CN102821677B - 光声成像装置和光声成像方法 - Google Patents

Abstract

根据从接收到的响应于使用光照射对象而生成的声波转换而来的电信号，来计算存在于对象中的光吸收体的位置以及在该光吸收体处生成的声波的初始声压。使用光吸收体的位置以及在光吸收体的位置处生成的声波的初始声压，来计算对象的光吸收系数和光散射系数。使用对象的光吸收系数和光散射系数，来计算对象中的光量分布。使用对象中的光量分布以及根据电信号获得的对象中的初始声压分布，来计算对象中的光吸收系数分布。

Description

光声成像装置和光声成像方法

技术领域

本发明涉及光声成像装置、光声成像方法和程序。

背景技术

主要是在医疗领域中对成像装置进行积极地研究，其中所述成像装置使用来自光源（例如，激光器）的光来照射对象，使得光在对象中进行传播并获得对象中的信息。作为一种这样的成像技术，已经提出了光声断层摄影（PAT）。PAT是一种通过以下方式对与活体（即，对象）中的光学特性有关的信息进行可视化的技术：使用从光源发出的脉冲光对作为对象的活体进行照射，接收从已经吸收了在活体中传播并漫射的光的生物组织生成的声波，并分析所接收到的声波。使用这种技术，可以获得生物信息，例如活体中的光学特性值的分布（下文中称为光学特性值分布），尤其是光能吸收密度的分布（下文称为光能吸收密度分布）。

在PAT中，从存在于对象中的光吸收体生成的声波的初始声压P₀可以由以下表达式来表示。

P₀=Γ·μ_a·Φ                    表达式1

其中，Γ表示Grüneisen系数，其是体积膨胀热系数或等压体积膨胀系数（β）与光速（c）的平方的乘积除以恒定压力（C_p）处的特定热量的结果。已知的是，Grüneisen系数Γ对于特定对象基本上是恒定的。μ_a表示吸收体的光吸收系数，而Φ表示局部区域中的光量（即，对吸收体进行照射的光的量，并且还称为“光学影响”）。

相对于时间来测量对在对象中传播的声波的大小进行表示的声压P的变化，并根据测量结果来计算初始声压的分布（下文中称为初始声压分布）。可以通过将计算出的初始声压分布除以Grüneisen系数 Γ来获得μ_a与Φ的乘积的分布，即，光能吸收密度分布。

如表达式1所指示的，为了从初始声压P₀的分布（下文称为初始声压分布）获得光吸收系数μ_a的分布（下文称为光吸收系数分布），必须确定对象中的光量Φ的分布（下文称为光量分布）。假设当使用均匀量的光来照射对于对象厚度而言足够充分大的区域时光像平面波一样在对象中传播，则对象中的光量分布Φ可以由以下表达式来表示。

Φ=Φ₀·exp(-μ_eff·d)                    表达式2

其中，μ_eff表示对象的平均有效衰减系数，而Φ₀表示从光源进入对象的光量（即，对象的表面上的光量）。d表示对象表面的使用从光源发出的光照射的区域（即，光照射区域）与存在于对象中的光吸收体之间的距离。根据PTL1，在多个条件下使用均匀光来照射活体，并计算对象的平均有效衰减系数μ_eff。然后基于表达式2来计算对象中的光量分布Φ。可以使用光量分布Φ基于表达式1来确定对象中的光吸收系数分布μ_a。

引用列表

专利文献

PTL1日本专利公开No.2009-18153。

发明内容

技术问题

然而，除非使用均匀光来照射对象，否则即使使用PTL1中公开的用于计算对象的平均有效衰减系数μ_eff的方法也难以精确地确定出光量分布和光吸收系数分布。

鉴于上述问题，本发明使得可以精确地确定对象中的光学特性值分布，尤其是光吸收系数分布。

对问题的解决方案

根据本发明一个方面，一种光声成像装置包括：声波转换单元， 被配置成接收响应于使用光照射对象而生成的声波，并将所接收到的声波转换成电信号；以及处理单元，被配置成根据所述电信号生成图像数据。所述处理单元根据所述电信号计算存在于所述对象中的光吸收体的位置以及在所述光吸收体处生成的所述声波的初始声压，使用所述光吸收体的位置以及在所述光吸收体的位置处生成的所述声波的所述初始声压来计算所述对象的光吸收系数和光散射系数，使用所述对象的所述光吸收系数和所述光散射系数来计算所述对象中的光量分布，以及使用所述对象中的所述光量分布以及从所述电信号获得的所述对象中的初始声压分布来生成所述对象中的光吸收系数分布的图像数据。

