本發明涉及血管內窺的研究領域，特別涉及一種血管內熒光-光聲-超聲多模成像裝置及方法。

背景技術：

心腦血管疾病是現在死亡率較高的疾病，血管檢測診斷的的準確性也有了更高的要求。現代醫學檢測血管的手段有，包括磁共振(MRI)血管成像和血管造影成像(IVUS)及血管內熒光成像，上面幾種檢測手段能夠較好地呈現出血管的外部形態或內部輪廓以及組分信息，但是無法提供血管壁和血管腔的局部細節信息。血管內熒光成像是利用先將熒光物質注入血管內再通過激光照射的方式使之產生熒光，通過接受到熒光信息來對血管進行成像從而得到更多的信息

近年來發展起來的一種非入侵式和非電離式的新型生物醫學成像方法。當脈沖激光照射到生物組織中時，組織的光吸收域將產生超聲信號，我們稱這種由光激發產生的超聲信號為光聲信號。生物組織產生的光聲信號攜帶了組織的光吸收特征信息，通過探測光聲信號能重建出組織中的光吸收分布圖像。光聲成像結合了純光學組織成像中高選擇特性和純超聲組織成像中深穿透特性的優點，可得到高分辨率和高對比度的組織圖像，從原理上避開了光散射的影響，突破了高分辨率光學成像深度“軟極限”(～1mm)，可實現50mm的深層活體內組織成像。

血管內超聲成像(IVUS)是基于檢測超聲信號在血管壁中的回波進行成像，反映血管組織聲阻抗的差異性；血管內光聲成像是基于檢測血管壁吸收脈沖激光后產生的光聲信號進行成像，反映血管組織的光學吸收差異。這兩種技術分別從聲阻抗和光吸收兩個參數上提供血管的信息，兩種成像方法的成像深度可以達到10cm以上，因此這兩種技術非常適合對血管進行內窺成像。

血管內熒光-光聲-超聲多模成像技術將三種成像方法結合起來，有效的克服了單一模式成像的不足，能夠提供血管內多參量，多維度的信息，有助于診斷血管內的斑塊情況。

申請號為201210046300.4，專利名為《一種共焦的光聲熒光同時成像方法與裝置》，公開了一種光聲熒光同時成像的方法與裝置，但是該裝置需要顯微鏡只能在體外實驗，無法應用到血管內熒光成像。

申請號為201010187650.3，專利名稱為《一種血管內光聲超聲雙模成像內窺鏡裝置及其成像方法》的文獻公開了一種技術。該技術采用中空圓環陣列超聲探測器和錐面反射鏡，光聲成像時，脈沖激光經過光纖傳遞并在出光端發射，在錐面反射鏡的面上散開同時照射整個血管壁，激發光聲信號，使用圓環陣列超聲探測器接收產生的光聲信號；超聲成像時圓環陣列超聲探測器發射超聲信號，再接收血管反射的超聲信號，探頭具有光聲成像和超聲成像的性能。

其不足是，該技術的脈沖激光在錐面反射鏡擴束，同時激發整個血管內部，所需的激光能量大；而且由于脈沖激光沒有匯聚，所以光聲圖像的分辨率不佳，此外該裝置的探頭使用64個聲敏元件，單個聲敏元件的接收效率不佳且結構復雜。

申請號為201210220399.5，專利名稱為《聚焦式旋轉掃描光聲超聲血管內窺成像裝置及其成像方法》的文獻公開了一種成像裝置，可利用該裝置開展光聲超聲一體化血管內成像方法研究。該裝置的光纖末端直接90°出光，激光是發散照射到待測物體上，激光沒有匯聚，同樣存在光聲圖像的分辨率較差的問題，而且該技術公開的裝置，激光與光纖的耦合采取直接耦合的方式，這樣在光纖旋轉過程中極易出現偏差，從而導致激光到光纖的傳輸效率降低，直接影響光聲信號的產生。

技術實現要素：

提供一種血管內熒光-光聲-超聲多模成像裝置，利用該裝置可以實現熒光-光聲-超聲三種模式的成像，能夠同時獲得血管內多參量、多組分的信息，提高血管內斑塊的檢測精度。

本發明的另一目的在于提供一種利用上述成像裝置進行成像的方法，使用該成像方法，可獲得血管內的熒光圖像、光聲圖像以及超聲圖像。

為了達到上述第一目的，本發明采用以下技術方案：

本發明一種血管內熒光-光聲-超聲多模成像裝置及方法，包括計算機、熒光激發與采集系統、光聲信號激發與采集系統、超聲信號激發與采集系統、以及一體化探頭，血管內的熒光成像激發光和光聲成像激發光使用同一光源，并通過光纖環形器進行激光傳輸和采集；

