CN114209275A - 一种兼容oct的光声传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种兼容OCT的光声传感器，属于光声成像技术领域和超声传感器技术领域。该传感器体积小，具有柔性，预先滴加滴眼液后，可像佩戴隐形眼镜一样直接贴合到眼睛表面，能够适应临床应用需求。并且，该传感器具有中心通孔，使用时不覆盖瞳孔，因此可与眼科OCT兼容。同时，光声成像***的脉冲光可通过该传感器的中心通孔传播至眼球内部，激励眼底的待测物产生光声信号(超声波)，超声波由眼底传输至眼表，由于预先滴加了滴眼液，声波可充分耦合传输至贴合在眼睛表面的光声传感器，声波被传感器收集后转变为电信号。本发明可在兼容OCT成像***的情况下，方便地获取光声图像，是一种极具临床应用潜力的新技术。

Description

一种兼容OCT的光声传感器
技术领域
本发明涉及一种兼容OCT的光声传感器，属于光声成像技术领域和超声传感器技术领域。
背景技术
光声成像是一种新型的生物医学成像技术。集光学分辨率和声穿透深度优势于一体的光声成像技术，相比与传统的纯光学成像技术，如光学相干断层成像(OCT)等，很好的避免了光散射导致的穿透深度小的限制，具有更深的探测深度；而与传统的超声成像技术相比，光声成像技术的对比度来源于待测物的光吸收度的差异，避免了由于目标物体的声阻抗差别不大而造成的成像对比度不高，且光声成像的横向分辨率取决于***的光学聚焦性能，从而比超声成像具有更高的分辨率。因此，具有非标记、非破坏、无辐射、成像特异性强等多种优势的光声成像技术对研究生物组织的形态结构、生理特征、病理特征、代谢功能等具有重要应用前景。
人眼眼底视网膜和脉络膜血管是全身血管相关性疾病的观察窗口，如动脉硬化、血液病、视网膜肿瘤以及糖尿病等疾病都可以在早期从视网膜血管这里观察到其形态变化。由于眼球的特殊生理结构，光声***中的光探头所激发出的激光可以穿过瞳孔，经过晶状体聚焦到眼底血管，并且人眼中含有大量的具有很好吸光特性的软组织，所以光声成像***可以很好的对眼底血管进行监视、检查。
目前，在眼科检查主要有OCT、眼科B超、UBM等项目。这些成像方式各有其优点，但都未能对眼底视网膜更深处进行高分辨率检查，以至于对某些血管相关性疾病未能做成及时的诊断。而光声成像由于其上述的优点有望突破这一限制。目前，也有少数学者通过光声成像***对动物眼部进行了清晰的成像，但是所采用的方法都是采用体积较大的超声换能器再配置水槽以采集光声信号。虽然也能得到眼球内部的图像，但是这样的***具有以下几点不足：第一，整体***体积庞大；第二，***探测灵敏度不高；第三，由于人眼的特殊性导致很难应用到临床中。
发明内容
本发明的目的是为了解决光声成像技术走向眼科临床应用面临的缺乏小型光声传感器的问题，提出了一种兼容眼科OCT的光声传感器。该传感器体积小，具有柔性，预先滴加滴眼液后，可像佩戴隐形眼镜一样直接贴合到眼睛表面，能够适应临床应用需求。并且，该传感器具有中心通孔，使用时不覆盖瞳孔，因此可与眼科OCT兼容。同时，光声成像***的脉冲光可通过该传感器的中心通孔传播至眼球内部，激励眼底的待测物产生光声信号(超声波)，超声波由眼底传输至眼表，由于预先滴加了滴眼液，声波可充分耦合传输至贴合在眼睛表面的光声传感器，声波被传感器收集后转变为电信号。将光声传感器紧密贴合在眼睛表面并将其固定，移动光声成像***的脉冲光进行扫描成像，从而获得光声图像。本发明可在兼容OCT成像***的情况下，方便地获取光声图像，是一种极具临床应用潜力的新技术。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种兼容OCT的光声传感器，包括：探头外壳、上电极、压电薄膜、下电极、声学匹配层、滴眼液耦合剂、眼球和光信号。