根据本发明另一方面，一种用于接收响应于使用光照射对象而生成的声波、将所接收到的声波转换成电信号并根据所述电信号生成图像数据的光声成像方法包括：根据所述电信号计算存在于所述对象中的光吸收体的位置以及在所述光吸收体处生成的所述声波的初始声压；使用所述光吸收体的位置和在所述光吸收体的所述位置处生成的所述声波的所述初始声压来计算所述对象的光吸收系数和光散射系数；使用所述对象的所述光吸收系数和所述光散射系数来计算所述对象中的光量分布；以及使用所述对象中的所述光量分布以及从所述电信号获得的所述对象中的初始声压分布来生成所述对象中的光吸收系数分布的图像数据。

本发明的有益效果

根据本发明一个方面，可以精确地确定对象中的光学特性值分布，尤其是光吸收系数分布。

附图说明

图1A和图1B是示出了根据本发明第一示例性实施例的光声成像装置的例子的示意图。

图2是描述了根据本发明第一示例性实施例的光声成像方法的流程图。

图3A和图3B是示出了根据本发明第一示例性实施例的光声成像装置的另一例子的示意图。

图4A和图4B是示出了根据本发明第一示例性实施例的光声成像装置的又一例子的示意图。

图5是示出了根据本发明第一示例性实施例的光声成像装置的处理单元的例子的框图。

具体实施方式

下面将使用附图来描述本发明的示例性实施例。在本发明的示例性实施例中，声波包括称为音波、超声波以及光声波的波，并且其指示响应于使用光照射（例如，近红外辐射）对象而在对象中生成的弹性波（即，电磁波）。另外，根据本发明示例性实施例的光声成像装置主要用于人类和动物的疾病诊断，例如恶性肿瘤和血管疾病，以及用于化疗追踪。光声成像装置获得对象中的信息（下文中称为对象信息），并生成其图像数据。相应地，假定诊断目标部分，例如活体，更具体地人体或动物的胸部、手指或肢体用作对象。存在于对象中的光吸收体在对象中具有相对较高的光吸收系数。例如，当人体经历测量时，被氧化或减少的血红蛋白、或者包括大量被氧化或减少的血红蛋白的血管、或者包括许多新血管的恶性肿瘤与光吸收体相对应。对象信息指示响应于光照射而生成的声波的源的分布、对象中的初始压力分布或者光能吸收密度分布、吸收系数分布以及根据初始压力分布确定的组织成分的密度分布。成分密度分布包括例如氧饱和度分布以及被氧化/减少的血红蛋白密度分布。

第一示例性实施例

图1A和图1B示出了根据第一示例性实施例的光声成像装置的配置。根据第一示例性实施例的光声成像装置包括声波转换单元15（25）以及处理单元16（26）。参考图1A和图1B，改变光源的位置，使得使用光照射对象的方向彼此不同。更具体地，在图1A中，使用来自对象11的在纸张上的右侧的光13照射对象11，而在图1B 中，使用来自对象11的在纸张上的左侧的光23照射对象11。另外，参考图1B，可以使用来自对象11的在纸张上的上侧或下侧的光23照射对象11。

将使用图1A来描述根据第一示例性实施例的光声成像装置所执行的PAT测量。使用从第一光源10发出的光13来照射对象11，例如活体。一旦已经在对象11中传播的光的能量的一部分被血管、血液等中的光吸收体12a和12b（最终用作声源）吸收，光吸收体12a和12b的热膨胀就分别生成声波14a和14b（通常是超声波）。声波转换单元15接收声波14a和14b并将其转换成电信号。随后处理单元16对电信号执行分析处理以生成数据，例如对象11的光学特性值分布。分析处理包括用于计算对象的光吸收系数和光散射系数以及使用所计算出的系数计算对象的光量分布的处理。稍后将更具体地描述分析处理。对象的光吸收系数和光散射系数分别指示在假定对象是具有恒定光吸收系数和恒定光散射系数的物质时所获得的系数。即，对象的光吸收系数和光散射系数可以分别称为平均光吸收系数和平均光散射系数。

在对象11中生成的声波的声源的初始声压分布P₁(r)被生成以作为光学特性值分布之后，根据初始声压分布分别确定光吸收体12a和12b的位置r_a和r_b。更具体地，如上所述，由于光吸收体在对象中具有相对较高的光吸收系数，所以与光吸收系数成正比的初始声压在对象中也是较高的。因此，基于初始声压分布，将显示了等于或高于预定阈值的初始声压的位置指定为光吸收体（即，声源）的位置。虽然下面将针对指定两个光吸收体的位置的情况来给出描述，但是光吸收体的数量可以是两个或更多个或者可以是一个。具体地，随着经历位置指定的光吸收体的数量的增加，对象的光吸收系数和光散射系数以及从而光量分布可以优选地被更精确地确定。另外，阈值可以大于零并能够指定至少一个位置。位置“r”可以是相对于对象11上或对象11中的预定位置的，或者可以是相对于光源或声波转换单元上的预定位置的。此外，即使在基准（例如，光源）是可移动的时，也可以 将位置“r”确定为相对于该基准的相对位置。

