CN102170819A - 具有可动检测器阵列的光声测量装置 - Google Patents

具有可动检测器阵列的光声测量装置 Download PDF

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Abstract

一种测量装置包括：具有多个元件的声换能器，各元件检测从样本产生的声波并将该声波转换成电信号；将声换能器从第一位置移动到第二位置的移动控制单元；和基于电信号产生图像数据的处理单元。声换能器在元件的布置中具有间隙。声换能器检测第一位置处的声波，被移动控制单元移动使得第一位置处的间隙的位置与第二位置处的元件的位置对应，并然后检测第二位置处的声波。处理单元基于在第一和第二位置处获得的电信号产生图像数据。

Description

具有可动检测器阵列的光声测量装置
技术领域
本发明涉及测量装置。
背景技术
在医疗领域中，已典型地使用利用X射线、超声和磁共振成像(MRI)的成像器件。并且，在医疗领域中积极开展了光学成像的研究。光学成像通过用来自诸如激光器的光源的光照射诸如活体的样本、使得光在样本中传播并检测传播的光等来获得生物信息。这种光学成像技术的例子可以是光声层析法(PAT)。
光声层析法是如下这样的技术，其用从光源产生的脉冲光照射样本，检测从在样本周围的多个位置处的已吸收了在样本中传播并且分散的光的能量的体组织产生的声波的时间轮廓，数学分析获得的信号并且将与样本内部的光学特性值有关的信息可视化。因此，可以获得初始压力分布或吸收光能量分布、特别是由于样本中的光照射而产生的吸收光能量分布。该分布可被用于例如指定肿瘤的位置。
一般地，通过光声层析法，只要可通过在围绕整个样本的封闭空间的表面上、特别是在球形测量面上的各点处使用理想的声换能器(宽带、点检测)测量声波的时间轮廓，由于光照射产生的初始压力分布就可在理论上被完全可视化。但是，对于实际的样本，难以从围绕整个样本的封闭空间的整个表面获得声波检测信息。鉴于此，在一些情况下，可以使用图1所示的平面测量系统。参照图1，附图标记1表示声换能器，2表示用作声波源的光吸收体，3表示样本，4表示图像重构区域，5表示声波。在这种平板测量系统中，在数学上已知，对于在其中由于脉冲光照射而产生的初始压力分布被可视化的图像重构区域4，只要可在足够大的区域(理想地，无限表面)中测量声波，就可基本上完全重构声波源分布(参见Physical Review E71，016706，2005)。
引用列表
非专利文件
非专利文件1：Physical Review E71,016706,2005
发明内容
当增大声换能器1的尺寸并且增加包含于声换能器1中的元件的数量以扩展声波的测量区域时，用于声换能器1的控制的电子控制系统变大，从而导致电子控制系统为极其昂贵的系统。当要制造具有大量元件的声换能器时，为了更容易制造，声换能器被分成多个元件组，并且，布置该多个元件组。因此，生产大的声换能器。
当元件的数量为明显大的数量时，由于用于向外面传送元件的电信号的布线线缆受限制(或者线缆的直径可增加)，因此可能对于元件中的一些不能提供布线。此外，提供沟槽(边界部分)以减少在分割的元件组之间产生的串扰。在被沟槽占据的区域中检测不到声波。
因此，本发明提供了能够产生图像数据的测量装置，虽然声换能器中的同时可检测的元件的尺寸和数量受到限制，但是该测量装置的最终获得的图像数据更接近实际的声波源分布。
根据本发明的一个方面的测量装置包括：声换能器，在所述声换能器中布置多个元件，各元件被配置用于检测从样本产生的声波并将检测的声波转换成电信号；移动控制单元，被配置用于将声换能器从第一位置移动到第二位置；和处理单元，被配置用于基于电信号产生图像数据。声换能器在元件的布置中具有间隙。声换能器检测第一位置处的声波，被移动控制单元移动使得第一位置处的间隙的位置与第二位置处的元件的位置对应，并然后检测第二位置处的声波。处理单元基于在第一位置处获得的电信号和在第二位置处获得的电信号产生图像数据。
通过本发明的该方面，可以提供如下这样的测量装置，虽然声换能器中的同时可检测的元件的尺寸和数量受到限制，但是该测量装置可产生更接近实际的声波源分布的图像数据。
附图说明
图1示意性地示出根据现有技术的测量装置的示例性配置。
图2示意性地示出根据本发明的实施例的测量装置的示例性配置。
图3示意性地示出根据实施例的测量装置的声换能器的示例性配置。
图4示出根据实施例的测量装置的声换能器的示例性移动方法。
图5A示出声波源的例子。
图5B示出在不移动声换能器的情况下获得的示例性图像。
图5C示出通过根据实施例的测量装置获得的示例性图像。
具体实施方式
