦合圓柱孔中。

作為一種優選，柔性基底為條形，陣元在柔性基底上沿著柔性基底的長度方向排列成行，耦合圓柱孔在柔性基底上沿著柔性基底的長度方向排列成行，陣元和耦合圓柱孔一一間隔設置。

作為一種優選，基于光纖分束和柔性探測器的一體化光聲乳腺成像檢測裝置，還包括：發射脈沖激光的脈沖激光器，使脈沖激光器發射的激光準直的進入光纖束的準直器，與柔性探測器的陣元相接的數據采集-圖像重建組件。

作為一種優選，光纖的數量為小于等于1024束，每根光纖的直徑大小均相同。

作為一種優選，由多根光纖合束后的光纖的橫截面為圓形。

作為一種優選，柔性基底為條形，陣元在柔性基底上排列成兩行多列，耦合圓柱孔在柔性基底上沿著柔性基底的長度方向排列成行，每兩列陣元之間布置有一個耦合圓柱孔，該耦合圓柱孔正對相鄰的同列兩個陣元之間的位置。

基于光纖分束和柔性探測器的一體化光聲乳腺成像檢測方法，采用基于光纖分束和柔性探測器的一體化光聲乳腺成像檢測裝置，將柔性探測器緊貼乳房，激光被光纖束均勻分成多份，各份激光環繞乳房多點照射，各陣元環繞乳房多點接收超聲信號，由此實現乳腺的光聲成像檢測。

作為一種優選，柔性探測器繞成環形的方式環繞、緊貼乳房，柔性探測器的兩端用扎帶固定。

作為一種優選，安裝柔性探測器前，先在乳房上套上塑膠乳房固定杯，用于輔助固定乳房的形狀，才將柔性探測器緊貼塑膠乳房固定杯。

本發明的原理是：

脈沖激光器發出脈沖激光，經準直器準直后直接打到光纖束光纖端面上，并被光纖束均勻的分成多份光，照射到塑膠乳房固定杯中的待測乳房上，待測乳房吸收激光能量引起瞬間溫升，此時激光的脈寬比較窄，吸收的能量不能在激光脈沖持續時間內發生熱擴散，也就是發生絕熱膨脹，產生光聲效應，即熱能轉化為機械能并以超聲波形式向外輻射。此光聲信號反映了乳房中光吸收差異的信息，柔性探測器由于其形狀可控性，能夠緊密貼合到塑膠乳房固定杯上，其每個陣元接收到待測乳房同一截面不同方向的光聲信號，并把光聲信號轉換成電信號傳導到計算機中的數據采集-圖像重建組件，利用濾波反投影法可還原出完整的反映乳房光吸收差異的分布圖。

總的說來，本發明具有如下優點：

1.本發明裝置中，利用光纖束實現了將脈沖激光器打出來的光均勻的分成多束，多束光同時進行照射，可以實現大面積均勻的光聲成像。

2.本發明裝置中，利用柔性探測器的形狀可控性，實現了和待測乳房無縫的貼合，只需使用少量的耦合液，甚至不用耦合液就可以解決超聲波耦合的問題。

3.激光傳輸具有方向性，通過逐步加大激光輻照能量，直到超聲探測器能夠探測到超聲信號即可，并使激光輻射能量控制在安全閾值范圍內，有效的避免對待測乳房組織產生熱損傷。

4.本發明裝置適用于因人體差異而產生的不同大小和形狀的乳房的檢測。

5.本發明裝置系統體積小，重量輕，工作穩定，連續運行時間長，使用方便，造價低，能源消耗量小；對于實現光聲乳腺成像技術的臨床化有巨大的推動作用。

6.安全高效，高分辨率，高對比度。

7.實現乳腺的無死角光聲成像檢測，尤其適用于乳腺檢測。

附圖說明

圖1是基于光纖分束和柔性探測器的一體化光聲乳腺成像檢測裝置的結構示意圖。

圖2是光纖束的結構示意圖。

圖3是圖2中A向視圖。

圖4是圖2中B向視圖。

圖5是柔性探測器的結構示意圖。

圖6是柔性探測器與光纖束耦合的剖視圖。

1-1為脈沖激光器，1-2為準直器，1-3為光纖束，1-4為塑膠乳房固定杯，1-5為柔性探測器，1-6為數據采集-圖像重建組件。

2-1為合束器，2-2為光纖，2-3為插針體。

3-1為陣元，3-2為耦合圓柱孔，3-3為柔性基底。

具體實施方式

下面來對本發明做進一步詳細的說明。

基于光纖分束和柔性探測器的一體化光聲乳腺成像檢測裝置，包括：脈沖激光器、準直器、光纖束、柔性探測器、數據采集-圖像重建組件。脈沖激光器、準直器、光纖束、柔性探測器依次相接，柔性探測器的陣元和數據采集-圖像重建組件相接。