响应于使用从第一光源10发出的光13照射对象11而从存在于对象11中的光吸收体12a和12b生成的声波14a和14b的初始声压P_1a和P_1b可以分别由以下表达式来表示。

[数学式1]

$P_{1a}=\mathrm{\Γ}\·{\mathrm{\μ}}_a^{\mathrm{Ta}}\·{\mathrm{\Φ}}_{1a},$ $P_{1b}=\mathrm{\Γ}\·{\mathrm{\μ}}_a^{\mathrm{Tb}}\·{\mathrm{\Φ}}_{1b}$ 表达式3

这里，Γ表示光吸收体的Grüneisen系数，μ_a ^Ta表示光吸收体12a的光吸收系数，并且μ_a ^Tb表示光吸收体12b的光吸收系数。另外，Φ_1a表示在光吸收体12a的位置r_a处从第一光源10照射的局部光量，而Φ_1b表示在光吸收体12b的位置r_b处从第一光源10照射的局部光量。

由于对于特定的组织而言光吸收体的Grüneisen系数Γ基本上是唯一地确定的，所以可以基于表达式3来确定光吸收体12a和12b中的每一个的光吸收系数和光量的乘积（即，光能吸收密度）。

另外，当光是从第一光源10发出时对象11中的光量分布Φ₁(r)可以由以下表达式（即，漫射等式）来确定。

[数学式2]

$-{\▿}_{\stackrel{\→}{r}}{\mathrm{\κ}}^B{\▿}_r{\mathrm{\Φ}}_1\left(\stackrel{\→}{r}\right)+{\mathrm{\μ}}_a^B{\mathrm{\Φ}}_1\left(\stackrel{\→}{r}\right)=q_1\left(\stackrel{\→}{r}\right)$ 表达式4

这里，κ^B表示对象的光漫射系数，而μ_a ^B表示对象的光吸收系数。κ^B等于1/(3(μ_a ^B+μ_s'^B)，其中μ_s′^B表示对象的光散射系数。对象的光吸收系数μ_a ^B和对象的光散射系数μ_s′^B是独立于位置“r”的常量。另外，q₁(r)表示当从第一光源10照射对象11时在对象11的表面上的光照分布。在光吸收体12a和12b的位置r_a和r_b处，分别满足Φ_1a=Φ₁(r_a)和Φ_1b=Φ₁(r_b)。为了对表达式4进行求解，必须确定对象的光吸收系数μ_a ^B和对象的光散射系数μ_s′^B。可以基于对象的组织的成分以及对象的组织中的分布（如果该对象被指定的话）来估计对象的光吸收系数和光散射系数。然而，由于其值受到对象的个体差异的影响，所以期望针对每个测量确定对象的估计的光吸收系数和光散射系数。

为此，在这一示例性实施例中，如图1B中所示的，在与图1A 中所示的照射条件不同的照射条件下，在不同的时间点执行PAT测量。更具体地，参考图1B，使用从第二光源20发出的光23来照射对象11，其中第二光源20是在与第一光源10不同的位置处提供的。以这种方式，在这一示例性实施例中，在与彼此不同的时间点处在与彼此不同的照射条件下使用光来照射对象。使用从第二光源20发出的光23来照射对象11。声波转换单元25接收声波24a和24b。处理单元26接收声波转换单元25从声波转换成的电信号，并生成图像数据。光源20、声波转换单元25以及处理单元26可以与图1A中所示的相同或不同。即，在图1A和图1B中可以使用任意给定的配置，只要使用光来照射对象11的方向不同即可。在图1A和图1B中所示的PAT测量是在不同的时间点执行的。更具体地，可以在图1A中所示的PAT测量之后执行图1B中所示的PAT测量，或者可以交换顺序。当在与图1A中所示的PAT测量的时间点不同的时间点处执行图1B中所示的PAT测量时，可以在与图1A中所示的相同位置处布置图1A中的第一光源10，并且可以在使用来自第一光源10的光13照射对象11的情况下执行PAT测量。即，可以在与图1A中所示的PAT测量的时间点不同的时间点处同时执行图1A和图1B中所示的PAT测量。

通过执行与图1A中所示的PAT测量类似的PAT测量，获得了对象11的光学特性值分布的图像数据。作为结果，获得了在对象11中生成的声波的声源的初始声压分布P₂(r)。基于初始声压分布分别确定光吸收体12a和12b的位置r_a和r_b处的初始压力。同时，由于位置r_a和r_b是在图1A中所示的PAT测量中确定的，所以不必再次确定这些位置。