其中，所述熒光激發與采集系統包括：脈沖激光器、第一濾光片、準直器、第一光纖耦合器、光纖環形器、光電滑環、第二光纖耦合器、第二濾光片、光電倍增管、第一信號放大器以及第一采集卡；所述計算機產生信號激發脈沖激光器產生激光，由第一濾光片濾光之后經過準直器通過第一光纖耦合器由光纖環形器port1口進入port2口出并經過光電滑環由一體化探頭輸出用于熒光激發，受激產生的熒光由一體化探頭接收經過光電滑環經光纖環形器port2口進入并由光纖環形器port3口出經過第二光纖耦合器耦合并由第二濾光片濾光之后送入光電倍增管檢測，光電倍增管將接收熒光信號轉化為電信號經過第一信號放大器之后由第一采集卡采集并送入計算機處理重建熒光圖像；

所述光聲信號激發與采集系統包括：脈沖激光器、第一濾光片、準直器、第一光纖耦合器、光纖環形器、光電滑環、超聲發射接收器、信號濾波器、第二信號放大器、以及第二采集卡；所述脈沖激光器被激發產生脈沖激光之后經過由第一濾光片濾光之后經過準直器通過第一光纖耦合器由光纖環形器port1口進入port2口出并經過光電滑環由一體化探頭輸出光聲信號激發，產生的光聲信號由一體化探頭集成的超聲換能器采集，然后由超聲換能器轉化成電信號由連接換能器的同軸電纜經過光電滑環之后由超聲接收器接收，并經過信號濾波和第二信號放大器之后由第二采集卡采集，然后將信號送計算機處理重建光聲圖像；

所述超聲信號激發與采集系統包括：延時器、脈沖超聲發射/接收器、第二信號放大器、信號濾波器、以及第二采集卡，所述脈沖超聲發射/接收器收到延時器給出觸發信號之后發射超聲脈沖，經過同軸電纜并由光電滑環傳輸到一體化的探頭的超聲換能器，使超聲換能器產生超聲波，對血管進行檢測并接收反射回來的超聲波，超聲換能器將反射超聲信號轉化為電信號再經過同軸電纜、光電滑環、超聲發射接收器，經過第二信號放大器，再經過信號濾波器由第二采集卡傳輸到計算機，經過圖像重建得到血管超聲圖像。

作為優選的技術方案，傳輸熒光光源和光聲激發光源以及熒光接收使用了光纖環形器同時傳輸，使得熒光的接收在光纖中進行避免空間光干擾，并且提高熒光接收效率，該光纖環形器的port2分為兩段通過光電滑環連接，光電滑環與旋轉步進電機固定，從而實現旋轉。

作為優選的技術方案，熒光染料選擇Cy7，所述的脈沖激光器發射的激光波長750nm；

所述脈沖激光器為半導體激光器、固體激光器、染料激光器或氣體激光器，輸出的脈沖激光的波長范圍為400nm～2500nm，脈沖寬度為5ns～50ns。

作為優選的技術方案，所述超聲脈沖發射/接收器發射超聲信號的頻率范圍為20MHz～50MHz，接收超聲信號的頻率范圍為1KHz～75MHz，所述信號放大器能夠放大頻率為5-75MHz，放大增益為10-60dB，信號率濾波器為帶通濾波器，通帶寬為5-50MHz。

作為優選的技術方案，所述一體化探頭的內部集成有高頻超聲換能器，高頻超聲換能器的主頻為50MHZ，帶寬為80％，發射超聲信號的頻率范圍為20MHz～50MHz，接收超聲信號或光聲信號的頻率范圍為1KHz～75MHz。

作為優選的技術方案，所述光纖環形器port3口經光電滑環之后末端經grin透鏡和鍍膜反射鏡之后聚焦之后側向90°出光對血管進行熒光及光聲信號激發，所述的光纖、grin透鏡和鍍膜反射鏡、及高頻超聲換能器一同放在外徑為1.0mm內徑為0.5mm的醫用不銹鋼管中；