脈沖激光器波長為400-1500nm，脈寬范圍為1-200ns，單脈沖能量可以激發待測乳房產生光聲信號，重復頻率為1-150MHz可調。本實施例中優選波長為1064nm，脈寬范圍為11-63ns，單脈沖能量為0.27-1.53mJ可調，重復頻率為1-150KHz可調。

準直器作用是為了對光束進行準直，使脈沖激光器打出的激光能夠垂直打到光纖束的端面上。

光纖束包括多根光纖和合束器，多根光纖匯集到合束器中，實現一束激光分為多束激光。可分束的范圍是1-1024，優選是64束，作用是為了將脈沖激光器打出來的光均勻的分為多份，多束光同時進行照射，實現大面積均勻的光聲成像。光纖的數值孔徑為0.22，光纖纖芯采用純石英材料，直徑為200μm，折射率為1.448，光纖包層采用摻雜氟的石英材料，直徑為220μm，折射率為1.431，用于將激光器打出的脈沖激光均勻的分成64份，實現激光大面積照射成像。光纖的端部為插針體，是光纖束的64個分束端，每個插針體是由直徑2mm的金屬環以及兩個內嵌的直徑分別為1mm和0.5mm的金屬環制成的圓柱體。

柔性探測器包括柔性基底和多個陣元。柔性基底形狀可控，可以和因人體差異而造成的不同形狀、不同大小的乳房實現最大程度的貼合，材料為環氧樹脂。陣元數目為128(雙排每排64陣元)，陣元大小為5×2mm，陣元間距為5.0mm，中心頻率為10MHz，相對帶寬>60％，靈敏度一致性±3dB。柔性基底上設有排列成行的耦合圓柱孔，直徑為2mm，與插針體配合，從而激光束可穿過柔性基底照射到乳房上。柔性探測器為多元探測器，作用是將接收的超聲波轉換成電信號并傳導到數據采集-圖像重建組件。由于其形狀可控性，可以緊密貼合到塑膠乳房固定杯上，接收不同結構的待測乳房因光聲效應產生的光聲信號。

數據采集-圖像重建組件用于將陣元探測到的光聲信號進行圖像重建，得到反映被測乳房光吸收差異的光聲圖像，包括前置放大器、數據采集卡、數據處理卡、圖像重建軟件和計算機五個部分。多元柔性探測器將接收到的光聲信號轉換為電信號。該電信號的全部通道經過前置放大器放大，然后通過數據采集卡和數據處理卡輸入計算機并儲存。選用濾波反投影算法重建出光吸收差異的分布圖。

在安裝柔性探測器前，先將乳房套上塑膠乳房固定杯。塑膠乳房固定杯作用是固定待測乳房，使其在測量的時候保持靜止。所用材料必須無毒，具有良好的粘性，透明度，加工成型性能極佳，能夠按照設計者的意圖進行任意形狀的設計。在此為和人體乳房結構相匹配，需設計成橢球形，并能隨著擠壓而變形，可以和因人體差異而造成的不同形狀、不同大小的待測乳房無間隙地貼在一起而沒有壓迫感。所用材料優選為聚苯乙烯(ps)塑料。

一種基于上述裝置的基于光纖分束和柔性探測器的一體化光聲乳腺成像檢測方法，包括以下步驟：

1.在待測乳房上涂一層耦合液后置于塑膠乳房固定杯中，輕輕擠壓塑膠乳房固定杯至杯中無空氣。

2.在塑膠乳房固定杯外涂一層耦合液，將柔性探測器緊密貼合到其表面，并將柔性探測器的兩端用扎帶固定。

3，開啟脈沖激光器產生脈沖激光，將經過準直器后的激光打到光纖束的光纖端面上，光纖束將激光分束后，分束的激光通過柔性探測器上直徑2mm的耦合圓柱孔照射到位于塑膠乳房固定杯中的待測乳房上。視情況而定可以進行多次平均；改變激光能量，重復上述步驟。

4，待測乳房利用光聲效應激發產生超聲波信號；超聲波信號經耦合液傳輸到柔性探測器上，在柔性探測器上轉換為電信號傳入數據采集-圖像重建裝置，重建待測乳房光吸收差異分布圖。

上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。