响应于使用来自第二光源20的光23照射对象11而从对象11中的光吸收体12a和12b生成的声波24a和24b的初始声压P_2a和P_2b可以分别由以下表达式来表示。

[数学式3]

$P_{2a}=\mathrm{\Γ}\·{\mathrm{\μ}}_a^{\mathrm{Ta}}\·{\mathrm{\Φ}}_{2a},$ $P_{2b}=\mathrm{\Γ}\·{\mathrm{\μ}}_a^{\mathrm{Tb}}\·{\mathrm{\Φ}}_{2b}$ 表达式5

这里，Φ_2a表示在光吸收体12a的位置r_a处从第二光源20照射的局部光量，而Φ_2b表示在光吸收体12b的位置r_b处从第二光源20照射的局部光量。从图1A和图1B可以理解，由于从第一光源10对对象11的表面进行光照的位置与从第二光源20对对象11的表面进行光照的位置不同，所以在对象11的表面上的光照分布q₁(r)和q₂(r)是彼此不同的。因此，分别地，光吸收体12a（或12b）所吸收的局部光量Φ_1a和Φ_2a（或者Φ_1b和Φ_2b）是彼此不同的，并且初始声压P_1a和P_2a（或者P_1b和P_2b）也是彼此不同的。

此外，使用来自第二光源20的光23进行照射时在对象11中的光量分布Φ₂(r)可以由以下表达式来确定。同时，光量分布Φ₁(r)和Φ₂(r)彼此不同。

[数学式4]

$-{\▿}_{\stackrel{\→}{s}}{\mathrm{\κ}}^B{\▿}_{\stackrel{\→}{s}}{\mathrm{\Φ}}_2\left(\stackrel{\→}{r}\right)+{\mathrm{\μ}}_a^B{\mathrm{\Φ}}_2\left(\stackrel{\→}{r}\right)=q_2\left(\stackrel{\→}{r}\right)$ 表达式6

这里，q₂(r)表示对象11的表面上的从第二光源20进行照射的光照分布。在光吸收体12a和12b的位置r_a和r_b处，分别满足Φ_2a=Φ₂(r_a)和Φ_2b=Φ₂(r_b)。就像表达式4一样，为了对表达式6进行求解，必须确定对象的光吸收系数μ_a ^B和对象的光散射系数μ_s′^B。

现在将描述用于确定对象的光吸收系数和光散射系数的方法。用临时值（例如，在经历测量的对象的组织中具有最大权重比率的成分的值）代替表达式4和表达式6的μ_a ^B和μ_s′^B，以使用有限元方法等来对表达式4和表达式6求解，并确定光量分布Φ₁(r)和Φ₂(r)。为了确定所计算出的光量分布Φ₁(r)和Φ₂(r)是否正确，利用光吸收体12a和12b的初始声压P_1a、P_1b、P_2a和P_2b。下面将描述细节。

首先，通过将表达式5中的第一等式和第二等式分别除以表达式3中的第一等式和第二等式，来消除用作光吸收体12a和12b的光吸收系数的未知值μ_a ^Ta和μ_b ^Tb。作为结果，获得以下表达式。

[数学式5]

$\frac{P_{2a}}{P_{1a}}=\frac{{\mathrm{\Φ}}_{2a}}{{\mathrm{\Φ}}_{1a}},$ $\frac{P_{2b}}{P_{1b}}=\frac{{\mathrm{\Φ}}_{2b}}{{\mathrm{\Φ}}_{1b}}$ 表达式7

这里，表达式7中的两个等式的左侧由光吸收体12a和12b的初 始声压P_1a、P_1b、P_2a和P_2b组成，这些初始声压是从声波转换单元从声波转换成的电信号分析而来的并且从PAT测量中获得的。另一方面，表达式7中的两个等式的右侧分别由计算出的光量分布Φ₁(r)和Φ₂(r)中的在光吸收体12a和12b的位置r_a=和r=r_b处的局部光量Φ_1a、Φ_1b、Φ_2a和Φ_2b组成。这些值并不是从PAT测量确定的，而是通过对上面描述的表达式4和表达式6进行求解而计算出的。即，由于在实际对象中满足表达式7，所以在表达式7中的两个等式的右侧中，用表达式4和表达式6的解来代替以确定表达式7的两个等式中的每个等式的左侧和右侧是否相等。

相应地，使用由以下表达式表示的目标函数f，通过用不同的值代替μ_a ^B和μ_s′^B直到目标函数f变成等于零或者等于可以被认为是零的值（例如，等于或小于1.0×10^-6）为止，来对表达式4和表达式6进行求解以获得其它Φ₁(r)和Φ₂(r)。在目标函数f等于零或等于可以被认为是零的值时确定的μ_a ^B和μ_s′^B的值被计算作为对象的实际光吸收系数和光散射系数。

