CN104939870A - 生物信息获取装置 - Google Patents

Abstract

公开了生物信息获取装置。本发明提供一种生物信息获取装置，在其中再利用在光被辐射到测试对象时通过该对象中的漫射作用从测试对象发射到外部的光束，提高了辐射的光的利用效率。该装置具有用于将光束辐射到测试对象的光源和用于检测基于光束的辐射输出的信号的检测器，包括：反射部件，被配置为反射在光束被辐射到测试对象时从测试对象向外发射的光束，该反射部件被放置为比该光源更接近在测试对象的表面上的照射区域，以便从上方覆盖照射区域的至少一部分，并且被配置为等于或大于该照射区域。

Description

生物信息获取装置

本申请是申请号为201080049034.X，申请日为2010年10月21日，题为“生物信息获取装置”的中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及利用光的生物信息获取装置，并且特别地涉及用于通过利用由于活体内部的光漫射从活体发射到外部的光束再辐射活体来增强光能利用效率的技术。

背景技术

已经进行了通过对于活体(即，测试对象)使用具有高透射率的非侵入的近红外线来可视化活体内的信息的研究和开发。活体内材料(诸如水、脂肪和存在于血管中的血红蛋白)具有近红外的波长范围中的特有光谱。因此，注意力已被吸引到了将起源于那些成分的吸收的空间系数分布可视化以获取活体中的功能信息的研究。

用于检测活体中的光吸收的方法包括例如直接测量透射通过活体的光束的漫射测量(DOT：漫射光学层析成像)和利用光声效应的光声测量(PAT：光声层析成像)。

在PAT中，由光源产生的脉冲光辐射到活体，活体内部的活体内组织吸收在其中传播并且漫射的脉冲光的光能，并且该组织产生要被测量的声波。也就是说，由于测试部位(诸如肿瘤)和除了测试部位之外的组织之间的光能的吸收系数的差别，在测试部位吸收辐射的光能并且瞬间膨胀时产生的测试部位的弹性波被换能器接收并且被识别。可以分析并处理此检测信号，提供活体中的光学特性分布，特别是光能吸收密度分布。由于与光相比超声波具有高的在活体中的直线性(straightness)，因此用于检测超声波的光声测量装置具有高的空间分辨率。

美国专利申请No.2006/0184042提出了一种作为使用光声效应的生物信息成像装置的装置。在美国专利申请No.2006/0184042公开的装置中，通过具有集光功能的透镜将光聚集到活体中的期望的区域，并且在高效地使用光能的同时检测光声信号。

引文列表

专利文献

PTL 1：美国专利申请No.2006/0184042

发明内容

上述示范的传统的使用光声效应的生物信息成像装置可以通过将大的光能应用于活体来获取较强的声波信号。

然而，使用这样的光声效应的情况的问题在于，由于光束的光能在光到达活体中的较深的部分之前被衰减，因此来自于较深的部分的声波信号的强度降低。因此，必须利用具有大功率的脉冲光源发生器作为光源来观测较深的部分。然而，脉冲光源发生器输出受限制而且较昂贵。此外，还出现随着输出变高它变得不稳定的问题。

因此，为了增强在较深的部分中的观测能力，期望的是更有效地利用光能。

作为光能的这样的有效利用的期望示例，可以再利用背散射光以提高光能利用效率，背散射光是通过活体中的漫射作用从活体发射出去的光束。

也就是说，辐射到活体中的光束由于活体中的强的漫射作用而失去了直线性，并且光束的一部分由于背散射而从辐射区域和相邻区域辐射到活体外。通过再利用此发射的光束，可以预期增强了信号的强度。在一方面，在美国专利申请No.2006/0184042中公开的方法中，如上所述具有集光功能的透镜将光聚集在活体的期望区域中。

根据这样的方法，光束可以被直接辐射到活体中，以增强光能利用效率，但是此方法不能有效地工作以便再利用如上所述的背散射光。

根据上述问题，本发明的一个目的是提供一种生物信息获取装置，其可以再利用在光被辐射到测试对象时由于在测试对象中作用的漫射作用而从测试对象发射到外部的光束，并且可以增强辐射的光的利用效率。

本发明提供一种以下述方式配置的生物信息获取装置。

根据本发明的生物信息获取装置是具有用于将光束辐射到测试对象的光源和用于检测基于光束到测试对象的辐射输出的信号的检测器的生物信息获取装置，其包括：反射部件，被配置为反射在光束被辐射到测试对象时从测试对象发射出去的光束，其中该反射部件被放置为比光源更接近在测试对象的表面上的光束的照射区域，以便从上方覆盖照射区域的至少一部分，并且被配置为在尺寸上等于或大于该照射区域。