以下参照附图描述根据本发明的实施例的测量装置。本实施例的测量装置可将主要用于肿瘤或血管疾病的诊断或化学治疗的疗效的观察的生物信息可视化。这里，生物信息是声波源分布。特别地，生物信息可以是活体内的初始压力分布或从初始压力分布得出的吸收光能量分布。并且，生物信息可以是从上述的信息中的任一个获得的限定体组织的发色团(chromophore)的发色团浓度。例如，发色团浓度可以是氧饱和。
参照图2，本实施例的测量装置包含用光12照射样本13的光源11，将来自光源11的光12引向样本13的诸如透镜的光学部件14，检测声波16并将声波16转换成电信号的声换能器17，该声波16是由于诸如血管的光吸收体15吸收光12的能量的一部分而产生的，处理电信号并产生图像数据的处理单元50，以及控制声换能器17的移动的移动控制系统21。处理单元50包含用于放大和数字转换的电子控制系统18，以及基于数字转换之后的电信号产生图像数据(或重构图像)的诸如PC的图像重构单元19。由图像重构单元19产生的图像数据作为图像被诸如显示器的显示器件20显示。
通过将光12转换成脉冲光并向样本13发射脉冲光，从活体中的光吸收体15产生声波16。这是因为，光吸收体15的温度由于脉冲光的吸收而升高，光吸收体15的体积由于温度的升高而增大，并由此产生声波。在这种情况下，光脉冲可具有这样的脉冲宽度，即该脉冲宽度能够满足热和应力的约束条件，使得光吸收体15有效地约束吸收能量。典型地，时间的范围为从约几纳秒到几十纳秒。并且，声换能器17可在声换能器17被移动控制系统21机械移动的同时在各种位置处检测声波16。
以下，描述根据本实施例的测量装置中的声换能器17的移动控制方法。图3示意性地示出在从与样本13接触的表面观察时的图2所示的声换能器17的例子。
在图3中，附图标记31表示整个声换能器，32表示元件。图3中的声换能器31具有以交错(即，交替布置元件和间隙)的方式布置的元件32。当具有这种元件布置的声换能器31沿移动方向(X方向)移动与元件的宽度对应的距离时，元件的数量变得在表观上等于如图4所示的在没有间隙的情况下布置的元件的数量。这里，间隙是在其中声波不被作为电信号向电子控制系统18传送的区域。不电连接的元件也被视为间隙。即，在表观上布置在声换能器中但是不电连接的元件不能向电子控制系统18传送电信号。因此，这种元件是间隙。参照图4，附图标记33表示移动之前(第一位置)的声换能器的检测区域，34表示移动之后(第二位置)的声换能器的检测区域。附图标记35表示声换能器的移动之后的声波检测区域与声换能器的移动之前的声波检测区域重叠的区域。
不必须以交错的方式布置元件。例如，可逐行地交替布置元件和间隙。只要元件的数量等于在没有间隙的情况下布置的元件的数量，该布置就不被特别限制。即，只要移动之前(第一位置)的间隙的位置与移动之后(第二位置)的元件的位置对应，元件的布置就可以为任何形式。
为了容易地产生图像数据(为了容易地重构图像)，间隙的尺寸可以为元件的尺寸的整数倍，并且，声换能器的移动宽度可以为元件的尺寸(沿移动方向的元件的宽度)的整数倍。
图5A示出声换能器上的初始声波源分布的例子。附图标记64表示声波源。图3所示的声换能器在没有声换能器的移动控制的情况下检测从声波源64产生的声波。然后，通过使用诸如时域算法或傅立叶域算法的典型的图像重构方法产生图像数据(即，重构图像)。图5B提供产生(重构)的图像的概念图。图5B表示图像重构之后的声波源65的形状。附图标记Da是图像重构之后的声波源65的直径。图5C是表示通过将图3中的声换能器移动与元件对应的距离并使用移动之前的声波的信息和移动之后的声波的信息重构的图像的概念图。在此情况下，图像重构方法可以是时域方法或傅立叶域方法。移动之前的数据和移动之后的数据被合并且被当作与测量元件位置相关的信息。因此，实施图像重构。图5C表示图像重构之后的声波源66的形状，Db是图像重构之后的声波源66的直径。比较声波源65与声波源66，声波源66被以更接近声波源64的形状重构。并且，声波源66的直径Db比声波源65的直径Da小。这是由于，声换能器可移动与元件的宽度对应的距离，使得移动之前的声波检测区域与移动之后的声波检测区域重叠，由此将被用于图像数据的产生的元件的表观数量可以增加(即，可以输入与没有间隙的声换能器的信号类似的信号)。因此，图像重构的精度提高，并且，虽然声换能器的元件的尺寸和数量被限制，但是，可以高度精确地执行声波源的位置和尺寸的成像。
当多个小的元件组被布置以形成大的声换能器时，边界部分可被设置在小的元件组之间。在边界部分中不能检测声波。但是，通过将边界部分定义为间隙部分，可以增大边界部分的尺寸，并且可以有利于制造。
另外，当声换能器被配置为使得通过使用例如光纤在间隙部分处布置光源，容易用来自声换能器的光照射间隙部分。在用光照射样本并且产生声波的情况下，当从声换能器的外面发射光时，如果声换能器大，那么难以导致光传播到声换能器正下方的位置，从而导致图像质量劣化。相反，只要在声波的检测元件中发射光，光就可被发射到声换能器正下方的位置，由此提高重构的图像的质量。
