一种应用于腧穴针灸可视化的便携式光声成像装置及方法

本发明属于医疗器械领域，涉及一种腧穴定位和腧穴针灸可视化的光声成像系统。

背景技术：

1、针灸(acupuncture and moxibustion)是中医学史上的绚丽瑰宝和宝贵遗产，由“针”和“灸”构成，是东方医学的重要组成部分之一，其内容包括针灸理论、腧穴、针灸技术以及相关器具。其中腧穴作为诊察与治疗疾病的特殊部位，是针灸学理论基础和临床诊疗的关键所在。

2、研究认为腧穴的得气感组织是神经、血管及淋巴管的复合结构，即“腧穴立体构筑”，针刺使腧穴立体构筑受到刺激，使穴区周围微环境发生变化，进而引起血管舒缩、血流动力学发生改变。近年来腧穴相关研究不断深入推进，在腧穴作用机制、得气感量化、腧穴解剖结构等方面取得了一系列重要成果，引起了国内外学者的广泛关注。然而许多研究都停留在主观针刺感觉的单一研究焦点上，大多数相关文献涉及到主观感觉量表的创建，这一焦点限制了对得气感生理基础的科学研究，结果忽视了功能信息(血流动力学、神经学等信息)方面与解剖结构方面的评判依据。迫切需要对针刺感觉进行科学的重新评价，对其与空间功能结构的关系进行严格的研究，并对针刺技术进行量化，以改进针灸研究，规范针灸临床实践。

3、在医学影像技术方面，用于开展针刺技术量化和标准化方面的研究的影像学技术主要有三种：①ct技术作为解剖成像的主要手段，在腧穴的实体解剖学研究中应用广泛，并在此基础上涉及腧穴安全性、腧穴定位研究等，但ct技术只能提供腧穴解剖结构的信息，不能提供其功能方面的信息；②fmri技术可以直接实时的对功能变化信息进行可视化显示，时间及空间分辨率均较高。其利用血氧浓度依赖性对比度，来测量神经元活动所引发的血流动力学变化，以评价腧穴局部区域的活动，然而神经活化所造成的电磁场变化非常微弱，过低的信噪比使得其无法可靠地统计或定量；③fui以及最近新兴的超快超声成像(ultrafast ultrasound imaging)能够在功能活跃区域中对血流速率等血流参数进行成像，但不能区分含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白，并且不能用于确定区域的血氧饱和度。

4、经过检索，cn105395170b，一种光声超声双模态同步成像系统，用于医学中被测组织的诊断成像，包括主机、脉冲激光器以及依次连接的多通道超声探头、数据采集模块、数据处理及图像重建模块和显示模块，所述的主机分别与多通道超声探头和脉冲激光器连接，所述的多通道超声探头与被测组织紧贴设置，所述的脉冲激光器与被测组织相对设置。与现有技术相比，本发明具有同步、精确、比例一致等优点。

5、1.该专利仅对生物组织进行结构成像。本发明所述可以同时提供腧穴针灸(包括电针、毫针针刺、艾灸以及点穴等)横断面组织结构(皮肤、皮下组织、肌肉等)、动静脉血管形态、血流动力学参数的高分辨率图像；并且引入双波长图像重建算法，在实现结构性成像的同时，可同时获得结构组织的功能性信息，如脱氧血红蛋白(hb)、含氧血红蛋白(hbo2)、氧饱和度(so2)、血流速度(bf)等。

6、2.该专利设备未实现便捷式功能。本发明采用体积更小的脉冲激光二极管(pulselaser diode)作为激励源，以7khz重复频率发出脉宽30ns，波长760

7、nm和808nm脉冲激光。缩小了设备体积，在系统上更加集成化，可适用于各个应急场所。

8、3.该专利未涉及针灸腧穴可视化的监测系统。本发明根据所述实时图像显示能够追踪针体经过、到达与周围组织(皮肤、皮下组织、动静脉血管、神经、肌肉、等组织)的相对位置关系，获得腧穴周围脉管系统的血流动力学分布信息。

技术实现思路

1、本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种应用于腧穴针灸可视化的便携式光声成像装置及方法。本发明的技术方案如下：

2、一种应用于腧穴针灸可视化的便携式光声成像装置，其包括：

3、脉冲激光二极管、线阵超声探头、前置放大器、数据采集卡、准直器、凸透镜、光纤及计算机；其中，

4、所述计算机用于控制脉冲激光二极管，脉冲激光二极管作为信号激励源，脉冲激光二极管输出端光束由准直器准直，准直器出射光路由凸透镜聚焦后与光纤耦合，线阵超声探头接收生物组织在激光照射下产生的光声信号，通过前置放大器对光声信号进行放大，紧接着由数据采集卡将光声信号转化为数字信号，在pylab_works软件置入延迟叠加算法，所述延迟叠加算法利用超声换能器采集到的信号在空间上进行反向演算，再将每个通道采集到的信号进行叠加，重建出横断面生物组织图像。再通过双波长图像重建算法计算出脱氧血红蛋白(hb)、含氧血红蛋白(hbo2)、氧饱和度(so2)、血流速度(bf)以及氧代谢率(mro2)的具体值，在计算机上可视化生物组织结构与功能参数。所述线阵超声探头与光纤进行组合设置，形成手持式。