[数学式6]

$f=\sqrt{{(\frac{P_{2a}}{P_{1a}}-\frac{{\mathrm{\Φ}}_{2a}}{{\mathrm{\Φ}}_{1a}})}^2+{(\frac{P_{2b}}{P_{1b}}-\frac{{\mathrm{\Φ}}_{2b}}{{\mathrm{\Φ}}_{1b}})}^2}$ 表达式8

使用以这种方式计算出来的对象的光吸收系数和光散射系数的值而求解出的表达式4和表达式6的解Φ₁(r)和Φ₂(r)分别是图1A和图1B中所示的对象中的光量分布。随后可以基于表达式3或表达式5分别确定光吸收体12a和12b的光吸收系数μ_a ^Ta和μ_b ^Tb。

图2示出了根据这一示例性实施例的流程图。

首先，如图1A中所示的，使用通过对象11面向声波转换单元15的第一光源10（即，第一照射条件）来发出光13（S1）。声波转换单元15接收由于光声效应而从存在于对象11中的光吸收体12a和12b生成的声波14a和14b（S2）。声波转换单元15将所接收到的声波转换成电信号。处理单元16加载电信号。随后处理单元16对电信号执行分析处理，以计算初始声压分布P₁(r)（S3）。随后处理单 元16从在步骤S3中获得的初始声压分布P₁(r)分别提取具有等于或大于阈值的值的两个点，并计算其位置r=r_a和r=r_b以及所述位置处的初始声压P_1a和P_1b（S4）。

随后，如图1B中所示的，使用通过对象11面向声波转换单元25的第二光源20（即，与第一照射条件不同的第二照射条件）发出光23（S5）。声波转换单元25接收从光吸收体12a和12b生成的声波24a和24b（S6）。声波转换单元25将所接收到的声波转换成电信号。处理单元26加载电信号。随后处理单元26对电信号执行分析处理，以计算初始声压分布P₂(r)（S7）。处理单元26根据在步骤S7中获得的初始声压分布P₂(r)来分别计算位置r=r_a和=r_b处的初始声压P_2a和P_2b（S8）。

通过对表达式4和表达式6进行求解来计算在第一照射条件下对象中的光量分布Φ₁(r)以及在第二照射条件下对象中的光量分布Φ₂(r)（S9）。这里，临时值用于对象的光吸收系数μ_a ^B和对象的光散射系数μ_s′^B。此外，已知的测量值用于在第一照射条件下对象的表面上的光照分布q₁(R)以及在第二照射条件下对象的表面上的光照分布q₂(r)。

根据在步骤S9中计算出来的光量分布Φ₁(r)和Φ₂(r)，来确定位置r=r_a和r=r_b处的值Φ_1a、Φ_1b、Φ_2a和Φ_2b，计算由表达式8表示的目标函数f的值，并检查所得值（S10）。更具体地，确定目标函数f的值是否等于或小于可以被认为是零的值。

如果目标函数f的值超过预定阈值，则改变μ_a ^B和μ_s′^B的值中的至少一个，以减小目标函数f的值（S11）。然后使用其它值来执行步骤S9和S10。重复步骤S11、S9和S10直到目标函数f的值变得等于或小于预定阈值为止。

如果在步骤S10中目标函数f的值等于或小于预定阈值，则计算此时的值μ_a ^B、μ_s′^B、Φ₁(r)、Φ₂(r)、Φ_1a、Φ_1b、Φ_2a和Φ_2b。根据这些值和表达式3至表达式6来计算光吸收体的光吸收系数以及对象中的光吸收系数分布（S12）。

获得光吸收系数分布，以作为图像数据。将图像数据作为图像显示在显示设备上（S13）。

现在将更具体地描述根据这一示例性实施例的光声成像装置的配置。

声波转换单元包括用于接收声波并将声波转换成电信号的一个或多个元件，例如基于压电效应的换能器、基于光共振的换能器以及基于电容变化的换能器。可以使用任何给定的元件，只要该元件能够接收声波并将声波转换成电信号即可。由于通过对用于接收声波的多个元件进行一维或二维布置可以在多个位置处同时接收声波，所以可以缩短接收时间，并且可以减少对象的振动效应。同时，通过移动一个元件可以获得与由一维或二维布置的多个元件产生的信号类似的信号。另外，优选地在声波转换单元与对象之间应用声阻抗匹配介质，例如胶体，以抑制声波的反射。

