CN103561638B - 被检体信息获取装置 - Google Patents

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Abstract

为了通过防止照明光自由发射来改进光声装置的安全性。光声装置包括测量照明光发射端的取向和/或位置的位置传感器和根据位置传感器的输出来控制来自光源的光发射的控制单元。

Description

被检体信息获取装置
技术领域
本发明涉及向被检体发射照明光以将从被检体释放的超声波成像的被检体信息获取装置。
背景技术
光声断层（以下，称为PAT）作为用于具体将由于癌症导致的新血管成像的方法受到关注。PAT是成像系统的技术，包括用照明光（近红外光）照射被检体并用超声波探头接收从被检体内产生的光声波。在NPL1中描述了该光声装置的细节。但是，NPL1没有充分考虑照明光照射控制，特别是安全照射。这有时导致照明光不仅照射被检体的内部而且照射到空间，并由此存在很大的进一步提高照明光照射安全性的空间。
另一方面，在PTL1中公开了已知的用于安全照射照明光的技术，诸如激光脱毛，尽管它不是PAT技术。图8A和图8B示出PTL1的构成。在图8A和图8B中，能量释放表面101是与要被诸如光的能量照射的皮肤接触的表面。支撑结构102保持能量释放表面101并容纳于外壳104中，接触传感器103设置在支撑结构102和外壳104之间。接触传感器103检测能量释放表面101与皮肤（未示出）之间的接触，并被设置为包围能量释放表面101。直到与皮肤的接触被接触传感器103检测到，能量的释放停止。这允许仅在能量释放表面101与皮肤完全紧密接触时发射能量，由此提高能量照射的安全性。
但是，相关技术具有以下的问题。
在使用接触传感器103的照射控制的情况下，由于诸如光之类的能量的发射是根据是否存在接触被确定的，所以必须根据接触的对象停止发射。例如，因为即使被光照射的对象以外的对象接触也发射诸如光之类的能量，所以需要进一步的改进。并且，当透明物质与诸如光之类的能量接触时，穿过接触物的能量照射另一对象，并由此需要改进。因此，使用接触传感器103的能量释放的控制未必完善，并因此需要不同的安全措施以进一步改进安全性。
引文列表
专利文献
PTL1PCT日本翻译专利公开No.2006-525036
非专利文献
NPL1S.A.Ermilov等人,Development of Laser Optoacousticand Ultrasonic Imaging System for Breast cancer Utilizing HandheldArray Probes,Photons Plus Ultrasound:Imaging and Sensing2009,Proc.of SPIE vol.7177,2009.
发明内容
考虑以上的问题，提出本发明。
本发明使得能够适当地控制照明光的发射以改进光声装置的安全性。
问题的解决方案
为了解决以上的问题，根据本发明的一个方面的被检体信息获取装置包括：发光单元，具有发射待施加到被检体的光的出射部分；探头，被配置为接收被检体在接收从发光单元发射的光时产生的光声波并输出电信号；检测单元，被配置为检测出射部分的位置或取向；以及控制单元，被配置为基于检测单元的检测结果来控制发光单元。
本发明的有利效果
根据本发明的一个方面，由于可防止自由地发射照明光，因此可以进一步提高诸如光声装置之类的被检体信息获取装置的安全性。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例的装置的构成的示图。
图2A是示出根据本发明的实施例的控制方法的示图。
图2B是示出根据本发明的实施例的另一控制方法的示图。
图3A是示出根据本发明的实施例的又一控制方法的示图。
图3B是示出根据本发明的实施例的又一控制方法的示图。
图4是示出本发明的例子1中的照明光照射区域的示图。
图5是示出本发明的例子2中的支撑部件的示图。
图6是示出本发明的例子3中的没有支撑部件的装置构成的示图。
图7是示出本发明的例子4中的另一位置传感器的示图。
图8A是背景技术的光声装置的断面图。
图8B是图8A中的光声装置的底视图。
具体实施方式