以下将更具体地描述实施例。
参照图2，光源11发射具有特定的波长的光，该光被包含于活体的成分中的特性成分吸收。光源可与测量装置被一体地设置，或者可被分离地设置。光源11至少包含可产生具有从几纳秒到几百纳秒的范围的量级的脉冲光的脉冲光源。如果要被检测的声波的声压可能小，那么作为具有上述的量级的脉冲光的替代，可以使用具有可变的强度的诸如正弦波的光。光源11可以为大输出的激光器；但是，作为激光器的替代，光源11可使用发光二极管。激光器可以是固体激光器、气体激光器、染料激光器、半导体激光器等。
在本实施例中，光源11的数量是一个。但是，可以使用多个光源。在此情况下，为了增加将被发射在活体上的光的照射强度，可以使用振荡具有均匀波长的光的多个光源。作为替代，可以使用振荡具有不同波长的光以测量作为波长差的结果的吸收光能量分布的差异的多个光源。当光源11使用能够转换将被振荡的波长的染料、光学参数振荡器(OPO)或钛蓝宝石或紫翠玉的晶体时，可以测量作为波长差的结果的吸收光能量分布的差异。关于将被使用的光源的波长，波长可以为在700～1100nm的范围中，该范围中的波长被活体较少吸收。在要获得位置相对接近活体的表面的体组织的吸收光能量分布的情况下，例如，可以使用400～1600nm的波长范围中的光，该范围比上述的波长范围宽。
在图2中，从光源11发射光12。光12可通过使用光导等传播。虽然未示出，但是，光导可以是光纤。当使用光纤时，可分别对于光源使用多个光纤，并且，光可被引向活体的表面。作为替代方案，多个光源的光可被引向单个光纤，并且，所有光源的光可通过单个光纤被引向活体。光学部件14可以是主要反射光的反射镜和会聚光、放大光或对光整形的透镜。只要从光源11发射的并具有希望的形状的光12被发射在样本13上，光学部件14就不被特别限制。典型地，光可通过透镜被漫射为具有一定的面积而不是被透镜会聚。样本上的光照射区域可以是可移动的。特别地，本实施例的测量装置可被配置为使得从光源发射的光在样本上可移动。因此，可以在宽的面积中发射光。另外，样本上的光照射区域(将发射在样本上的光)可以与声换能器同步地移动。可通过使用可移动反射镜或者通过机械移动光源移动样本上的光照射区域。
由于本实施例针对人体或动物体的肿瘤或血管疾病的诊断或化学治疗的疗效的观察，因此，样本13可例如是诸如人体或动物体的乳房、手指、手或腿的诊断对象中的任一个。样本13的光吸收体可以是样本13中的具有大的吸收系数的部分。例如，当人体为测量对象时，光吸收体可以是血红素、包含大量的血红素的血管和包含新血管的肿瘤。
图2中的声换能器17检测从已吸收在样本中传播的光的能量的一部分的发色团产生的声波，并且将声波转换成电信号。本发明的声换能器可以为任何类型的声换能器，诸如利用压电现象的换能器、利用光学共振的换能器或利用体积变化的换能器，只要该声换能器可检测声波即可。
设置在本实施例的测量装置中的声换能器可被配置为使得如图3所示的那样二维布置元件。通过二维布置的元件，可以在多个位置同时检测声波。因此，可以减少检测时间，并且，可以减少样本的振动的影响。虽然没有未示出，但是，可以在声换能器17和样本之间布置诸如凝胶或水的声阻抗匹配介质以减少声波的反射。
图2中的声换能器17的移动控制系统21使用具有普通马达等的驱动台架和台架控制器。但是，这并不限于此，只要可二维操作声换能器17即可。
通过在其中重复执行静止、检测和移动的分步重复方法定位和移动本实施例的声换能器。声换能器在停止状态中检测声波。一个位置处的停止状态中的声波的接收可被重复多次。多个接收的信号可被平均化，并且，可以使用平均值。因此，可以产生具有减少的噪声的图像数据。
图2中的电子控制系统18放大通过声换能器17获得的电信号，并且通过模拟数字转换对获得的电信号进行转换。图2中的图像重构单元19可以为任何配置，只要该配置可存储从电子控制系统18获得的数据，并且通过使用计算单元将该数据转换成吸收光能量分布的图像数据即可。例如，图像重构单元19可以是可分析各种数据的计算机。数据分析方法(图像重构方法)可以是滤波反投影方法、傅立叶变换方法、逆球状Radon变换方法或合成孔径方法，每种方法被频繁用于光声层析法中。显示器件20可以为任何配置，只要该配置可显示由图像重构单元19产生的图像数据即可。例如，可以使用液晶显示器。
当使用具有多个波长的光时，通过使用上述的系统对于波长中的每一个计算样本中的吸收系数分布。通过比较获得的值与形成体组织的发色团(葡萄糖、胶原蛋白、氧合血红蛋白、去氧血红蛋白)所特有的波长依赖性，可以执行形成活体的发色团的浓度分布的成像。
虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的变更方式和等同的结构和功能。
本申请要求在2008年10月3日提交的日本专利申请No.2008-258569的权益，通过引用将其全文并入此。

