CN112535531A - 一种生物组织焊接效果检测方法和检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物组织焊接效果检测方法和检测装置，该方法包括向待检测生物组织发射激光扫描信号；利用空气耦合超声换能器接收所述生物组织接收所述激光扫描信号所激发的光声信号；根据所述光声信号确定所述生物组织的第一光声图像；根据所述第一光声图像确定所述生物组织的焊接效果。该方法和装置能够快速准确的实现对生物组织焊接效果的检测，可广泛应用于检测领域中。

Description

一种生物组织焊接效果检测方法和检测装置

技术领域

本发明涉及检测领域，尤其涉及一种生物组织焊接效果检测方法和检测装置。

背景技术

生物组织焊接是一种新型的组织缝合手段，通过激光或电流能量诱发被连接组织的分子结构发生热改变，从而连接组织断端的微创手术。该技术与针线缝合相比具有易操作、手术短、炎症轻、愈合快、留疤轻等优点，特别是对于皮肤，血管，肠道等易于操作的组织，效果更为显著。生物组织激光焊接技术潜力巨大，有广阔的发展前景。但是目前是对于生物组织焊接的效果的检测方式还是存在一些不足，目前对于生物组织焊接效果的检测主要靠以下两种方式：通过直接观察方式焊接表面；或者对组织焊接处进行取材再通过切片染色进行评价。通过观察表面的方式进行判断可能存在失误，比如表面焊接成功，但是深度上焊接效果并不好，这种判断失误可能会影响伤口的愈合；而通过生物组织切片检测的方式虽然比较准确，但是整个过程取材，染色拍照观察耗时较长，不能快速进行焊接效果的检测。因此，上述检测生物组织焊接效果的方式不能快速准确的判断焊接效果。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出生物组织焊接效果检测方法和检测装置，能够快速准确方便的实现对生物组织焊接效果的检测。

根据本发明的第一方面实施例的一种生物组织焊接效果检测方法，包括以下步骤：

向待检测生物组织发射脉冲激光扫描信号；

利用空气耦合超声换能器接收所述生物组织接收所述脉冲激光扫描信号所激发的光声信号；

根据所述光声信号确定所述生物组织的第一光声图像；

根据所述第一光声图像确定所述生物组织的焊接效果。

可选地，所述向待检测生物组织发射脉冲激光扫描信号，具体包括：

发射脉冲激光信号；

将所述脉冲激光信号输入至扫描平台得到所述激光扫描信号。

可选地，所述对所述脉冲激光信号输入至扫描平台得到所述激光扫描信号，包括：对所述脉冲激光信号进行滤波和整形，将滤波和整形后的脉冲激光信号输入至所述扫描平台得到所述脉冲激光扫描信号。

可选地，所述标准光声图像为预先存储的正常生物组织的光声图像。

可选地，所述根据所述第一光声图像确定所述生物组织的焊接效果，包括：

获取标准光声图像和差异阈值；

根据所述第一光声图像和所述标准光声图像确定图像差异数据；

比较所述图像差异数据与所述差异阈值，确定所述生物组织的焊接效果。

根据本发明实施例的检测方法，至少具有如下有益效果：本发明实施例包括空气耦合超声换能器来接收已焊接的待检测生物组织由于激光照射所激发的光声信号的特征，实现了通过空气耦合光声成像的手段对已焊接的待检测生物组织进行非接触成像，继而根据得到光声图像来判断焊接效果。由于采用了空气耦合光声成像技术，这种方法不需要与焊接的生物组织接触也可以进行焊接效果的检测，同时光声成像的速度也比切片染色判断检测结果要快，因此能够快速准确方便的得出检测结论。

根据本发明的另一方面实施例的一种生物组织焊接效果检测装置，其特征在于，包括：

激光发生模块，用于发射脉冲激光信号；

扫描模块，与所述激光发生模块连接，用于接收所述脉冲激光信号，并输出脉冲激光扫描信号；

信号采集处理模块，所述信号采集处理模块包括相互连接的空气耦合超声换能器和信号放大器；所述空气耦合超声换能器用于接收待检测生物组织被所述脉冲激光扫描信号激发所激发的光声信号并将所述光声信号转换为第一电信号；所述放大器接收所述第一电信号，放大处理后输出第二电信号；