本发明基于这样一种分析，即，如果相对于水平方向至少向下（沿重力的方向）发射照明光，则可减少用照明光直接照射操作员或用户和被检者的眼睛的风险。
通过使用附图描述本发明的实施例。图1是用作被检体信息获取装置的光声装置100的示意图。光声装置100包含：具有发射要被施加到被检体（未示出）的光的出射部分的发光单元、接收被检体在接收从发光单元发射的光时产生的光声波并输出电信号的探头2、用作检测出射部分的位置或取向的检测单元的位置传感器8、以及基于位置传感器8的检测结果控制发光单元的控制单元9。以下详细描述各单个部件。
发光单元包含发射照明光的光源4和用作将从光源4产生的光发射到被检体（未示出）的出射部分的出射端3a。在图1所示的实施例中，由于来自光源4的光通过纤维束3被施加到被检体，因此出射部分是纤维束3的端部3a。但是，它们不限于此；来自光源4的光可被镜子等反射并且可直接被施加到被检体。可在与被检体接触或相邻的位置上设置透明窗口，在这种情况下，透明窗口用作出射部分。在图1中，照明光学系统5被插入光源4与用作出射部分的出射端3a之间。
探头2可以是由多个器件（每一个器件都由多个振荡器等构成）构成并将声波转换成电信号的换能器阵列等。在以下的描述中，探头2和出射端3a有时统称为光声探头1。
位置传感器8检测出射端3a的位置。在图1所示的实施例中，设置后面描述的用作支撑探头2的支撑部件的臂形机构12。位置传感器8被设置在臂形机构12的三个位置上。位置传感器8的例子是编码器。
本实施例的控制单元9基于通过位置传感器8的编码器测量的臂形机构12的关节的角度来计算出射端3a的取向，即照明光的出射方向，并控制发光单元的操作。并且，控制单元9从作为位置传感器8（编码器）的检测结果的臂形机构12的长度和关节的角度来确定出射端3a的位置和出射方向，并且控制发光单元的操作。用于控制发光单元的操作的方法的例子包括打开和关闭光源4的内部遮光器的方法和控制内部触发信号（闪烁灯或Q开关）的方法。或者，外部遮光器可被设置在光源4与照明光学系统5之间，并且可控制遮光器的打开和关闭。控制单元9以这种方式基于检测单元的检测结果允许和停止发光单元发光。
本实施例可包括处理单元6和监视器7。处理单元6对基于探头2接收的光声波而被输出的电信号执行诸如放大、数字转换和图像重构之类的各种处理。监视器7显示处理单元6输出的图像信息。
如上所述，在本实施例中，通过位置传感器8检测发光单元的出射端3a的位置或取向，并且基于检测结果由控制单元9控制发光单元的操作。这可防止被检体以外的对象与光接触时以及透明对象与光接触时的错误光照射，这种错误光照射是使用接触传感器的光照射控制的问题。另外，通过在测量（在装置的操作）期间基本上保持被检体、发光单元的出射部分和操作员（或用户）之间的相对位置关系的构成，如被检体信息获取装置那样，可通过根据出射部分的位置或取向控制光发射来以更高的精度防止误动作。具体而言，例如当相对于水平方向至少向下（沿重力的方向）引导照明光时，这可减少照明光直接照射操作员或用户和被检者的眼睛的风险。
虽然以上被描述为应用于使用编码器作为检测单元的例子，但检测单元不限于此；例如，可以使用陀螺仪传感器、加速度传感器、磁传感器、光学传感器和照相机。其适当的组合允许实现发光单元的更高精度的动作控制。
虽然以上的实施例被配置为使得位置传感器8被设置在用作支撑探头2的支撑部件的臂形机构12上，但本发明不限于此；如后面描述的图6所示的配置那样，位置传感器8可被设置在光声探头1上。
并且，诸如扩散器之类的光学系统可被设置在发光单元的出射端3a与被检体之间。
光源4的例子包含脉冲激光器，诸如Nd:YAG激光器和紫翠玉激光器。其它的例子是使用Nd:YAG激光作为激励光的Ti:sa激光器和OPO激光器。
图1所示的实施例被配置为使得从光源4产生的照明光的一部分分离，并且，当输入用作触发信号的测量的光电二极管（未示出）的输出时，处理单元6使探头2获取光声信号。触发信号不限于光电二极管的输出；还能够使用使从光源4产生的光与输入到处理单元6的触发信号同步化的方法。
