本发明属于医疗器械领域，特别涉及双模态光声/超声成像的运动损伤评估系统及方法。
背景技术：
1、在现代社会，运动不仅是保持健康的方式，也是塑造体魄与挑战极限的途径。然而，运动损伤作为运动过程中不可忽视的风险，常常影响着个体的运动能力和生活品质。
2、运动损伤是指在体育运动过程中所发生的各种损伤，其损伤部位与运动项目以及专项技术特点有关。运动损伤按时间可分为新伤和旧伤；按病程可分为急性损伤和慢性损伤；按性质可分为开放性损伤和闭合性损伤；按程度可分为轻度、中度损伤和重伤。常见的运动损伤有长时间慢跑或骑功率自行车所引发的局部关节劳损，力量训练中出现的肌肉拉伤、扭伤和挫伤等，篮球、足球项目中出现的骨折、韧带撕裂、半月板损伤等。运动损伤的频繁发生不仅会损害身体健康，影响日常工作与生活，严重者还会导致残疾，对其造成终身性的伤害。
3、根据运动类型的不同，损伤的性质和程度也各不相同。在跑类项目中，下肢损伤较为多见；跳类项目中，腰部肌肉伤较易发生；投掷类项目中，肩、肘、躯干、膝部伤病较多。从运动损伤的机制解释，这是由于人体结构存在某些弱点：如腰部负担重，保护相对少，肌肉的活动复杂；膝关节的杠杆长、保护少，屈膝时关节不稳定；踝关节的外踝长、内踝短，外的韧带较薄弱，内翻肌群的力量较外翻肌群的力量大。在正常情况下，这些弱点并不表现出来，但这些弱点与动作结合时，就会成为损伤的因素。加上如果技术掌握得不好，以及场地器材等因素，就很容易在运动中受伤。而且小伤小病往往不会引起重视，带伤带病坚持锻炼，而导致损伤发生，不易恢复，不易治疗。
4、在运动损伤治疗中，医生的首要任务是确保伤员不会面临受伤恶化或复发性损伤的风险。为了实现这一目标，根据现有的临床和影像学手段确定预后至关重要。运动损伤的影像学检查有助于指导治疗，这直接影响预后，特别是在损伤的明确诊断或等级不确定、恢复时间长于预期或可能需要手术治疗的情况下。
5、医学检测影像技术有x线成像、计算机断层扫描、功能性磁共振成像和纯超声成像。x线成像图像清晰，设备价格适中，然而其具有电离辐射，且不能实现实时动态连续检查；计算机断层扫描可以得到清晰的组织结构影像，但无法提供功能方面的信息，且有一定的电离辐射。功能性磁共振成像，能够获得原生三维断面图像，对软组织和解剖结构显示清晰，但其扫描时间长，需要患者长时间制动，且对金属植入物患者不适用；纯超声成像可以提供人体断面的实时动态图像，并且无损、便捷，是目前较为常用的检查手段，但其图像功能信息不足，且分辨率较低。
6、经过检索，申请公开号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。
7、1.该专利未涉及超声探头类型及激光激励方式，本发明使用镂空凹面超声阵列探测器，中间镂空，将光纤后端置于镂空位置，使激光垂直照射，于光纤后端使用鲍威尔棱镜将圆形激光束转换为均匀照射的直线。
8、2.该专利未涉及图像重建算法，本发明使用光声/超声双模态成像重建算法及多光谱光声定量重建算法重建图像，得到组织的结构异常信息及功能异常信息，包括：根据所述重建图像计算所述运动损伤组织的胶原蛋白分布情况；根据所述重建图像计算含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白、总血红蛋白、氧饱和度以及水含量参数。
9、3.该专利未涉及运动损伤的评估系统，本发明根据所述实时图像显示能够判断出组织是否存在运动损伤；是否存在运动损伤的判定规则为：所述生物组织成像区域中，基于光声/超声双模态成像重建算法重建图像判断其组织内部是否存在血肿、水肿，是否存在肌肉、韧带和骨头的损伤或断裂。
技术实现思路
1、本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种双模态光声/超声成像的运动损伤评估系统及方法。本发明的技术方案如下：