控制模块，与所述信号采集处理模块中的所述放大器连接，用于接收所述第二电信号，根据所述第二电信号确定所述生物组织的第一光声图像，根据所述第一光声图像确定所述生物组织的焊接效果。

可选地，

所述激光发生模块包括脉冲激光器和激光整形模块；

所述脉冲激光器用于发射第一脉冲激光信号；

所述的激光整形模块包括中性密度滤光片、空间光整形组件和光纤准直器；

所述第一脉冲激光信号依次经过所述中性密度滤光片、所述空间光整形组件和所述光纤准直器后得到所述脉冲激光信号；所述光纤准直器与所述扫描模块连接。

可选地，所述检测装置还包括可编程阵列模块，所述可编程阵列模块用于输出时序信号，所述时序信号分别输入至所述脉冲激光器、所述扫描模块和所述控制模块，分别用于控制所述脉冲激光器产生第一脉冲激光信号，控制所述扫描模块进行激光扫描，以及控制所述控制模块对所述第二电信号进行采集。

可选地，所述标准光声图像为预先存储的正常生物组织的光声图像。

可选地，所述根据所述第一光声图像确定所述生物组织的焊接效果，包括：

根据所述第一光声图像和标准光声图像确定图像差异数据；

比较所述图像差异数据与差异阈值，确定所述生物组织的焊接效果。

根据本发明实施例的检测装置，至少具有如下有益效果：本发明实施例包括空气耦合超声换能器来接收已焊接的待检测生物组织由于激光照射所激发的光声信号的特征，实现了通过空气耦合光声成像的手段对已焊接的待检测生物组织进行非接触成像，继而根据得到光声图像来判断焊接效果，能够快速准确方便的得出检测结论。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的检测方法的流程示意图；

图2为本发明检测装置的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

光声成像(photoacoustic imaging，PAI)是一种基于光吸收差异、以光声波(即超声波)为信息载体的的生物影像技术。当生物组织被短脉冲激光照射时，组织中吸收光能量并产生热量使激光照射点产生温度发生变化以致瞬间热膨胀，从而向外辐射出超声波。由光激发产生超声的现象即为光声效应，产生的超声信号即为光声信号，光声信号被超声探测器接收后，利用算法重建出组织内部的光吸收分布，即为光声成像。光声成像是一种无损的非侵入式的成像技术。当脉冲激光激励生物组织时，超声波作为信息载体产生，通过接收到超声波信号来重建生物组织光吸收分布图像，是非电离、非侵入的无损成像手段。利用生物组织的光谱选择性吸收差异，可以利用多个波长激发成像，通过得到的差异化的光声信号能够反映组织的结构、功能和血氧饱和度等多维度信息。光声成像结合了光学成像高对比和超声成像高穿透深度的优点，比纯光学成像穿透更深，可突破穿透光学如激光共聚焦显微成像、光学相干断层成像等光学成像深度的“软”极限(～1mm)，能够用于深层组织成像。

目前光声成像技术已经在光声断层成像(Photoacoustic Tomography,PAT)和光声显微成像(photoacoustic microscopy,PAM)在广泛应用。光声断层成像是目前光声成像领域发展最成熟的技术，该技术在生物医学领域目前已经有广泛的应用。PAT可以创建从细胞器到器官的各种生物结构的多尺度多对比度的图像。这项新兴技术通过利用光声效应，克服了光子在生物组织中的高度散射。分子吸收光产生热引起压力跃变，从而产生超声波，超声波会被声学探测器接收并重建得到图像。PAT可以提供结构，功能，分子，血液动力学，氧代谢，生物标志物和基因表达等方面的研究。PAM是另一种常用的光声成像模式，和光学显微镜工作原理类似，光声显微镜是将脉冲激光通过物镜聚焦到待测物表面从而激发产生光声信号，同时使用聚焦的超声换能器检测激发的光声信号。光声显微成像一个重要应用就是成像微血管，可以获得微血管的形态，结构和功能等信息，为研究微血管病变提供了一种新的手段。

光声断层成像适用于大面积以及对深度要求高的组织的成像，光声显微成像主要适用于为局部进行高分辨的成像。对于不同的组织焊接部位可以针对性地采用不同的光声成像模式。例如针对腹部或是其他部位的大伤口的组织焊接效果的评价可以使用光声断层成像模式，这样可以快速的对大范围的区域进行焊接效果的评价；而对于微小部位的组织焊接如血管的组织焊接可以使用光声显微模式进行成像，从而对微小部位的焊接效果做出高分辨成像，进而判断焊接效果。