用作支撑光声探头1的支撑部件的臂形机构12具有用于抵消光声探头1自身的重量的结构。臂形机构12的自由度可为总共6个自由度，即，X、Y、Z和轴周(periaxe)（ωx、ωy、ωz）。图1中的构成中的臂形机构12在从光声探头1到基台的三个关节上具有用作位置传感器8的编码器。如上所述，控制单元9基于编码器的输出和臂形机构12的长度等的信息来控制发光单元。
通过使用图2A和图2B以及图3A和图3B中的流程图详细描述控制单元9的控制方法。
步骤S21
控制单元9通过使用用作位置传感器8的编码器来获取角度信息。控制单元9确定作为照明光的出射方向的纤维束3的出射端3a的取向是否处于预定的角度内。
步骤S22
如果S21中的确定处于预定的角度内，那么控制单元9控制来自光源4的出射，使得允许发光。
步骤S23
如果S21中的确定大于或等于预定的角度，那么控制单元9控制来自光源4的出射，使得发光停止。
将照明光的出射限于预定的方向可减少照明光的自由出射，由此提高安全性。存在于照明光的受限出射方向中的部件的表面、诸如床之类的设施和诸如地板和墙壁之类的房间环境，由散射和/或吸收照明光的材料制成。例如，对于金属，表面被去光泽化或者镀敷或涂敷诸如黑色之类的暗色，或者使植绒纸或布与表面接合。这样，即使照明光照射被检体以外的对象，也允许照明光被散射或吸收，由此进一步提高安全性。为了进一步确保安全性，至少操作员或用户和被检者应配戴激光保护护目镜，并且应在被检者的眼睛与光声探头1之间设置遮蔽帘。
不仅作为照明光的出射方向的纤维束3的出射端3a的角度，而且其角速度也可以是针对来自光源4的出射要被控制的对象。通过使用图2B中的流程图描述这一点。
步骤S24
控制单元9获取作为编码器的测量输出的角度信息。控制单元9然后确定纤维束3的出射端3a的取向是否处于预定的角度内。
步骤S25
控制单元9通过对在S24中获得的角度信息进行时间微分来获得纤维束3的出射端3a的角速度。控制单元9然后确定角速度是否处于预定的速度内。并且，也可控制角加速度。
步骤S26
如果S24和S25中的确定均处于预定的值内，那么控制单元9控制来自光源4的出射，使得允许发光。
步骤S27
如果S24和S25中的确定中的任一个大于或等于预定值，那么控制单元9控制来自光源4的出射，使得发光停止。
通过还以这种方式检测出射方向的照明光的移动，即使光声探头1突然移动，控制单元9也可控制来自光源4的发光，并可由此进一步提高安全性。
根据被检体来设定S21和S24中的出射方向上的照明光的确定值。例如，在被检体是乳房且通过仰面体位的被检者获取其光声图像的情况下，在重力的方向（图1中的-Z方向）上设定照明光的标准出射方向。由于光声探头1沿被检体被扫描以获取光声图像，因此，标准方向±90°内的值被设定为确定值。可根据被检体或被检者的姿势设定在S25中确定的在出射方向上的照明光的移动（角速度）的确定值。在以上的情况下，确定值被设定于约±90°/秒内。但是，这里描述的确定值仅是例子，并且，即使被检体和被检者的姿势与上述的那些相同，也不限于此。
此外，根据臂形机构12的长度和用作位置传感器8的编码器的输出，不仅可以获得来自光声探头1的照明光的出射方向，而且可以获得光声探头1的位置信息。只有当照明光的出射端3a处于预定位置时，控制单元9才允许光源4发光。下面，通过使用图3A中的流程图描述控制单元9的该控制方法。
步骤S31
控制单元9根据编码器的输出和臂形机构12的长度来获取出射端3a的位置信息和角度信息（出射方向）。控制单元9然后确定出射端3a的位置和照明光的出射方向是否处于预定的位置和方向内。
步骤S32
如果S31中的确定处于预定的位置和方向内，那么控制单元9控制来自光源4的出射，使得允许发光。
步骤S33
如果S31中的确定大于或等于预定的位置和方向，那么控制单元9控制来自光源4的出射，使得发光停止。
根据被检体和被检者的姿势来设定S31中的照明光的出射位置的确定值。例如，在照明光的标准出射方向是重力方向（图1中的-Z方向）的情况下，使用光声探头1在+Z方向上的位置作为确定值。这允许在升高光声探头1的状态下停止来自光源4的照明光的出射。+Z方向的确定值可设定于从平均测量位置算起的约100mm内，以防止窥看(peep)。X-Y方向上的确定值被设定于从平均测量位置算起的约±200mm内。当然，如图2A和2B中的S21和S24所述，照明光的出射方向也具有确定值。通过不仅基于照明光的出射方向而且基于其出射位置控制来自光源4的出射，可进一步提高安全性。