根据本发明，在光被辐射到测试对象时从测试对象发射到外部的光束被反射部件反射并且被再次投射到测试对象，以使得从测试对象发射到外部的光束可以被再利用，从而提高辐射的光的利用效率。

通过参考附图对示例性实施例的以下描述，本发明的更多的特征将变得清楚。

附图说明

图1是根据本发明的示例性实施例1的具有反射部件的生物信息获取装置的配置的示例的剖视图。

图2是示出了在本发明的示例性实施例1中的照射区域的尺寸和反射部件的尺寸之间的关系的顶视图。

图3是根据本发明的示例性实施例2的具有反射部件的生物信息获取装置的配置的示例的剖视图。

图4是根据本发明的示例性实施例3的具有反射部件的生物信息获取装置的配置的示例的剖视图。

图5是根据本发明的示例性实施例4的具有反射部件的生物信息获取装置的配置的示例的剖视图。

图6示出了用于测量背散射的分布以确认被背散射和发射的光的分布的模型。

具体实施方式

将描述在本发明的示例性实施例中的生物信息获取装置。

根据本示例性实施例的生物信息获取装置包括用于将光束辐射到活体(即，测试对象)的光源、用于检测基于由光源到活体的光束的辐射输出的信号的检测器、和用于反射从活体发射到外部的光束的反射部件。可以处理由如上所述的检测器提供的信号以测量各种生物信息。

这样做时，在光被辐射到活体时从活体发射到外部的光束可以由如上所述的反射部件反射，以便被再次投射到该活体，从而提高辐射的光的利用效率。这将在后面详细描述。

这里使用的检测器可以包括用于使用超声检测器检测声波信号的光声测量、和在其中使用光检测器检测通过将超声信号辐射到活体而提供的调制光信号的超声光调制信号测量。

当提供声波检测器以检测由于脉冲光的照射在测试对象内部的局部区域中产生的声波作为“基于光束到活体的辐射输出的信号”时，可以执行PAT测量。另一方面，当提供光检测器以检测已经传播并且在活体内部被漫射的弱光或由超声波调制的光作为“基于光束到活体的辐射输出的信号”时，可以执行DOT测量、AOT测量等等。

DOT是用以将光从光源辐射到活体、由高灵敏度的光检测器感测已经传播并且在活体内部被漫射的弱光、并且由感测的信号将活体内部的光学特性值分布成像的技术。

在声光层析成像(AOT)中，光被辐射到活的组织中，同时会聚的超声波被辐射到局部区域中，并且光检测器通过使用光被超声波调制的效应(声光效应)检测调制光。此外，AOT可以检测与光能的吸收对应的活的组织中的X射线相位变化。

这里，将主要描述使用声波检测器的光声测量，但是本发明可以应用于需要有效地使用光能的各种生物信息获取装置。

脉冲激光器主要用作用于光声测量装置的光源。

当激光器被用作光源时，由激光使用的国际规范提供最大容许曝光量(MPE)，其是允许施加在活体的表面上的每单位面积的照射能量。另一方面，因为更强的光能被辐射到活体，所以可以提供更强的声波信号。因此，可以利用容许的曝光量照射较宽的区域以辐射大量的光能。

辐射到活体中的光束被活体内部的细胞组织等强烈地漫射并且丢失了直线性，并且它的一部分被背散射且从活体发射到外部。

当光束被辐射到具有等效于活体的光学特性的光学特性的均匀的漫射材料时，大部分光束由于活体中的漫射效应而被背散射并且从活体发射出去。

为了确认上述点，通过蒙特卡罗模拟的光线跟踪方法使用如图6所示的模型来检查被背散射和发射的光的分布。使用具有5mm的直径的光源601，利用光束602倾斜地照射等效于活体的漫射材料603，并且检测表面604位于照射区域的前面。不管入射角如何，发射的光束都在照射区域的正上方具有强烈的光量分布，并且根据漫射系数以一定的扩展(spread)角照射检测表面。也就是说，一次进入活体的光束在活体中被漫射，因而在等于或大于辐射区域的范围中以充分(adequate)的角度从活体发射出去。

使用短语“充分的角度”，因为在活体中重复散射的光线通过损失方向性在一定程度上被扩展并且以相当宽的角度从活体发射出去，虽然这取决于光学常数(诸如各个活体的漫射系数)。