处理单元可以具有任意给定的配置，只要处理单元能够存储声波强度以及强度相对于时间的变化并且能够使用其算术单元将所存储的信息转换成光学特性值分布的数据即可。例如，可以使用示波器以及能够对示波器中存储的数据进行分析的计算机。另外，可以将工作站等用作处理单元，并且由提前编程的软件来执行图像重构处理（即，用于生成图像数据的处理）。例如，在工作站中使用的软件包括用于执行电信号放大处理和噪声减小处理的信号处理模块以及用于执行图像重构的图像重构模块。同时，在PAT中，在图像重构之前，通常对每个位置处接收到的信号执行诸如噪声减小处理之类的预处理。信号处理模块优选地执行这种预处理。另外，图像重构模块基于图像重构来执行图像数据的形成，并将在断层摄影技术中通常使用的时域或傅里叶域反投影用作图像重构算法。

另外，如图5中所示的，处理单元16（26）可以包括初始声压分布计算器51、用于计算光吸收体的位置以及该位置处的初始压力的位置/初始声压计算器52、以及用于计算对象中的光吸收系数和光散射系数的系数计算器53。处理单元16（26）还可以包括光量分布 计算器54和图像数据生成器55。初始声压分布计算器51执行上述流程图中的步骤S3和S7，以根据从声波转换单元15（25）输出的电信号计算初始声压分布。位置/初始声压计算器52执行上述流程图中的步骤S4和S8，以基于初始声压分布计算器51所计算出的初始声压分布来计算光吸收体的位置以及在该光吸收体处生成的声波的初始声压。系数计算器53执行上述流程图中的步骤S10和S11，以使用位置/初始声压计算器52所计算出的光吸收体的位置以及在光吸收体处生成的声波的初始声压，来计算对象中的光吸收系数和光散射系数。光量分布计算器54执行上述流程图中的步骤S9，以使用系数计算器53所计算出的对象中的光吸收系数和光散射系数来计算对象中的光量分布。图像数据生成器55执行上述流程图中的步骤S12，以基于光量分布计算器54所计算出的对象中的光量分布以及初始声压分布计算器51所计算出的初始声压分布，来计算光吸收系数分布，并生成光吸收系数分布的图像数据。

当光源能够发出具有多个波长的光并能够使用具有多个波长的光来照射对象时，可以使用对象中的根据每个波长进行改变的光学特性值分布来可视化对象的成分的密度分布。例如，通过计算与每个波长相对应的光吸收系数分布并将其值与对于对象组织的成分（例如，葡萄糖、胶原蛋白或被氧化/减少的血红蛋白）而言唯一的波长依赖关系进行比较，可以可视化对象的成分的密度分布。

同时，不管图像数据是二维的还是三维的，图像数据都是表示对象信息的数据。二维图像数据是通过对多个像素数据片段进行布置而构造的，而三维图像数据是通过对多个体素（voxel）数据片段进行布置而构造的。通过对在多个位置处获得的声波执行图像重构，来获得像素数据和体素数据。虽然下面将针对三维图像数据给出描述，但是本发明还可以应用于二维图像数据。

光源发出将被对象成分中的特定成分（例如，血红蛋白）吸收的具有特定波长的光。更具体地，光的波长优选等于或长于400nm并等于或短于1600nm，这是因为在稍后描述的处理中，在存在于对象 中的光吸收体（例如，血红蛋白）处生成的声波更容易与在对象表面（例如，皮肤）上生成的声波相区分。包括能够发出5纳秒到50纳秒的脉冲光的至少一个光源。虽然优选地将能够产生较大输出的激光器用作光源，但是可以使用发光二极管（LED）等而不是激光器。可以使用各种激光器，例如固态激光器、气体激光器、染料激光器以及半导体激光器。为了测量依赖于波长的光吸收系数分布，可以使用能够发出具有不同波长的光的光源，而不是发出单一波长的光的光源。在这种情况下，使用染料的激光器或者能够改变发出波长的光参数振荡器（OPO）可以被使用。此外，可以从声波转换单元侧或者从与声波转换单元相对的侧发出光。此外，可以从对象的两侧发出光。

当难以在对象附近布置每个光源时，可以使用光传输线（例如，光纤）将光照射部分引导至对象。虽然在图1A和图1B中使用了两个光源，但是可以使用光路径转换器（例如，镜子），由一个光源从不同位置发出光。

可替换地，如图3A和图3B中所示的，图3A中的光13和图3B中的光33是由一个光源从同一位置发出的。通过布置在光路径上的光系统17（例如，遮罩（mask））将光13和光33在对象表面上的光照分布设置成彼此不同。在这种情况中，由于在图3A和图3B中，对对象进行照射的光的照射条件以及照射时间点不同，所以可以在每个条件下形成漫射等式，并且可以使用上述的方法来确定光吸收体的光吸收系数。