Claims (7)

1.一种测量装置，包括：
声换能器，在所述声换能器中布置多个元件，各元件被配置用于检测从样本产生的声波并将检测的声波转换成电信号；
移动控制单元，被配置用于将声换能器从第一位置移动到第二位置；以及
处理单元，被配置用于基于电信号产生图像数据，
其中，声换能器在元件的布置中具有间隙，
其中，声换能器检测第一位置处的声波，被移动控制单元移动使得第一位置处的间隙的位置与第二位置处的元件的位置对应，并然后检测第二位置处的声波，以及
其中，处理单元基于在第一位置处获得的电信号和在第二位置处获得的电信号产生图像数据。
2.根据权利要求1的测量装置，其中，间隙的尺寸是元件的尺寸的整数倍，并且，从第一位置到第二位置的声换能器的移动宽度是元件的沿移动方向的宽度的整数倍。
3.根据权利要求2的测量装置，其中，元件和间隙被交替布置，并且，从第一位置到第二位置的声换能器的移动宽度等于元件的沿移动方向的宽度。
4.根据权利要求1的测量装置，其中，当用从光源发射的光照射样本时，产生声波。
5.根据权利要求4的测量装置，其中，样本的光照射区域在样本上能够移动。
6.根据权利要求5的测量装置，其中，声换能器与样本的光照射区域同步地移动。
7.根据权利要求1～6中的任一项的测量装置，其中，声换能器中的元件被二维布置。
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