为了通过有效地使用反射部件将发射的光束再辐射到活体，反射部件可以被放置在活体附近，在与照射区域正交的方向上在照射区域上方。更期望地，反射部件被放置在尺寸等于或大于照射区域的区域上方，以便从上方覆盖整个照射区域。当反射部件的尺寸小于照射区域时，虽然发射的光束可以被反射并且再次发出到活体处，但是仅仅光束的减小的一部分可以被反射。

此外，为了有效地反射光束，反射部件需要被放置为非常接近于照射区域，从而施加了结构限制。

根据使用的光源的波长，具有高反射率的最合适的部件可以用于反射部件。特别地，Al和Au金属在可见光到近红外区中具有高的反射率，因而适合于光声生物检测系统。此外，可以根据使用的波长使用电介质单层或多层膜。

根据本实施例，各种形状可用于反射从活体发射出去的光束的反射部件的反射部分。

由于从活体发射出去的光束具有扩展，因此为了有效地再照射活体的最初的照射区域，期望反射部分具有凹面形状。凹面形状的利用使得扩展的光束能够会聚在期望的区域上。另一方面，当反射部件被放置为接近于活体时，即使反射部分具有平面形状，活体也可以被有效地再照射。此外，为了照射包括首先被照射的区域的活体的更宽的区域，可以合适地使用平面的反射部分。

反射部件的反射部分的形状可以根据从活体发射出去的光束的发射角而变化。发射角取决于基于活的组织的漫射系数。因而，发射角还取决于诸如测量的区域、年龄和性别之类的因素。

另一方面，被照射的活体上的照明分布影响在活体中传播的光束的光能分布。

光声信号强度与在光吸收体的位置处的光能的强度成比例。因此，为了根据测量的声波信号产生光吸收体的吸收系数强度分布的精确的图像，期望弄清活体中的光能分布。

然而，活体的光学常数是不均匀的，并且难以确定光能分布。特别地，如果在活体的表面上存在不均匀的照明分布，则很难弄清活体中的光的精确的分布。

如果从光源发出的激光束具有光束分布，则可以通过基于已知的照明分布设计反射部件的形状来使得照明分布均匀。使得活体的表面上的照射光分布均匀有助于估计活体中的光能分布。

在使用光声效应的生物信息测量装置中，提出一种测量装置，其中与超声检测器的照射位置相对于作为测试对象的活体不同。也就是说，可以存在照射位置相对于活体与超声检测器相对的情况，或超声检测器被布置在与照射区域相同一侧的情况。

特别地，在超声检测器位于照射区域一侧的情况下，从照射效率的观点来说，期望将光束辐射到面向位于活体附近的超声检测器的检测表面的活体的表面。在这样的布置中，从活体发射出去的光束向超声检测器的正面发射，因而期望反射部件位于超声检测器和照射表面之间。此外，在这种情况下，要求反射部件对声波信号是透明的。

对声波透明的反射部件是以非常低的衰减透射声波的部件。可以通过将具有低的声波衰减系数的材料用于该部件，或者即使当倾向于衰减声波的材料用于该部件时，该部件相对于声波的波长也足够薄，来保证对声波的透明性。反射部件在由电介质膜制成时厚度可以相对增大，但是当使用具有通用性(versatility)的金属膜作为反射膜时，必须控制厚度。

为了检测超声波，提供声学匹配材料以保证活的组织和超声检测器之间的声学匹配，并且反射部件被放置为与声学匹配部件接触。活的组织具有接近于水的声学阻抗，其为1.5×10⁶kg*m^-2*s，并且在声速处为大约1500m*s^-1。

用在本发明中的超声检测器的频率在大约1-50MHz的范围之内，并且一个波长的计算的长度在大约1.5mm-30mm的范围之内。

当具有高声波衰减的材料用于反射部件时，如果该材料的厚度被设置为等于或小于声波的波长的1/30，则不管使用的材料如何，对声波的透明性可以增大。根据本实施例，作为对声波的透明性的标准，反射部件可以具有等于或小于声波的波长的1/30的厚度，但是这不是必要条件。如上所述，在等于或大于波长的1/30的厚度的情况下，对声波信号的透射系数逐渐减小。然而，如果对于检测信号足够的强度可用，则该厚度可以等于或大于根据本实施例规定的厚度。