另外，如图4A和4B中所示的，可以使用扫描单元（未示出）使声波转换单元15和光源10相对于对象同步地移动。在这种情况中，在不同时间点执行的PAT测量期间，对象表面的使用光进行照射的位置彼此不同。由于在图4A和图4B中，对对象进行照射的光的照射条件以及光照时间点彼此不同，所以可以在每个条件下形成漫射等式，并且可以使用上述方法来确定光吸收体的光吸收系数。

为了实现本发明，在不同时间点处执行的PAT测量中，可以将光照射条件中的光照射方向、对象表面上的光照分布以及对象表面的 使用的光进行照射的位置中的至少一个设置成不同。

另外，可以使用在第一照射条件和第二照射条件下观测到初始声压的所有点，即，可以使用所有的光吸收体。在这种情况中，可以形成与光吸收体的数量一样多的与表达式3或表达式5有关的等式。目标函数f表示为如下。

[数学式7]

$f=\sqrt{{(\frac{P_{2a}}{P_{1a}}-\frac{{\mathrm{\Φ}}_{2a}}{{\mathrm{\Φ}}_{1a}})}^2+{(\frac{P_{2b}}{P_{1b}}-\frac{{\mathrm{\Φ}}_{2b}}{{\mathrm{\Φ}}_{1b}})}^2+{(\frac{P_{2c}}{P_{1c}}-\frac{{\mathrm{\Φ}}_{2c}}{{\mathrm{\Φ}}_{1c}})}^2+{(\frac{P_{2d}}{P_{1d}}-\frac{{\mathrm{\Φ}}_{2d}}{{\mathrm{\Φ}}_{1d}})}^2+...}$

表达式9

这里，P_ix表示位于在第i个照射条件下测量的位置r_x处的光吸收体的初始声压。在这种情况中，在该目标函数f等于零或等于可以被认为是零的值时获得的μ_a ^B和μ_s′^B的值可以被分别确定为对象的光吸收系数和光散射系数。如从目标函数清楚看到的，光吸收体越多，可以越精确地确定对象的光吸收系数和光散射系数。

当使用三个或更多个光源来执行PAT测量时，获得更多的漫射等式，表达式3或表达式5的等式的数量增加，并且在目标函数f基本上等于零时获得的μ_a ^B和μ_s′^B的值接近正确值。因此，可以更精确地确定对象的光吸收系数。使用三个或更多个光源相当于在三个或更多个照射条件下执行PAT测量。当利用一个光源时使用对象表面上的三个或更多个不同的光照分布时，可以获得类似的优点。

光吸收体可以是存在于对象中的肿瘤和血管，或者对象中的吸收光、通过吸收的光进行热膨胀并生成声波的类似物质。另外，当将分子探针用作光吸收体时，通常选择吲哚菁绿（ICG）。然而，可以使用任意给定的物质，只要该物质响应于光照射发出比其周围的对象物质的声波更大的声波即可。

第二示例性实施例

还通过执行以下处理来实现本发明。更具体地，将实现上述第一示例性实施例的功能的软件（即，程序）经由网络或各种存储介质提供给系统或装置。该系统或装置的计算机（或中央处理单元（CPU） 或微处理单元（MPU））读出并执行程序。

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解的是，本发明并不限于公开的示例性实施例。以下权利要求的范围与最宽泛的解释相一致，以涵盖所有这样的改变以及等同结构和功能。

本申请要求与2010年4月8日提交的日本专利申请No.2010-089483的权益，该日本专利申请通过引用方式全部并入本文。

参考标记列表 

11对象

12a，12b光吸收器

13，23光

14a，14b声波

15声波转换单元 

16处理单元

Claims (18)

1.一种光声成像装置，包括：

声波转换单元，被配置成接收响应于用光照射对象而在所述对象中生成的声波，并将接收到的声波转换成电信号；以及

处理单元，被配置成基于所述电信号获取所述对象的与所述对象中的光吸收系数分布相关的信息，

其中所述声波转换单元被配置为接收响应于用第一光照射所述对象而生成的第一声波，并将接收到的第一声波转换成第一电信号，以及接收响应于用第二光照射所述对象而生成的第二声波，并将接收到的第二声波转换成第二电信号，第二光的照射条件和照射时间点不同于第一光的照射条件和照射时间点，

所述处理单元被配置为基于第一电信号、第二电信号、第一光在所述对象的表面上的第一照射分布、和第二光在所述对象的表面上的第二照射分布，获取第一光和第二光中的至少一个在所述对象上的光强分布，以及基于第一电信号和第一光的光强分布、第二电信号和第二光的光强分布中的至少一个，获取所述对象的所述信息。