2、一种双模态光声/超声成像的运动损伤评估系统，其包括：
3、输入模块、运动损伤检测模块、损伤评估模块和结果输出模块；所述输入模块输出端与所述运动损伤检测模块的输入端相连；所述运动损伤检测模块输出端与所述损伤评估模块的输入端相连；所述损伤评估模块的输出端与所述结果输出模块的输入端相接，其中，
4、所述输入模块包括第一计算机、opo高频激光器、光纤、鲍威尔棱镜和超声发生器，其中第一计算机控制opo高频激光器发出脉冲激光，激光经过光纤传输至鲍威尔棱镜将激光束转换为均匀照射的直线，之后照射到被测生物组织产生光声信号；第一计算机控制超声发生器产生超声波，之后照射向被测生物组织产生超声信号；
5、所述运动损伤检测模块包括数据采集模块和图像显示模块，所述数据采集模块包括镂空凹面超声阵列探测器、多通道数据采集卡及万向机械手臂，使用万向机械手臂调整镂空凹面超声阵列探测器使其垂直置于被测生物组织上方，镂空凹面超声阵列探测器接收生物组织产生的光声信号和反射的超声信号，镂空凹面超声阵列探测器与多通道数据采集卡相连，多通道数据采集卡采集镂空凹面超声阵列探测器接收的光声信号和超声信号，并将采集到的信息传至第二计算机；
6、所述图像显示模块包括第二计算机、labview软件和光声/超声双模态成像重建算法；所述第二计算机与多通道数据采集卡相连，其接收采集卡采集的信号并结合基于labview软件和光声/超声双模态成像重建算法进行图像实时显示；
7、所述损伤评估模块，若是损伤状态再进一步结合多光谱光声定量重建算法计算出损伤部位组织的结构异常信息及血流动力学异常参数。
8、进一步的，所述光声/超声双模态成像重建算法具体包括：
9、原理是被测生物组织的不同位置与探测器每个晶元的距离不同，因此每个晶元接收的信号有不同的时间延迟，根据每个像素距离每个晶元的距离来判断信号的延迟时间，然后根据每个晶元接收到信号的时间差异提取出每个通道处信号的具体位置进行叠加，即可重建出图像。
10、
11、其中，s(x,y)表示在坐标(x,y)处信号的强度，表示第k个探测器晶元与坐标的距离，vs为声速，ts为探测器采样间隔，sk(i)为第k个探测器晶元的采样信号。
12、进一步的，所述opo高频激光器可实现波长的快速切换，在控制其余变量不变的情况下，可控制波长在680nm-980nm间切换；
13、所述光纤后端使用鲍威尔棱镜将圆形激光束转换为均匀照射的直线。
14、进一步的，所述镂空凹面超声阵列探测器中间镂空，将光纤后端及鲍威尔棱镜置于镂空位置，使激光垂直照射。
15、进一步的，所述第一计算机控制激光和超声波的激励以及数据采集卡的采集，超声发生器首先接收触发信号产生超声波，数据采集卡接收信号进行超声信号采集，完成超声信号采集后opo高频激光器接收信号产生激光，数据采集卡接收信号进行光声信号采集。光声和超声产生的信号均为超声信号，使用同一个数据采集卡采集双模态信号。
16、进一步的，所述损伤评估模块中，实时图像显示能够判断出组织是否存在运动损伤；是否存在运动损伤的判定规则为：所述生物组织成像区域中，基于光声/超声双模态成像重建算法重建图像判断其组织内部是否存在血肿、水肿，是否存在肌肉、韧带和骨头的损伤或断裂；所述光声/超声双模态成像重建算法，原理是被测生物组织的不同位置与探测器每个晶元的距离不同，因此每个晶元接收的信号有不同的时间延迟，根据每个像素距离每个晶元的距离来判断信号的延迟时间，然后根据每个晶元接收到信号的时间差异提取出每个通道处信号的具体位置进行叠加，即可重建出图像。
17、进一步的，根据所述光声/超声双模态成像重建算法及所述多光谱光声定量重建算法重建图像对所述运动损伤组织进行损伤程度评估，得到组织的结构异常信息及功能异常信息，包括：根据所述重建图像计算所述运动损伤组织的胶原蛋白分布情况；根据所述重建图像计算含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白、总血红蛋白、氧饱和度以及水含量参数。