所述兼容OCT的光声传感器，根据实际需求不同，其内部的压电薄膜分为三种结构。第一种所述结构为弯曲自聚焦压电薄膜，这使得光声共轴共焦而大大提高了探测灵敏度以及***分辨率，并可通过压电薄膜曲率的改变以实现对人眼瞳孔中心不同深度的某一个点进行成像。第二种所述结构为平面压电超声传感器，虽然其由于本发明的换能器中心留有与瞳孔一样大小的通孔而导致眼底中心区域无法被探测到，但是其可以实现对眼底两侧最大范围信号的探测。第三种所述压电薄膜结构为平面结构且按一定角度倾斜放置，这使得该结构柔性传感器在贴合至眼睛表面后所能接收到信号的有效区可以大范围覆盖眼底的视网膜和脉络膜血管，探测面积大。
所述第一种结构：探头外壳为顶端开孔、且材料为PDMS等聚合物；所述上电极、弯曲自聚焦压电薄膜、下电极、声学匹配层均中心开孔，并依次贴合；将声学匹配层通过滴眼液耦合剂贴合到眼球表面；光信号通过探头外壳、上电极、弯曲自聚焦压电薄膜、下电极、声学匹配层的中心通孔照射入眼球。如图1。
所述第二种结构：探头外壳为顶端开孔、且材料为PDMS等聚合物；所述上电极、平场压电薄膜、下电极、声学匹配层均中心开孔，并依次贴合；将声学匹配层通过滴眼液耦合剂贴合到眼球表面；光信号通过探头外壳、上电极、平场压电薄膜、下电极、声学匹配层的中心通孔照射入眼球。如图2。
所述第三种结构：探头外壳为顶端开孔、且材料为PDMS等聚合物；所述上电极、平场倾斜压电薄膜、下电极、声学匹配层均中心开孔，并依次贴合；将声学匹配层通过滴眼液耦合剂贴合到眼球表面；光信号通过探头外壳、上电极、平场倾斜压电薄膜、下电极、声学匹配层的中心通孔照射入眼球。如图3。
通过上述结构的兼容OCT的光声传感器可最终直接佩戴到眼睛上，采用滴眼液等液体作为耦合剂。聚焦的光信号直接通过该传感器的中心通孔穿过瞳孔到达眼睛底部，照射视网膜或脉络膜血管激发光声信号，最终被兼容OCT的光声传感器接收。通过所述的兼容OCT的光声传感器有效的避免了传统光声探头探测眼底光声信号时所使用的水槽，可减小***体积、提高探测灵敏度，为光声成像***走向眼科临床应用提供了可能。
所述兼容OCT的光声传感器，当采用第三种结构，由于压电薄膜为平面结构且按一定角度倾斜放置将会导致兼容OCT的光声传感器用作发射声波时，两侧的声波在底端相交。由于相交的两侧声波是由同一换能器发射，其满足频率相同、振动方向一致和相位差固定，而在相交的部分产生声波干涉。声波在眼球中某一区域干涉时会对其干涉区域组织产生影响，导致光声***以及OCT所发射的光信号被其调制相位、波长或者强度，使***可以得到眼球中更隐晦的信息。所述兼容OCT的光声传感器，其压电薄膜倾斜的角度不仅决定了声波相交区域的大小，也决定了声波的干涉图样。干涉图样中的条纹间距与压电薄膜倾斜的角度的关系，如图4，可由式1得到：
Figure BDA0003403617540000031
式1中λ为声波波长，α为压电薄膜倾斜的角度，Δx为条纹间距。所以压电薄膜不同的倾斜角度引起的不同干涉区域以及干涉图样将会得到眼球中不同的血管信息。
所述兼容OCT的光声传感器，其中心通孔结构使得眼科OCT的光信号以及光声成像***的脉冲光信号都可以通过瞳孔传播至眼球内部，中心通孔的大小设置为与眼球瞳孔一致(直径2mm至5mm)，且该传感器结构实现了光声成像***的光声共轴，能显著提高成像分辨率，并大幅增大探测深度。所述兼容OCT的光声传感器在贴合至眼睛时，需预先滴加滴眼液等液体耦合剂，完美的替代了现有***所使用的水槽，大大减小了探测***的体积，提高了患者被检测时的舒适性和便捷性，使光声成像***走向眼科临床变成了可能。所述兼容OCT的光声传感器采用PDMS等聚合物作为背衬和外层保护层，其具有优异的生物相容性、稳定性以及易成型性；并且采用PZT、氧化锌、氮化铝、PVDF等压电薄膜作为换能材料，带宽大、灵敏度高，进一步保证了高分辨率的实现。
有益效果