2.根据权利要求1所述的光声成像装置，其中，所述处理单元被配置为从第一电信号获取所述对象中的第一初始声压分布，从第二电信号获取所述对象中的第二初始声压分布，从第一照射分布、第二照射分布、第一初始声压分布、第二初始声压分布获取第一光和第二光中的至少一个在所述对象中的光强分布，并从第一初始声压分布和第一光的光强分布、第二初始声压分布和第二光的光强分布中的至少一个获取与在所述对象中的光吸收系数分布相关的所述信息。

3.根据权利要求1所述的光声成像装置，其中，

所述处理单元被配置为设置所述对象的光吸收系数和光散射系数的临时值，基于所述临时值、第一照射分布、第二照射分布获取第一光和第二光在所述对象中的临时光强分布，使用在所述对象中的指定位置处的第一初始声压分布中的初始声压和所述指定位置处的第二初始声压分布中的初始声压之间的比、在所述指定位置处的第一光的临时光强分布中的临时光强和所述指定位置处的第二光的临时光强分布中的临时光强之间的比，用逆迭代法获取第一光和第二光中的至少一个的光强分布。

4.根据权利要求3所述的光声成像装置，其中，所述逆迭代法是最小二乘法。

5.根据权利要求4所述的光声成像装置，其中，所述处理单元被配置成获取对于所述最小二乘法的目标函数等于零或可认为是零的值的情形的第一光和第二光的临时光强分布，作为第一光和第二光的光强分布。

6.根据权利要求5所述的光声成像装置，其中，所述可认为是零的值等于或小于1.0×10^-6。

7.根据权利要求1所述的光声成像装置，其中，所述照射条件包括光照射方向、对象表面上的光照分布以及对象表面上的光照射位置中的至少一个。

8.根据权利要求1所述的光声成像装置，其中，所述对象的所述信息是所述对象的成分的密度分布。

9.一种光声成像装置，包括：

声波转换单元，被配置成接收响应于用光照射对象而在所述对象中生成的声波，并将接收到的声波转换成电信号；以及

处理单元，被配置成基于所述电信号获取所述对象的与所述对象中的光吸收系数分布相关的信息，

所述处理单元被配置为基于所述电信号和所述光在所述对象表面上的照射分布获取所述光在所述对象中的光强分布，并基于所述电信号和所述光的光强分布获取所述对象的所述信息。

10.根据权利要求9所述的光声成像装置，其中，

所述处理单元被配置为从所述电信号获取初始声压分布，并从所述光的照射分布和所述初始声压分布获取所述光在所述对象中的光强分布。

11.根据权利要求9所述的光声成像装置，其中，

所述处理单元被配置为设置所述对象的光吸收系数和光散射系数的临时值，基于所述临时值、所述光的照射分布获取所述光在所述对象中的临时光强分布，使用在所述对象中的第一位置处的初始声压分布中的初始声压和不同于第一位置的第二位置处的初始声压分布中的初始声压之间的比、在第一位置处的所述光的临时光强分布中的临时光强和第二位置处的所述光的临时光强分布中的临时光强之间的比，用逆迭代法获取所述光的光强分布。

12.根据权利要求11所述的光声成像装置，其中，所述逆迭代法是最小二乘法。

13.根据权利要求12所述的光声成像装置，其中，所述处理单元被配置成获取对于所述最小二乘法的目标函数等于零或可认为是零的值的情形的所述光的临时光强分布，作为所述光的光强分布。

14.根据权利要求13所述的光声成像装置，其中，所述可认为是零的值等于或小于1.0×10^-6。

15.根据权利要求9所述的光声成像装置，其中，所述对象的信息是所述对象的成分的密度分布。

16.一种光声成像方法，包括：

用第一光照射对象；

将响应于用第一光照射对象而生成的声波转换成第一电信号；

用第二光照射对象，第二光的照射条件和照射时间点不同于第一光的照射条件和照射时间点；

将响应于用第二光照射对象而生成的声波转换成第二电信号；

基于第一电信号、第二电信号、第一光在所述对象的表面上的第一照射分布、和第二光在所述对象的表面上的第二照射分布，获取第一光和第二光中的至少一个在所述对象上的光强分布，以及基于第一电信号和第一光的光强分布、第二电信号和第二光的光强分布中的至少一个，获取所述对象的信息。

17.根据权利要求16所述的光声成像方法，其中，所述照射条件包括光照射方向、对象表面上的光照分布以及对象表面上的光照射位置中的至少一个。

18.一种光声成像方法，包括：

用光照射对象；

将响应于用所述光照射对象而生成的声波转换成电信号；

基于所述电信号和所述光在所述对象的表面上的照射分布，获取所述光在所述对象上的光强分布；以及

基于所述电信号和所述光的光强分布，获取所述对象的与光吸收系数分布相关的信息。