18、进一步的，根据所述重建图像计算所述运动损伤组织的胶原蛋白分布情况；根据所述重建图像计算含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白、总血红蛋白、氧饱和度以及水含量参数，具体为：
19、
20、
21、其中，为波长λ时点处的总吸收系数，分别为hb、hbo2、h2o、collagen的吸收系数。so2为氧饱和度，其值为含氧血红蛋白含量与总血红蛋白含量的比值。
22、进一步的，所述多光谱光声定量重建算法具体为：基于各种生物组织内源造影剂吸收系数的不同，将其带入
23、μa(r,λ)＝εhb(λ)[hb](r)+εhbo2(λ)[hbo2](r)+εh2o(λ)[h2o](r)+εcol(λ)[col](r)
24、公式中，得到各种生物组织的分布图像，包括：使用760nm、840nm、930nm波长的激光对运动损伤部位内部血管、关节囊及滑膜囊进行成像，计算含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白、总血红蛋白、氧饱和度以及水含量；使用900nm-980nm激光每隔5nm对运动损伤部位内部肌腱、韧带及关节进行成像，计算胶原蛋白物质分布情况；
25、所述胶原蛋白分布情况、含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白、总血红蛋白、氧饱和度以及水含量图像与超声图像叠加，结合超声图像的结构信息和光声图像的结构及功能信息。
26、一种基于任一项所述系统的运动损伤评估方法，其包括以下步骤：
27、步骤1、开启各设备，并设置激光脉冲和采集卡采样的参数；
28、步骤2、将光纤后端置于镂空凹面超声阵列探测器镂空部分实现垂直入光，移动万向机械手臂使得运动损伤区域位于凹面超声阵列探测器正中心；
29、步骤3、利用计算机触发超声发生器产生超声波并照射向被测生物组织；
30、步骤4、镂空凹面超声阵列探测器接收生物组织反射的超声信号；
31、步骤5、利用计算机触发opo高频激光器发射脉冲激光并经过光纤照射向被测生物组织；
32、步骤6、镂空凹面超声阵列探测器接收生物组织吸收激光能量后热膨胀导致局部压力变化产生的光声信号；
33、步骤7、凹面超声换能器接收的超声信号和光声信号紧接着由多通道数据采集卡实现采集；
34、步骤8、维持所有的实验条件不变，利用计算机触发脉冲激光的波长840nm、930nm、900nm-980nm间隔5nm，并重复步骤5-7；
35、步骤9、采集的超声和光声数据结合labview软件和光声/超声双模态成像重建算法定性判断组织是否存在运动损伤；
36、步骤10、若判断存在运动损伤则通过多光谱光声重建算法对损伤程度进行定量评估；
37、步骤11、结果输出。
38、本发明的优点及有益效果如下：
39、现有技术对于运动损伤检测的影像学诊断有一定的不足之处。相比于x线成像，本发明能够对患者病情动态的连续检查且无电离辐射伤害；相比于计算机断层扫描，本发明能够提供组织功能信息参数；相比于功能性磁共振成像，本发明能够实现快速成像且对金属植入物无限制；相比于纯超声成像，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，结合了光声成像的功能信息和超声成像的结构信息，能够实现更加全面、准确的评估诊断。
40、本发明的双模态光声/超声成像的运动损伤评估系统的技术采用超声重建图像和多光谱光声定量重建图像相叠加，其同时提供统一视场范围内的组织内部结构及功能信息参数的高分辨率的实时图像，结合光声成像和超声成像各自的优势，可以提供全面、准确的组织内部信息，为运动损伤的临床诊断提供依据，可作为运动损伤诊断的新型影像系统。