如图1所示，为本发明的生物组织焊接效果检测方法，包括以下步骤：

S110、向待检测生物组织发射脉冲激光扫描信号；

S120、利用空气耦合超声换能器接收所述生物组织接收所述脉冲激光扫描信号所激发的光声信号；

S130、根据所述光声信号确定所述生物组织的第一光声图像；

S140、根据所述第一光声图像确定所述生物组织的焊接效果。

其中的待检测生物组织为已经完成焊接的生物组织。目前光声成像***中光声信号的接收装置为超声换能器，常规的光声信号传输到超声换能器需要耦合剂或者耦合模块，但是对于组织焊接时，使用耦合剂或者耦合模块与焊接部位接触有可能造成焊接部位感染或者其他后果，因此本实施例中由于使用了可以空气耦合的超声换能器进行光声信号的接受，从而避免了需要耦合剂带来的不利影响。

可选地，步骤S110中的脉冲激光扫描信号可以由脉冲激光信号经扫描模块来获得。经过扫描模块后，可以根据待检测生物组织的焊接部位特点，来选择采用光声断层成像或者光声显微成像技术所需要的扫描激光。发射的脉冲激光信号需要具有某种波长，不同的波长的激光穿透深度不同，在针对不同的生物组织成像时可以使用不同的波长，包括但是不限于以下波长532nm，1064nm，660nm等。

可选地，所述对所述脉冲激光信号输入至扫描平台得到所述激光扫描信号，包括：对所述脉冲激光信号进行滤波和整形，将滤波和整形后的脉冲激光信号输入至所述扫描模块得到所述激光扫描信号。发射脉冲激光后，经过光学元件的整形、滤波聚焦用于后续光声成像激发。经过光学整形、滤波、聚焦等处理能够使激光光束的大小和波形能量达到光声成像的要求。脉冲激光经脉冲激光器发射后，首先滤掉杂散光，对于不同波长的激光选取不同的滤光片；然后通过合适的光阑输出合适的激光。对于光声断层成像***，经过滤波整形后的目标脉冲激光通过柱透镜聚焦或是直接经过扫描模块对生物组织焊接部位进行扫描；对于光声显微***，经过滤波整形之后的脉冲激光可以是空间光直接通过聚焦元件进行聚焦，或者是整形后的脉冲激光通过光纤耦合***耦合进入光纤之后再通过聚焦元件聚焦之后进入扫描模块，对生物组织焊接部位进行扫描激发。

可选地，所述根据所述第一光声图像确定所述生物组织的焊接效果，包括：

获取标准光声图像和差异阈值；

根据所述第一光声图像和所述标准光声图像确定图像差异数据；

比较所述图像差异数据与所述差异阈值，确定所述生物组织的焊接效果。

在本实施例中，将针对生物组织的焊接部位生成的第一光声图像和正常生物组织的光声图像进行对比，得出二者的差异数据，将该差异数据与预设的差异阈值来进行比较，来确定待测生物组织的焊接效果。比如，当差异数据大于差异阈值，可以判断焊接效果不好，需要做进一步的处理；如果差异数据小于等于差异阈值，可以判断焊接效果良好。这样的判断有利于采用自动化的方式来实现焊接效果的判断。本领域技术人员可以理解的是，也可以根据第一光声图像直接来进行判断。

可选地，所述标准光声图像为预先存储的正常生物组织的光声图像。

标准光声图像为正常生物组织的光声图像。可以通过提前对正常生物组织的激光扫描成像来生成并存储。

对于不同焊接部位光声图像是不一样的，对于不同的组织焊接部位可以针对性地采用不同的光声成像模式。例如针对腹部或是其他部位的大伤口的组织焊接效果的评价可以使用光声断层成像模式，这样可以快速的对大范围的区域进行焊接效果的评价；而对于微小部位的组织焊接如血管的组织焊接可以使用光声显微模式进行成像，从而对微小部位的焊接效果做出高分辨成像，进而判断焊接效果。

