TWI614491B - 利用超音波產生擾動區域並生成分層掃描影像之成像系統 - Google Patents

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Abstract

一種利用超音波產生擾動區域並生成分層掃描影像之成像系統，成像系統中，超音波裝置發送超音波至活動平台，活動平台受操作而移動至一活動路徑之複數個掃描成像位置，並設置一包含至少一散射物質之待測物。待測物接收到超音波時產生一剪切波而使散射物質產生擾動並形成一擾動區域。雷射裝置發射出一穿透擾動區域後產生至少一光斑之雷射光束。雷射光束依序穿透擾動區域與對焦裝置之對焦孔後聚焦於一聚焦位置。成像裝置設置於聚焦位置而接收雷射光束以生成複數個對應於該些掃描成像位置之呈現出光斑之分層掃描影像，並將該些分層掃描影像處理為一彈性影像。

Description

利用超音波產生擾動區域並生成分層掃 描影像之成像系統
本發明係有關於一種利用超音波產生擾動區域並生成分層掃描影像之成像系統，尤其是指一種透過超音波對待測物產生擾動區域並分層生成影像以處理為彈性影像之成像系統。
一般而言，隨著科技的發展，醫療技術的進步使得人們的壽命漸漸增加。現有之疾病中，部分疾病會使生物組織產生硬塊，而現有技術中，較常見的診斷方式為觸診，以透過觸診的方式判斷生物組織之硬度以及硬度的分佈範圍，但觸診的方式普遍需要仰賴醫師的經驗，受限於不同疾病與不同條件下的狀況，健康的生物組織的硬度也有所不同，進而對於發現早期疾病的機率較低，因此觸診對於病理區域的判斷的準確度仍有改善之空間。
其中，基於非侵入輔助判斷生物組織之硬度的技術於近年來發展出來，現有技術中，普遍係採用超 音波的非侵入式彈性成像技術，臨床上的應用中，前列腺癌、乳腺癌和肝纖維化的分期皆已普遍採用上述之技術進行檢測。
然而，現有之彈性成像技術普遍僅能簡易觀看生物組織之硬度分佈，並且影像品質較差而使得一般人員觀看時較難以細分彈性影像所呈現之結果，因此，現有技術仍具備改善之空間。
有鑒於現有彈性成像技術影像品質較差而使得一般人員觀看時較難以細分彈性影像所呈現之結果，因而普遍具有分辨效率差之問題。緣此，本發明主要係提供一種利用超音波產生擾動區域並生成分層掃描影像之成像系統，其主要係透過超音波對待測物產生擾動區域，並透過活動平台使待測物在複數個掃描成像位置移動以對應於該些掃描成像位置生成影像，並處理為彈性影像，以達到有效透過分層影像了解待測物之狀態之目的。
基於上述目的，本發明所採用之主要技術手段係提供一種利用超音波產生擾動區域並生成分層掃描影像之成像系統，並包含一超音波裝置、一活動平台、一雷射裝置、一對焦裝置以及一成像裝置。超音波裝置係用以將一超音波發送至一超音波發送區域，活動平台係至少局部設置於超音波發送區域，受操作而移動至一活動路徑之複數個掃描成像位置，並用以設置一包含至少一散射物 質之待測物，其中當待測物接收到超音波時，係在待測物內產生一剪切波，藉以使該至少一散射物質產生擾動而在待測物內形成一擾動區域。雷射裝置用以沿一光束行進路徑發射出一雷射光束，使雷射光束在沿光束行進路徑穿透擾動區域後產生至少一光斑。對焦裝置係設有一位於光束行進路徑之對焦孔，使雷射光束沿光束行進路徑依序穿透擾動區域與對焦孔後，聚焦於光束行進路徑之一聚焦位置。成像裝置係設置於聚焦位置而接收雷射光束，藉以生成複數個對應於該些掃描成像位置之分層掃描影像，使該些分層掃描影像中之至少一者呈現出該至少一光斑，並將該些分層掃描影像處理為一彈性影像。
在上述必要技術手段的基礎下，上述利用超音波產生擾動區域並生成分層掃描影像之成像系統還包含以下所述的較佳附屬技術手段。散射物質之一散射係數(reduced scattering coefficient)係大於0.2cm-1，該些掃描成像位置兩兩相鄰之間具有一掃描間距，該對焦裝置之該對焦孔係具有複數個孔徑大小，藉以依據該些孔徑大小調整該掃描間距。
在上述必要技術手段的基礎下，上述利用超音波產生擾動區域並生成分層掃描影像之成像系統還包含以下所述的較佳附屬技術手段。利用超音波產生擾動區域並生成分層掃描影像之成像系統更包含一擴束裝置，該擴束裝置位於活動平台與雷射裝置之間，並位於光束行進路徑，用以放大雷射光束之涵蓋區域，且擴束裝置為一凹 透鏡與一凸透鏡的組合。對焦裝置包含一孔徑本體以及至少二透鏡，孔徑本體係設有對焦孔，該至少二透鏡分別位於孔徑本體之兩側，並位於光束行進路徑路徑上，用以調整聚焦位置。