41、本发明的巧妙之处在于：(1)在光纤末端使用鲍威尔棱镜替代传统的柱面棱镜，提高了激光的均匀性；(2)使用labview软件和光声/超声双模态成像重建算法定性判断运动损伤部位血管、关节囊及滑膜囊位置是否存在血肿、水肿，肌腱、韧带及关节位置是否存在肌肉、韧带和骨头的损伤或断裂，能够定性判断组织是否存在运动损伤；(3)结合超声图像与多光谱光声定量重建图像，同时提供组织内部结构及功能信息参数，能够定量地判断运动损伤程度。
1.一种双模态光声/超声成像的运动损伤评估系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种双模态光声/超声成像的运动损伤评估系统，其特征在于，所述光声/超声双模态成像重建算法具体包括：
3.根据权利要求1所述的一种双模态光声/超声成像的运动损伤评估系统，其特征在于，所述opo高频激光器可实现波长的快速切换，在控制其余变量不变的情况下，可控制波长在680nm-980nm间切换；
4.根据权利要求1所述的一种双模态光声/超声成像的运动损伤评估系统，其特征在于，所述镂空凹面超声阵列探测器中间镂空，将光纤后端及鲍威尔棱镜置于镂空位置，使激光垂直照射。
5.根据权利要求1所述的一种双模态光声/超声成像的运动损伤评估系统，其特征在于，所述第一计算机控制激光和超声波的激励以及数据采集卡的采集，超声发生器首先接收触发信号产生超声波，数据采集卡接收信号进行超声信号采集，完成超声信号采集后opo高频激光器接收信号产生激光，数据采集卡接收信号进行光声信号采集。光声和超声产生的信号均为超声信号，使用同一个数据采集卡采集双模态信号。
6.根据权利要求1所述的一种双模态光声/超声成像的运动损伤评估系统，其特征在于，所述损伤评估模块中，实时图像显示能够判断出组织是否存在运动损伤；是否存在运动损伤的判定规则为：所述生物组织成像区域中，基于光声/超声双模态成像重建算法重建图像判断其组织内部是否存在血肿、水肿，是否存在肌肉、韧带和骨头的损伤或断裂；所述光声/超声双模态成像重建算法，原理是被测生物组织的不同位置与探测器每个晶元的距离不同，因此每个晶元接收的信号有不同的时间延迟，根据每个像素距离每个晶元的距离来判断信号的延迟时间，然后根据每个晶元接收到信号的时间差异提取出每个通道处信号的具体位置进行叠加，即可重建出图像。
7.根据权利要求6所述的一种双模态光声/超声成像的运动损伤评估系统，其特征在于，根据所述光声/超声双模态成像重建算法及所述多光谱光声定量重建算法重建图像对所述运动损伤组织进行损伤程度评估，得到组织的结构异常信息及功能异常信息，包括：根据所述重建图像计算所述运动损伤组织的胶原蛋白分布情况；根据所述重建图像计算含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白、总血红蛋白、氧饱和度以及水含量参数。
8.根据权利要求7所述的一种双模态光声/超声成像的运动损伤评估系统，其特征在于，根据所述重建图像计算所述运动损伤组织的胶原蛋白分布情况；根据所述重建图像计算含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白、总血红蛋白、氧饱和度以及水含量参数，具体为：
9.根据权利要求8所述的一种双模态光声/超声成像的运动损伤评估系统，其特征在于，所述多光谱光声定量重建算法具体为：基于各种生物组织内源造影剂吸收系数的不同，将其带入公式中，
10.根据权利要求1-9任一项所述系统的运动损伤评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