因而，在活的组织中，对于10MHz、其一个波长为大约150μm的声波信号，期望反射部件的厚度是5μm或更小。

示例性实施例

下面将描述本发明的示例性实施例。

示例性实施例1

将参考图1描述用在本发明的示例性实施例1中的生物信息获取装置的配置示例，其中生物信息获取装置被装备有反射部件。从光源101发射的光束102被辐射到模拟活体的人体模型(phantom)105。反射部件103被放置为接近于活体并且刚好在首先被照射的照射区域104上方。

图2示出照射区域和反射部件之间的尺寸关系。反射部件103大于照射区域104，并且当从测试对象的表面上方观看时，反射部件103包括照射区域201。光源101被放置为比反射部件103更远离照射区域104。

1064nm的Nd:YAG激光器被用作光源101。反射部件是通过将玻璃材料涂敷由Au和Al制成的反射膜以及适合于1064nm的波长的电介质多层膜而制备的玻璃镜。英脱利匹特(Intralipid)的10％水溶液被用作已被制备以便具有均匀的漫射系数的人体模型105。球形光吸收体106被放置在Intralipid溶液内部离开照射表面2cm处。超声检测器107被放置在与照射表面相对的一侧以测量光声波信号。

与不使用反射部件时相比，当使用反射部件103时，光声信号强度增大，并且通过增大辐射的光的量来增强光声信号。

示例性实施例2

将参考图3描述用在本发明的示例性实施例2中的生物信息获取装置的配置示例，其中生物信息获取装置被装备有反射部件。除反射部件303外，本示例性实施例的配置基本上与示例性实施例1相同。

在本示例性实施例中，凹面镜被用作反射部件303的反射部分。观测到，与不使用反射部件时相比，光声波信号被显著加强。这被相信是因为反射部件的形状为凹面的反射部分使得一定程度上从活体散射的光能够被有效地向照射区域附近再辐射。

特别地，当反射部件303被放置为远离照射区域104时，观测到，与根据示例性实施例1的装备有平面反射部分的反射部件的情况相比，光声信号被更显著地增强。

示例性实施例3

将参考图4描述用在本发明的示例性实施例3中的生物信息获取装置的配置示例，其中生物信息获取装置被装备有反射部件。在本示例性实施例中，在反射部件403的反射部分的一部分中提供孔，并且光束102通过该孔被辐射到测试对象105。除此以外，本示例性实施例的配置基本上与示例性实施例2相同。

由于照射区域104的顶面不全部由反射部件403覆盖，因此对光声波信号的增强效果降低，但是与不使用反射部件时相比，观察到明显的效果。

这样的反射部件的使用使得入射光能够以接近于垂直的角度照射活体，使得能够使用各种类型的光声测量装置。

虽然在示例性实施例3中，在反射部件403中提供单个孔，但是可以提供许多孔，通过这些孔辐射由光纤等产生的许多分束。此外，不必说，期望该孔具有小的尺寸。因而，光束在照射测试对象105之前可以通过反射部件403中的孔被聚焦一次。

示例性实施例4

将参考图5描述用在本发明的示例性实施例4中的生物信息获取装置的配置示例，其中生物信息获取装置被装备有反射部件。在本示例性实施例中，超声检测器107和光源101被放置在测试对象105的同一侧。反射部件103被放置在超声检测器107和照射区域104之间。在这样的布置中，反射部件需要具有反射光束但是使声波透射通过其的性质。因此，膜厚为5微米的Al膜被沉积在具有低的声波衰减的树脂膜上以产生反射部件103，反射部件103然后被安装在超声检测器107的前面上。

为了将光束102辐射到位于超声检测器107之下的测试对象105，提供由声学匹配材料509制成的支座(standoff)。

与不使用反射部件时相比，光声波信号被增强，并且观测到，反射部件的放置具有增大辐射的光的量的效果。

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解本发明不局限于公开的示例性实施例。以下权利要求的范围符合最宽的解释以便涵盖所有这样的修改以及等同的结构与功能。

本申请要求2009年11月4日提交的日本专利申请No.2009-253068的权益，其通过引用而被全部合并于此。

Claims (1)

1.一种生物信息获取装置，具有用于将光束辐射到测试对象的光源和用于检测基于光束到测试对象的辐射输出的信号的检测器，包括：

反射部件，被配置为反射在光束被辐射到测试对象时从测试对象发射出去的光束，其中

该反射部件被放置为比该光源更接近在测试对象的表面上的光束的照射区域，以便从上方覆盖照射区域的至少一部分，并且被配置为在尺寸上等于或大于该照射区域。