此外，如图3B那样，对于来自光源4的出射，可不仅控制出射端3a的位置和照明光的出射方向，而且控制其移动。
步骤S34
控制单元9根据用作位置传感器8的编码器的输出和臂形机构12的长度来获取出射端3a的位置信息和角度信息（出射方向）。控制单元9然后确定出射端3a的位置和照明光的出射方向是否处于预定的位置和方向内。
步骤S35
控制单元9通过对在S34中获得的出射端3a的位置信息和角度信息进行时间微分来获得出射端3a的速度和角速度。控制单元9然后确定速度和角速度是否处于预定的速度和角速度内。此外，也可控制加速度和角加速度。
步骤S36
如果S34和S35中的确定均处于预定的值内，那么控制单元9控制来自光源4的出射，使得允许发光。
步骤S37
如果S34和S35中的确定中的任一个大于或等于预定值，那么控制单元9控制来自光源4的出射，使得发光停止。
照明光出射端3a的移动的基准确定值被设为最大例如200mm/秒的速度和重力加速度。通过还限制出射端3a的移动，即使光声探头1突然移动，控制单元9也可控制来自光源4的发光，并可由此进一步提高安全性。
使用例子更详细地描述本发明。
例子1
在本例子中，通过在图1中描述的光声装置获取PAT图像。Nd:YAG激光器和使用Nd:YAG激光作为激励光的Ti:sa激光器被用作光源4。纤维束3被用于传播照明光。纤维束3的出射端3a分别具有放大光学系统和扩散器。光声探头1一体化地容纳探头2、纤维束的出射端3a、放大光学系统和扩散器。照明光的出射方向与光声探头1获取光声信号的方向对准。光声探头1被安装于臂形机构12上，该臂形机构12的自由度被设为总共6个自由度，即，X、Y、Z和轴周（ωx、ωy、ωz）。臂形机构12在从光声探头1到基台的关节处具有用作位置传感器8的编码器。编码器测量关节的角度。控制单元9可通过对于旋转分量中的每一个合计编码器的输出来计算光声探头1的方向，特别是出射端3a的取向，并由此计算照明光的出射方向。此外，控制单元9可根据臂形机构12的臂长和用作位置传感器8的编码器的输出（即关节的角度）来获得照明光出射端3a的位置和出射方向。这里，所有的臂长被设为约500mm以提供光声探头1的足够的可动区域。
对于光源4的出射控制，应用在图3B的流程图中描述的控制方法，并且，通过使用内置于Nd:YAG激光器中的遮光器来控制其发光和停止。下面，使用图4描述照明光的出射方向和出射位置的确定值。
被检者的乳房的中心被设为装置的基准点，并且，被检者仰卧，乳房位于其上。从基准点算起的-150mm<X<+200mm、-200mm<Y<+200mm和-50mm<Z<+50mm的范围中的区域被设为可照射区域。在X≥0的范围中，0<ωy<+90°的范围被设为可照射区域。在X<0的范围中，-50mm<Z<+10mm和-90°<ωy<0内的区域被设为可照射区域。在其它的范围中，-90°<ωx<+90°和-90°<ωy<+90°内的区域被设为可照射区域。各单个轴上的速度被设为200mm/秒或更低，加速度被设为等于或低于重力加速度，并且，角速度被设为+/-90°/秒或更低作为确定值（可照射）。
以上的构成防止操作员或用户和被检者的眼睛被照明光直接照射，由此提高安全性。
例子2
例子2描述与例子1不同的光声探头1的支撑部件。在例子2中，如图5所示，通过用导线13连接光声探头1与位置传感器8（编码器），支撑光声探头1。单个编码器容纳用于导线13的转子，并从转子的旋转速度测量光声探头1的位置。但是，在这种情况下，如果导线13松开，那么光声探头1的位置的测量精度降低。因此，缠绕机构或电动机驱动机构被施加到转子以防止导线13松开。在例子2中，用于测量导线13的张力的传感器（负载单元）（未示出）和用于缠绕导线13的电动机被设置在转子上，并且，执行反馈控制以保持张力。
此外在例子2中，与例子1同样，根据图3B中的流程图控制发光。装置的基准点和照明光的可照射区域可被设为与例子1类似。
即使光声探头1被安装在与臂形机构12不同的支撑部件上，以上的构成也允许测量出射端3a的位置和取向。控制照明光的出射防止操作员或用户和被检者的眼睛被照明光直接照射，由此提高安全性。