1、本发明的兼容OCT的光声传感器，采用平场倾斜压电薄膜，使得光声传感器的信号探测区域最大限度的覆盖了眼底的血管区域。
2、本发明的兼容OCT的光声传感器，采用弯曲自聚焦压电薄膜，从而光声共轴共焦使得光声***拥有高探测灵敏度以及高分辨率，并且可以通过压电薄膜曲率的改变以实现对人眼瞳孔中心不同深度的某一个点进行成像。
3、本发明的兼容OCT的光声传感器，采用平场压电薄膜，使得光声传感器的信号可以探测到眼底中心两侧的最大范围。
4、本发明的兼容OCT的光声传感器，采用平场倾斜压电薄膜使得声波在底部相交干涉，对光信号进行调制，而获取更多的眼部信息。
5、本发明的兼容OCT的光声传感器，采用了中心通孔结构，不仅可以使得光声成像***的脉冲光信号可以通过中心通孔直接传播至眼底，并且可以兼容眼科OCT***，使其光信号也可以通过中心通孔直接传播至眼底，从而实现了光声成像***与眼科OCT的兼容。
6、本发明的兼容OCT的光声传感器，去除了传统光声探头采集光声信号所使用的水槽，而直接在眼睛表面滴加滴眼液等耦合剂，方便地实现了小型化光声传感器与眼睛的贴合，使得光声成像***走向眼科临床变成了可能。
7、本发明的兼容OCT的光声传感器，采用压电薄膜作为换能材料，采用PDMS等聚合物材料作为背衬与外层保护层，其体积小、灵敏度高、柔性好、生物相容性好，对人眼无害。
附图说明
图1为弯曲自聚焦压电薄膜的兼容OCT的光声传感器的结构图
图2为平场压电薄膜的兼容OCT的光声传感器的结构图
图3为平场倾斜压电薄膜的兼容OCT的光声传感器的结构图
图4为声波干涉时，条纹间距和声波角度的关系图
图5为采用弯曲自聚焦压电薄膜的兼容OCT的光声传感器的仿真图
图6采用平场压电薄膜的兼容OCT的光声传感器的仿真图
图7为采用平场倾斜(倾斜5°，中心通孔直径为2mm)压电薄膜的兼容OCT的光声传感器的仿真图。
图8为为采用平场倾斜(倾斜8°，中心通孔直径为5mm)压电薄膜的兼容OCT的光声传感器的仿真图。
其中，1—探头外壳、2—上电极、3—平场倾斜压电薄膜、4—下电极、5—声学匹配层、6—滴眼液耦合剂、7—眼球、8—光信号。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施例与附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，一种兼容OCT的光声传感器，包括：探头外壳1、上电极2、弯曲自聚焦压电薄膜3、下电极4、声学匹配层5、滴眼液耦合剂6、眼球7、光信号8。
探头外壳1为顶端开有通孔，通孔大小为2mm，其采用PDMS材料，并位于上电极2、弯曲自聚焦压电薄膜3、下电极4、声学匹配层5的外侧；上电极2、弯曲自聚焦压电薄膜3、下电极4、声学匹配层5的中心均开有2mm的通孔；上电极2位于探头外壳1与弯曲自聚焦压电薄膜3之间，厚度为1μm；弯曲自聚焦压电薄膜3的厚度为100μm，是曲率半径为25.4mm的弯曲面，并放置于上电极2和下电极4的中间；下电极4的厚度为1μm，位于弯曲自聚焦压电薄膜3与声学匹配层5之间；声学匹配层5厚度为24.1μm放置于下电极4的下方；声学匹配层5通过滴眼液耦合剂6贴合在眼球7上；光信号8通过探头外壳1、上电极2、弯曲自聚焦压电薄膜3、下电极4、声学匹配层5的中心通孔进入眼球7中。
因该传感器采用压电薄膜作为换能材料，基于压电材料的压电效应和逆压电效应的互易性，可通过仿真其发射声场分布获取其接收声信号的性能。将上述设计结构进行仿真实验，获得中心工作频率为30MHz左右的兼容OCT的光声传感器。如图5所示，该兼容OCT的光声传感器在眼球中某一点有着很好的聚焦效果。这种用于凝视成像的传感器可大幅提高探测灵敏度。
实施例2
在实施例1的基础上，仅将探头外壳1、上电极2、弯曲圆弧压电薄膜3、下电极4、声学匹配层5的从弯曲圆弧改为平场从而实现换能器能最大范围探测眼底两侧的信息，其余结构均同实施例1，如图2。