所述光纖環形器port2口光纖、超聲換能器信號線均穿過醫用扭矩線圈，醫用扭矩線圈一端與光電滑環機械連接，另一端與醫用不銹鋼管機械連接，旋轉電機通過光電滑環帶動固定的扭矩線圈的旋轉，從而帶動醫用不銹鋼鈦管及醫用不銹鋼管中的熒光-光聲-超聲三種模式旋轉激發采集信號。

作為優選的技術方案，所述扭矩線圈及與扭矩線圈相連接的醫用不銹鋼管均放置于醫用導管中，醫用導管為固定裝置，導絲帶動醫用不銹鋼管在導管中旋轉，構成旋轉裝置，導管的作用是保證導絲旋轉時不偏心，所述旋轉裝置置于前進/后撤平臺上實現一體化探頭在血管內的前后移動，所述旋轉裝置與前進/后撤平臺共同構成旋轉/前進/后撤平臺。

作為優選的技術方案，所述旋轉/前進/后撤平臺由水平方向步進電機和軸向方向步進電機組成，水平方向步進電機帶動平臺完成前進/后撤功能，軸向方向步進電機的同步輪皮帶與光電滑環機械連接，超聲換能器的引線與光電滑環電氣連接，光電滑環出線接超聲信號發射/接收器，信號經過放大器、信號濾波器之后輸入第二采集卡，上述光電滑環、超聲信號發射/接收器、信號放大器、信號濾波器、第二采集卡均為電氣連接、當步進電機通過同步輪帶動光電滑環旋轉時，實現通過導絲帶動一體化的探頭360°旋轉。

作為優選的技術方案，脈沖激光器產生的同步信號分別觸發第一采集卡和第二采集卡，同時該同步信號經過延時器延時之后觸發超聲發射接收器使之產生電信號，經過光電滑環之后由一體化探頭上的超聲換能器超聲超聲波。

為了達到上述第二目的，本發明采用以下技術方案：

本發明利用多模成像裝置進行成像的方法，包括下述步驟：

(1)激發：將該裝置放置于血管內，計算機控制脈沖激光器產生激光，該激發光經過光纖環形器port1口進入由port2口出經過光電滑環有一體化探頭分別激發應該和光聲信號；同時脈沖激光器的同步觸發經過延時之后觸發超聲發射/接收器產生超聲，超聲發射/接收器發射電信號，經過光電滑環由一體化探頭集成的超聲換能器將電信號轉化成超聲波信號；

(2)數據采集：產生的熒光信號由上述一體化探頭接收經過光電滑環之后由光纖環形器的port2口進入并由port3送入光電倍增管采集，光電倍增管將熒光信號轉化為電信號，經過第一信號放大器之后由第一采集卡采集并送入計算機；光聲信號由超聲換能器接收，并將光聲波信號轉化為電信號，由與超聲換能器相連的同軸電纜線經過光電滑環之后被超聲發射/接收器接收，然后經過第二信號放大器和信號濾波器之后由第二采集卡送入計算機；返回的超聲信號由超聲換能器接收，并將超聲波信號轉化為電信號，由與超聲換能器相連的同軸電纜線經過光電滑環之后被超聲發射/接收器接收，然后經過第二信號放大器和信號濾波器之后由第二采集卡送入計算機；

(3)當完成血管某一位置的熒光-光聲-超聲信號數據采集后，計算機控制旋轉步進電機工作，旋轉步進電機驅動轉動組件，轉動組件驅動光電滑環的轉子轉動，光電滑環轉子的轉動帶動一體化探頭轉動，從而對血管下一個位置進行數據采集，直至一體化探頭完成360°旋轉，從而完成血管某一截面的數據采集；完成血管某一截面的數據采集后，操縱計算機使平移步進電機工作，平移步進電機驅動平移平臺，平移平臺驅動一體化探頭平移，從而對血管下一截面進行數據采集；