例子3
在例子1和例子2中，光声探头1被安装在支撑部件上。在例子3中，光声探头1不被安装在支撑部件上，但光声探头1具有用于测量出射端3a的取向的位置传感器8。
此外，在图6中，由于与上述的其它附图中的相同部件由相同的附图标记表示，所以省略它们的描述。在图6中，陀螺仪传感器（振动结构陀螺仪）被应用到位置传感器8。陀螺仪传感器的测量轴是X轴（ωx）和Y轴（ωy）。陀螺仪传感器的输出是角速度。通过在照明光的出射端3a被置于水平位置的状态下校准陀螺仪传感器并积分输出，获得纤维束3的出射端3a的角度。在图2B的流程图中描述的控制方法被应用于控制出射。在可照射角度被设为-90°<ωx<+90°和-90°<ωy<+0的范围的情况下进行确定，并且，可照射角速度被设为+/-90°/秒或更低的范围。
即使光声探头1不被安装在支撑部件上，以上的构成也允许至少在出射端3a指向上方时停止出射。这可提高安全性，使得没有照明光自由出射到空间中。
例子4
虽然例子3的位置传感器8是陀螺仪传感器，但例子4还具有加速度传感器。陀螺仪传感器根据角速度输出测量结果（检测结果）并且加速度传感器根据加速度输出测量结果。图6中的陀螺仪传感器的测量轴是三个轴，即，X轴（ωx）、Y轴（ωy）和Z轴（ωz）。加速度传感器的测量轴是三个轴，即，X轴、Y轴和Z轴。陀螺仪传感器和加速度传感器的输出需要被积分以确定出射端3a的位置和移动速度。通过积分位置传感器8的输出获得的位置信息是相对于测量开始处的位置的位置。因此，位置传感器8需要被事先校准，使得光声探头1位于原点处。因此，例子4被配置，使得光声探头1被设置在事先设置的原点处，并且，在这种状态下，陀螺仪传感器和加速度传感器被校准。通过使用到校准的原点的距离来管理装置的基准点。这允许获得光声探头1在X、Y、Z、ωx和ωy的空间坐标中的位置和角度。
被检者仰卧，使得其乳房的中心位于基准点上。基准点和照明光可照射区域被设为与例子1的相同，并且，在图3B的流程图中描述的控制方法被应用以控制来自光源4的出射。
检测光声探头1的角度和位置的位置传感器8可被以上描述的传感器以外的另一传感器替代。例如，如图7所示，通过控制单元9控制来自光源4的出射的方法也是可能的，其中，标记10被安装于光声探头1上，并且，通过使用设置在空间中的多个照相机11检测标记10的位置。位置传感器8的其它例子包含磁传感器和光学传感器。
以上的构成允许在不需要在支撑部件上安装光声探头1的情况下测量照明光出射端3a的位置和取向，并防止操作员或用户和被检者的眼睛被照明光直接照射，由此提高安全性。
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便包含所有的修改以及等同的结构和功能。
本申请要求在2011年5月31日提交的日本专利申请No.2011-122741的益处，在此其全部内容通过引用而并入本文。

Claims (5)

1.一种被检体信息获取装置，包括：
发光单元，包含发射要被施加到被检体的光的出射部分；
探头，被配置为接收被检体在接收从发光单元发射的光时产生的光声波并输出电信号；
检测单元，被配置为检测出射部分相对于该被检体信息获取装置的基准点的位置或出射部分相对于重力方向的取向；以及
控制单元，被配置为基于检测单元的检测结果来控制发光单元。
2.根据权利要求1所述的被检体信息获取装置，其中，检测单元是编码器、陀螺仪传感器、加速度传感器、磁传感器、光学传感器和照相机中的任一个。
3.根据权利要求1所述的被检体信息获取装置，其中，控制单元确定该位置是否位于预定位置内或者该取向是否位于预定角度内，并且其中控制单元在该位置位于预定位置内时或者在该取向位于预定角度内时允许发光单元产生光。
4.根据权利要求1所述的被检体信息获取装置，其中，控制单元确定该位置是否位于预定位置内或者该取向是否位于预定角度内，并且其中控制单元在该位置不位于预定位置内时或者在该取向不位于预定角度内时停止发光单元产生光。
5.根据权利要求1所述的被检体信息获取装置，还包括：
支撑探头的支撑部件，其中，
检测单元被设置在支撑部件处。
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