本发明实施例提供了一种生物组织焊接效果检测装置，包括：

激光发生模块，用于发射脉冲激光信号；

扫描模块，与所述激光发生模块连接，用于接收所述脉冲激光信号，并输出脉冲激光扫描信号；

信号采集处理模块，所述信号采集处理模块包括相互连接的空气耦合超声换能器和信号放大器；所述空气耦合超声换能器用于接收待检测生物组织被所述激光信号照射所激发的光声信号并将所述光声信号转换为第一电信号；所述放大器接收所述第一电信号，放大处理后输出第二电信号；

控制模块，与所述信号采集处理模块中的所述放大器连接，用于接收所述第二电信号，根据所述第二电信号确定所述生物组织的第一光声图像，根据所述第一光声图像确定所述生物组织的焊接效果。

可选地，控制模块可以包括计算机，采集信号采集处理模块传输过来的第二电信号，并根据该第二电信号经过图像重建得到光声图像，然后对光声图像进行分析来判断生物组织的焊接效果。

可选地，

所述激光发生模块包括脉冲激光器和激光整形模块；

所述脉冲激光器用于发射脉冲激光信号；

所述的激光整形模块包括中性密度滤光片、空间光整形组件和光纤准直器；

所述脉冲激光信号依次经过所述中性密度滤光片、所述空间光整形组件和所述光纤准直器后得到所述脉冲激光信号；所述光纤准直器与所述扫描模块连接。

通过激光整形模块，将脉冲激光信号进行滤光和整形，得到合适的目标光束。

可选地，所述检测装置还包括可编程阵列模块，所述可编程阵列模块用于输出时序信号，所述时序信号分别输入至所述脉冲激光器、所述扫描模块和所述控制模块。

通过可编程陈列模块统一分配时序信号，作为时钟控制协调各个模块工作，完成检测任务。

可选地，所述根据所述第一光声图像确定所述生物组织的焊接效果，包括：

根据所述第一光声图像和标准光声图像确定图像差异数据；

比较所述图像差异数据与差异阈值，确定所述生物组织的焊接效果。

可选地，所述标准光声图像为预先存储的正常生物组织的光声图像。

生物组织焊接效果检测装置中相应特征的作用和生物组织焊接效果检测方法中的一致。

图2示出了一种生物组织焊接效果检测装置的具体示例，包括脉冲激光器1、中性密度滤光片2、第一镜片3、针孔原件4、第二镜片5、光纤准直器6、扫描模块7、待测生物组织8、空气耦合超声换能器9、放大器10、控制模块11和可编程阵模块12。其中的第一镜片3、针孔原件4和第二镜片5构成了空间光整形组件，脉冲激光器1、中性密度滤光片2、空间光整形组件和光纤准直器6组成了激光发生模块。图2中的点划线代表光线传输，带箭头的虚线代表电信号传输。

脉冲激光器输出脉冲激光后，首先通过带通滤光片滤掉杂散光，对于不同波长的激光选取不同的滤光片，然后脉冲激光通过合适的光阑输出合适的激光。对于光声断层成像***，经过滤波整形后的目标脉冲激光通过柱透镜聚焦或是直接进行激光扫描***对生物组织焊接部位进行扫描；对于光声显微***，经过滤波整形之后的脉冲激光可以是空间光直接通过聚焦元件进行聚焦，或者是整形后的脉冲激光通过光纤耦合***耦合进行光纤之后再通过聚焦元件聚焦之后进入激光扫描***进行对生物组织焊接部位进行扫描激发。上述元件包括但不限于光学滤光片，光阑，聚焦透镜等，各种凸透镜，grin透镜,C-lens均在聚焦透镜的保护范围。

扫描模块通过扫描***带动聚焦光束对生物组织焊接部位进行扫描，从而实现感兴趣区域的光声激发从而得到光声图像，扫描模块可以通过但不限于以下方式实现：将聚焦的空间光照射到振镜上通过二维振镜带动光束对感兴趣区域进行扫描；或者将脉冲激光通过光纤传输。

放大器用于对光声信号进行采集并放大送到控制模块进行图像处理。在空气耦合超声换能器输出电信号时，经放大器放大，还可以经过滤波器滤波(图中未显示)，还可以经高速数据采集卡进行数据采集(图中未显示)后输出至控制模块。通过空气耦合超声换能器可以实现无需耦合介质的非接触的光声信号的采集，避免了对组织焊接部位的污染。信号放大器可以实现微弱信号的放大，信号滤波器可以减小各种可能存在的噪声干扰，进而提高光声信号的信噪比，从而为光声信号图像重建提供便利。