(4)圖像重建：計算機將采集到的數據用于熒光圖像、光聲圖像、超聲圖像的重建。

本發明與現有技術相比，具有如下優點和有益效果：

1.本發明實現了熒光成像，光聲成像及超聲成像三種血管內成像方法的一體化，簡化了檢測程序，降低檢測難度，可以實現三種成像方法同時工作。

2.本發明可以同時獲得血管組織的聲阻抗，光學吸收，光學散射、血管內斑塊的厚度及組分的信息，可以更加精準地診斷血管斑塊。

3.本發明的旋轉掃描模式可以獲得血管360°信息，并且靈敏度高，分辨率好，能夠實現三種成像模式的對照。

4.本發明結構簡單，緊湊，易于實現，一體化探頭尺寸小，充分滿足對于微小血管或病變堵塞血管的檢測。

附圖說明

圖1是血管內熒光-光聲-超聲成像裝置示意圖；

圖2是光纖環形器原理圖，激光由port 1進入時只能有port 2口出光，當激光由port 2口進入時只能由port 3口出光。

附圖標號說明：1、計算機；2、脈沖激光器；3、第一濾光片；4、準直器；5、第一光纖耦合器；6、光纖環形器；7、延時器；8、超聲發射/接收器；9、光電滑環；10、一體化探頭；11、旋轉/前進/后撤平臺；12、信號濾波器；13、第一信號放大器；14、第二采集卡；15、第二光纖耦合器；16、第二濾光片；17、光電倍增管；18、第二信號放大器；19、第一采集卡。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。

實施例

如圖1所示，本實施例公開了一種血管內熒光-光聲-超聲多模成像裝置，包括計算機1、熒光激發與采集系統、光聲信號激發與采集系統、超聲信號激發與采集系統、以及一體化探頭10，所述一體化探頭通過光電滑環9固定在旋轉/平移平臺11上；血管內熒光激發光和光聲激發光使用同一光源，并通過光纖環形器進行激光傳輸和采集；

其中，所述熒光激發與采集系統包括：脈沖激光器2、第一濾光片3、準直器4、第一光纖耦合器5、光纖環形器6、光電滑環9、一體化探頭10、第二光纖耦合器15、濾光片16、光電倍增管(PMT)17、第一信號放大器18、以及第一采集卡9；所述計算機產生信號激發脈沖激光器產生激光，由第一濾光片濾光之后經過準直器通過第一光纖耦合器由光纖環形器port1口進入port2口出并經過光電滑環由一體化探頭輸出用于熒光激發，受激產生的熒光由一體化探頭接收經過光電滑環經光纖環形器port2口進入并由光纖環形器port3口出經過第二光纖耦合器耦合并由第二濾光片濾光之后送入PMT檢測，PMT將接收熒光信號轉化為電信號經過信號放大器之后由第一采集卡采集并送入計算機處理重建熒光圖像，如圖2所示；

所述光聲信號激發與采集系統包括：脈沖激光器2、第二濾光片3、準直器4、第一光纖耦合器5、光纖環形器6、光電滑環9、一體化探頭10、超聲發射接收器8、信號濾波器12、第二信號放大器13、第二采集卡14；所述脈沖激光器被激發產生脈沖激光之后經過由濾光片濾光之后經過準直器通過第一光纖耦合器由光纖環形器port1口進入port2口出并經過光電滑環由一體化探頭輸出光聲信號激發，產生的光聲信號由一體化探頭集成的超聲換能器采集，然后由超聲換能器轉化成電信號由連接換能器的同軸電纜經過光電滑環之后由超聲接收器接收，并經過信號放大和濾波之后由第二采集卡采集，然后將信號送計算機處理重建光聲圖像；

所述超聲信號激發與采集系統包括：延時器7、超聲發射/接收器8、光電滑環9、一體化探頭10、信號放大器12、信號濾波器13、以及第二采集卡14，所述脈沖超聲發射/接收器收到延時器給出觸發信號之后發射超聲脈沖，經過同軸電纜并由光電滑環傳輸到一體化的探頭的超聲換能器，使超聲換能器產生超聲波，對血管進行檢測并接收反射回來的超聲波，超聲換能器將反射超聲信號轉化為電信號再經過同軸電纜、光電滑環、超聲發射接收器，經過信號放大器，再經過信號濾波器由第二采集卡傳輸到計算機，經過圖像重建得到血管超聲圖像。

本實施例中，所述血管內熒光-光聲-超聲多模成像裝置及方法，傳輸熒光光源和光聲激發光源以及熒光接收使用了一根光纖環形器同時傳輸，使得熒光的接收在光纖中進行避免空間光干擾，可以很好提高熒光接收效率，該光纖環形器的port2分為兩段通過光電滑環連接，光電滑環與旋轉步進電機固定，從而實現旋轉