5、进一步的，所述脉冲激光二极管以7khz重复频率发出脉宽30ns，波长760nm和808nm脉冲激光。

6、进一步的，所述手持式线性超声阵列探头晶元数量为128个，中心频率7.5mhz，带宽75％，晶元尺寸：0.3mm×4mm。

7、进一步的，所述数据采集卡为128通道，采样率40msps，采样深度为14bit，将采集到的光声信号转化为数字信号；

8、所述前置放大器为8个16通道共128通道，增益54db，频带范围460khz-9mhz，对微弱光声信号进行放大，前置放大器嵌入所述采集卡中。

9、进一步的，所述光纤束为单向矩形光纤，光纤与线阵探头之间相对倾斜角度呈45°，且光纤固定出口采用3d打印制成。

10、进一步的，所述光学部分通过脉冲激光二极管以7khz重复频率发出脉宽30ns，波长为760nm，808nm脉冲激光，通过准直器对激光束进行准直之后，由凸透镜耦合到单向矩形光纤，照射在生物组织上。

11、进一步的，所述延迟叠加算法具体包括：

12、以区域中心位置为起点，对其他不同的位置上的光声信号进行叠加，并提高光声信号的信噪比。由于阵列探测器的子阵列距焦点的位置都不相同，每个子阵列的时延都不一样，对每个子阵列多采集的光声信号进行同相位叠加，可得到起点信号的幅值大小，形成一维光声图像，一维光声图像的重组可以构成二维图像。具体的实现方式：

13、

14、式中，sf(t)表示叠加之后的信号，f表示接受到的焦点，表示在第f个焦点处i个探测子列的时延，为加权值。

15、进一步的，所述通过双波长图像重建算法具体步骤为：

16、选取两种不同波长760nm和808nm，，760nm和808nm这两个波长可以对腧穴所在位置横断面即成像深度可达皮肤表面以下1.8-2cm进行清晰的成像，获取光声数据带入生物组织内源性造影剂的关联公式中：

17、

18、式中，为波长λ时点处的总吸收系数，分别为hb、hbo2、h2o的吸收系数。

19、计算出腧穴针灸前后脱氧血红蛋白(hb)、含氧血红蛋白(hbo2)、氧饱和度(so2)、血流速度(bf)以及氧代谢率(mro2)的变化，计算公式如下：

20、

21、这些指标作为腧穴针灸可视化的数字化标准。

22、进一步的，所述声数据带入生物组织内源性造影剂的关联公式中，计算出腧穴针灸前后脱氧血红蛋白(hb)、含氧血红蛋白(hbo2)、氧饱和度(so2)、血流速度(bf)以及氧代谢率(mro2)的变化，具体包括：

23、

24、

25、so2＝fso2,ti+(1-f)fso2,to

26、

27、式中，为波长λ时点处的总吸收系数，分别为hb、hbo2、h2o的吸收系数。

28、一种采用任一项所述的系统的光声成像方法，其包括以下步骤：

29、步骤s1：开启各设备，设置激励源和数据采集卡参数；

30、步骤s2：将被腧穴针灸所在生物组织置于手持式探测器下方，使得腧穴横断面区域位于线阵超声探头正中心；

31、步骤s3：由计算机控制脉冲激光二极管产生脉冲激光；

32、步骤s4：脉冲激光经过光纤照射到生物组织，激励生物组织中的吸收体吸收光子能转化为热能，引起组织的热膨胀导致局部压力变化进而产生超声信号即光声信号；

33、步骤s5：通过线阵超声探头在腧穴周围多个位置接收光声信号；

34、步骤s6：光声信号经由前置信号放大器放大，紧接着由多通道数据采集卡实现采集；

35、步骤s7：实验条件不变，利用计算机控制更改脉冲激光波长760nm和808nm，重复以上步骤；

36、步骤s8：采集后的光声数据借助内置延迟叠加算法的pylab_works软件，在计算机上实时显示腧穴针灸过程中针体与周围组织的实时、高时空分辨率横断面光声图像；

37、步骤s9：结合双波长图像重建算法定量分析针灸过程中得气感与腧穴空间功能结构的量化关系；

38、步骤s10：结果输出。

39、本发明的优点及有益效果如下：

40、现有对于针刺技术量化和标准化方面的研究的影像学技术存在一定的不足之处。相比于ct成像，本发明能够对腧穴针灸过程中的持续监测且无电离辐射伤害；相比于功能性磁共振成像，本发明能够快速的进行成像；相比于超声成像，本发明是结合了光学成像的高对比度和超声成像的高穿透度优点，能够追踪针体经过、到达与周围组织(皮肤、皮下组织、动静脉血管、神经、肌肉、等组织)的相对位置关系，获得腧穴周围脉管系统的血流动力学分布信息。

41、本发明可以同时提供腧穴针灸(包括电针、毫针针刺、艾灸以及点穴等)横断面组织结构(皮肤、皮下组织、肌肉等)、动静脉血管形态、血流动力学参数的高分辨率图像；此外基于毫针、电针与周围组织之间的光学吸收差异，本发明还可以对针体经过、到达与周围组织的相对位置关系进行实时监测；因此，本发明可作为现有针灸功能影像的一种补充方式，来探索针灸过程中的得气感与腧穴空间功能结构的量化关系。

42、本发明的巧妙之处在于：(1)手持式探测器固定接口使得成像操作灵活；(2)所构建软件平台依托内置算法可以实时显示针灸过程中中毫针与腧穴周围组织的相对位置、空间结构；(3)结合双波长图像重建算法重建腧穴针灸前后的高时空血流动力学分布信息；(4)从血流动力学、解剖学以及结合生理学指标的视角，揭示针灸得气的本质、探索腧穴针灸标准定位新方法。