控制模块通过对得到的由光声信号转换来的电信号进行处理实现图像重建，通过算法得到对应的光声图像用于组织焊接效果的检测。控制模块可以包括数据处理模块，GPU模块，软件模块等。

控制模块中可以包括计算机，该计算机可以和相关联的，诸如可编程逻辑阵列模块，或Labview等硬件和软件实现对各个模块的协同工作。

可以理解的是，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、***可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种生物组织焊接效果检测方法，其特征在于，包括：

向待检测生物组织发射脉冲激光扫描信号；

利用空气耦合超声换能器接收所述生物组织接收所述脉冲激光扫描信号所激发的光声信号；

根据所述光声信号确定所述生物组织的第一光声图像；

根据所述第一光声图像确定所述生物组织的焊接效果。

2.根据权利要求1所述的一种检测方法，其特征在于：所述向待检测生物组织发射脉冲激光扫描信号，具体包括：

发射脉冲激光信号；

将所述脉冲激光信号输入至扫描模块得到所述脉冲激光扫描信号。

3.根据权利要求2所述的一种检测方法，其特征在于：所述将所述脉冲激光信号输入至扫描模块得到所述脉冲激光扫描信号，包括：

对所述脉冲激光信号进行滤波和整形，将滤波和整形后的脉冲激光信号输入至所述扫描模块得到所述脉冲激光扫描信号。

4.根据权利要求1所述的一种检测方法，其特征在于：所述根据所述第一光声图像确定所述生物组织的焊接效果，包括：

获取标准光声图像和差异阈值；

根据所述第一光声图像和所述标准光声图像确定图像差异数据；

比较所述图像差异数据和所述差异阈值，确定所述生物组织的焊接效果。

5.根据权利要求4所述的一种检测方法，其特征在于：所述标准光声图像为预先存储的正常生物组织的光声图像。

6.一种生物组织焊接效果检测装置，其特征在于，包括：

激光发生模块，用于发射脉冲激光信号；

扫描模块，与所述激光发生模块连接，用于接收所述脉冲激光信号，并输出脉冲激光扫描信号；

信号采集处理模块，所述信号采集处理模块包括相互连接的空气耦合超声换能器和信号放大器；所述空气耦合超声换能器用于接收待检测生物组织被所述脉冲激光扫描信号激发所激发的光声信号并将所述光声信号转换为第一电信号；所述信号放大器用于接收所述第一电信号，放大处理后输出第二电信号；

控制模块，与所述信号采集处理模块中的所述放大器连接，用于接收所述第二电信号，根据所述第二电信号确定所述生物组织的第一光声图像，根据所述第一光声图像确定所述生物组织的焊接效果。

7.根据权利要求6所述的一种检测装置，其特征在于：

所述激光发生模块包括脉冲激光器和激光整形模块；

所述脉冲激光器用于发射脉冲激光信号；

所述的激光整形模块包括中性密度滤光片、空间光整形组件和光纤准直器；

所述脉冲激光信号依次经过所述中性密度滤光片、所述空间光整形组件和所述光纤准直器后得到滤波和整形后的脉冲激光信号；所述光纤准直器与所述扫描模块连接。

8.根据权利要求7所述的一种检测装置，其特征在于：

所述检测装置还包括可编程阵列模块，所述可编程阵列模块用于输出时序信号，所述时序信号分别输入至所述脉冲激光器、所述扫描模块和所述控制模块，分别用于控制所述脉冲激光器产生脉冲激光信号，控制所述扫描模块进行激光扫描，以及控制所述控制模块对所述第二电信号进行采集。

9.根据权利要求6所述的一种检测装置，其特征在于：所述根据所述第一光声图像确定所述生物组织的焊接效果，包括：

根据所述第一光声图像和标准光声图像确定图像差异数据；

比较所述图像差异数据与差异阈值，确定所述生物组织的焊接效果。

10.根据权利要求9所述的一种检测装置，其特征在于：所述标准光声图像为预先存储的正常生物组织的光声图像。

Images