将上述设计结构进行仿真实验，获得中心工作频率为30MHz左右的兼容OCT的光声传感器。如图6所示，该兼容OCT的光声传感器能够探测的区域覆盖眼底中心两侧的最大范围。
实施例3
在实施例1的基础上，仅将探头外壳1、上电极2、弯曲圆弧压电薄膜3、下电极4、声学匹配层5从弯曲圆弧改为倾斜平场，且平场倾斜压电薄膜3的倾斜角度为5°，其余结构均同实施例1，如图3。
将上述设计结构进行仿真实验，获得中心工作频率为30MHz左右的兼容OCT的光声传感器。如图7所示，该兼容OCT的光声传感器能够探测的区域覆盖眼底部位较大范围。
实施例4
在实施例3的基础上，仅将探头外壳1、上电极2、平场倾斜压电薄膜3、下电极4、声学匹配层5的倾斜角度从5°改为8°，以及将探头外壳1、上电极2、平场倾斜压电薄膜3、下电极4、声学匹配层5的中心通孔直径从2mm改为5mm，其余结构均同实施例3。
将上述设计结构进行仿真实验，获得中心工作频率为30MHz左右的兼容OCT的光声传感器。如图4所示，改变倾斜角度，获得声波干涉的区域以及干涉条纹都发生了变化。如图8所示，该兼容OCT的光声传感器能够探测的区域覆盖眼底部位较大范围。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种兼容OCT的光声传感器，其特征在于：所述传感器中间带有透光孔，且能够贴合眼球；将所述传感器放置在眼睛上，保证透光孔与瞳孔对应，通过光声成像和OCT双模式检查，得到眼底视神经血管的信息。
2.如权利要求1所述一种兼容OCT的光声传感器，其特征在于：所述传感器包括压电薄膜、探头外壳、上电极、下电极和声匹配层；上电极、压电薄膜、下电极、声学匹配层均中心开孔，并依次贴合；所述探头外壳将其包覆其中。
3.如权利要求1所述一种兼容OCT的光声传感器，其特征在于：所述压电薄膜形状包括：弯曲自聚焦、平场和平场倾斜形。
4.如权利要求3所述一种兼容OCT的光声传感器，其特征在于：所述压电薄膜倾斜的角度既能够决定声波相交区域的大小，也能够决定声波的干涉图样；所述干涉图样中的条纹间距与压电薄膜倾斜的角度的关系由公式1得到；
Figure FDA0003403617530000011
其中，λ为声波波长，α为压电薄膜倾斜的角度，Δx为条纹间距。
5.如权利要求1所述一种兼容OCT的光声传感器，其特征在于：所述透光孔大小与瞳孔相同。
6.如权利要求1所述一种兼容OCT的光声传感器，其特征在于：所述压电薄膜材料包括PZT、氧化锌、氮化铝和PVDF。
7.如权利要求2所述一种兼容OCT的光声传感器，其特征在于：所述探头外壳材料包括聚合物。
8.如权利要求7所述一种兼容OCT的光声传感器，其特征在于：聚合物包括PDMS、水凝胶。
9.如权利要求1所述一种兼容OCT的光声传感器，其特征在于：所述倾斜平场压电薄膜通过调节其倾斜角度，获得声波在不同区域干涉以及获得不同的干涉条纹对OCT以及光声***中的光信号进行调制。
10.如权利要求1所述一种兼容OCT的光声传感器，其特征在于：通过上述结构的兼容OCT的光声传感器可最终直接佩戴到眼睛上，采用滴眼液等液体作为耦合剂；聚焦的光信号直接通过该传感器的中心通孔穿过瞳孔到达眼睛底部，照射视网膜或脉络膜血管激发光声信号，最终被兼容OCT的光声传感器接收；通过所述的兼容OCT的光声传感器有效的避免了传统光声探头探测眼底光声信号时所使用的水槽，能够减小***体积、提高探测灵敏度，为光声成像***走向眼科临床应用提供了可能。
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CN113834876A (zh) * 2021-09-24 2021-12-24 北京理工大学 一种开环控制的超声探测***中的c扫描图像质量增强方法

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