本實施例中，所述的脈沖激光器的激光波長為750nm；

所述脈沖激光器為半導體激光器、固體激光器、染料激光器或氣體激光器，輸出的脈沖激光的波長范圍為400nm～2500nm，脈沖寬度為5ns～50ns；

所述超聲脈沖發射/接收器發射超聲信號的頻率范圍為20MHz～50MHz，接收超聲信號的頻率范圍為1KHz～75MHz，所述信號放大器能夠放大頻率為5-75MHz，放大增益為10-60dB，信號率濾波器為帶通濾波器，通帶寬為5-50MHz。

所述血管內熒光-光聲-超聲多模成像裝置中，所述扭矩線圈及與扭矩線圈相連接的醫用不銹鋼管均放置于醫用導管中，醫用導管為固定裝置，導絲帶動醫用不銹鋼管在導管中旋轉，構成旋轉裝置，導管的作用是保證導絲旋轉時不偏心，所述旋轉裝置置于前進/后撤平臺上實現一體化探頭在血管內的前后移動，所述旋轉裝置與前進/后撤平臺共同構成旋轉/前進/后撤平臺。

所述血管內熒光-光聲-超聲多模成像裝置中，所述旋轉/前進/后撤平臺由水平方向步進電機和軸向方向步進電機組成，水平方向步進電機帶動平臺完成前進/后撤功能，軸向方向步進電機的同步輪皮帶與光電滑環機械連接，超聲換能器的引線與光電滑環電氣連接，光電滑環出線接超聲信號發射/接收器，信號經過放大器、信號濾波器之后輸入第二采集卡，上述光電滑環、超聲信號發射/接收器、信號放大器、信號濾波器、第二采集卡均為電氣連接、當步進電機通過同步輪帶動光電滑環旋轉時，實現通過導絲帶動一體化的探頭360°旋轉。

所述血管內熒光-光聲-超聲多模成像裝置，脈沖激光器產生的同步信號分別觸發第一采集卡和第二采集卡，同時該同步信號經過延時器延時之后觸發超聲發射接收器使之產生電信號，經過光電滑環之后由一體化探頭上的超聲換能器超聲超聲波。

所述的多模成像裝置進行成像的方法，包括下述步驟：

(1)激發：將該裝置放置于血管內，計算機控制脈沖激光器產生激光，該激發光經過光纖環形器port1口進入由port2口出經過光電滑環有一體化探頭分別激發應該和光聲信號；同時脈沖激光器的同步觸發經過延時之后觸發超聲發射/接收器產生超聲，超聲發射/接收器發射電信號，經過光電滑環由一體化探頭集成的超聲換能器將電信號轉化成超聲波信號；

(2)數據采集：產生的熒光信號由上述一體化探頭接收經過光電滑環之后由光纖環形器的port2口進入并由port3送入PMT采集，PMT將熒光信號轉化為電信號，經過放大器之后由第一采集卡采集并送入計算機；光聲信號由超聲換能器接收，并將光聲波信號轉化為電信號，由與超聲換能器相連的同軸電纜線經過光電滑環之后被超聲發射/接收器接收，然后經過信號放大器和信號濾波器之后由第二采集卡送入計算機；返回的超聲信號由超聲換能器接收，并將超聲波信號轉化為電信號，由與超聲換能器相連的同軸電纜線經過光電滑環之后被超聲發射/接收器接收，然后經過信號放大器和信號濾波器之后由第二采集卡送入計算機；

(3)當完成血管某一位置的熒光-光聲-超聲信號數據采集后，計算機控制旋轉步進電機工作，旋轉步進電機驅動轉動組件，轉動組件驅動光電滑環的轉子轉動，光電滑環轉子的轉動帶動一體化探頭轉動，從而對血管下一個位置進行數據采集，直至一體化探頭完成360°旋轉，從而完成血管某一截面的數據采集；完成血管某一截面的數據采集后，操縱計算機使平移步進電機工作，平移步進電機驅動平移平臺，平移平臺驅動一體化探頭平移，從而對血管下一截面進行數據采集；

(4)圖像重建：計算機將采集到的數據用于熒光圖像、光聲圖像、超聲圖像的重建。

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。