在上述必要技術手段的基礎下，上述利用超音波產生擾動區域並生成分層掃描影像之成像系統還包含以下所述的較佳附屬技術手段。利用超音波產生擾動區域並生成分層掃描影像之成像系統更包含一控制裝置，控制裝置係電性連接於超音波裝置與成像裝置，用以控制超音波裝置發射超音波以及成像裝置的驅動時序，藉以調控分層掃描影像之有效幀速率，以在有效幀速率夠快的狀況下，準確地量測剪切波的傳遞速度，進而降低對高彈性的物體硬度量測時之誤差。
在採用本發明所提供之利用超音波產生擾動區域並生成分層掃描影像之成像系統之主要技術手段後，由於透過超音波對待測物產生擾動區域，雷射光束係通過待測物內的散射物質，而活動平台使待測物在複數個掃描成像位置移動以對應於該些掃描成像位置生成呈現出光斑的分層掃描影像，並將各分層掃描影像結合而處理為彈性影像，使得使用者可透過分層影像而有效地了解待測物之狀態，因而在待測物為硬塊的狀況下，使用者可理解硬塊對週遭環境的影響，因此可有效幫助使用者進行研究或觀察而增加實務上使用的方便性。
本發明所採用的具體實施例，將藉由以下 之實施例及圖式作進一步之說明。
1‧‧‧成像系統
11‧‧‧超音波裝置
12‧‧‧活動平台
13‧‧‧雷射裝置
14‧‧‧對焦裝置
141‧‧‧孔徑本體
1411‧‧‧對焦孔
142、142a‧‧‧透鏡
15‧‧‧成像裝置
151‧‧‧感光元件
16‧‧‧擴束裝置
17‧‧‧控制裝置
2‧‧‧待測物
21‧‧‧散射物質
100‧‧‧超音波發送區域
200‧‧‧雷射光束
300‧‧‧擾動區域
400‧‧‧光斑
500、500a‧‧‧分層掃描影像
600‧‧‧彈性影像
700‧‧‧待測物影像
U‧‧‧超音波
L1‧‧‧活動路徑
L2‧‧‧光束行進路徑
P1、P2‧‧‧掃描成像位置
D‧‧‧掃描間距
K‧‧‧聚焦位置
S‧‧‧剪切波
第一圖係顯示本發明較佳實施例之利用超音波產生擾動區域並生成分層掃描影像之成像系統之示意圖。
第一A圖係顯示第一圖之局部放大圖。
第二圖與第三圖係顯示本發明較佳實施例之分層掃描影像之示意圖。
第四圖係顯示本發明較佳實施例之彈性影像之示意圖。
由於本發明所提供之利用超音波產生擾動區域並生成分層掃描影像之成像系統中，其組合實施方式不勝枚舉，故在此不再一一贅述，僅列舉一個較佳實施例加以具體說明。
請一併參閱第一圖與第一A圖，第一圖係顯示本發明較佳實施例之利用超音波產生擾動區域並生成分層掃描影像之成像系統之示意圖，第一A圖係顯示第一圖之局部放大圖。
如圖所示，本發明較佳實施例之利用超音波產生擾動區域並生成分層掃描影像之成像系統(以下稱「成像系統」)1，包含一超音波裝置11、一活動平台12、一雷射裝置13、一對焦裝置14、一成像裝置15以及一擴束 裝置16。
超音波裝置11可為現有之超音波探頭，並用以將一超音波U發送至一超音波發送區域100，其中，超音波發送區域100係定義為超音波U所能發送到的空間集合，具體來說，上述的空間集合為景深範圍，較佳為超音波的聚焦位置，使得在聚焦位置中有較大的聲輻射力(Acoustic Radiation Force)。
活動平台12係至少局部設置於超音波發送區域100內，受操作而移動至一活動路徑L1之複數個掃描成像位置P1與P2，並用以設置一包含至少一散射物質21之待測物2。其中，本發明較佳實施例中，待測物2設置於一透光的容器中(其他實施例中不需設置，且容器可為玻璃、壓克力)，且待測物2可為任何的生物組織或是三維細胞培養結構，而散射物質21(例如為光學散射粒子)之一(光)散射係數(reduced scattering coefficient)係大於0.2cm-1而使待測物2呈半透光，本發明較佳實施例中，散射係數係以0.97cm-1為例，需要一提的是，上述容器的散射係數需小於散射物質21之散射係數，其中，若容器的內壁與外壁之間的厚度在1毫米(millimeter)至2毫米之間，則容器的散射係數無需小於散射物質21之散射係數。此外，本發明較佳實施例僅舉例為X軸方向的活動路徑L1，其他實施例中可為二維或三維方向的活動。
另外，待測物2若為三維細胞培養結構，其例如呈固態狀(以供剪切波產生與傳遞)，並為半透明之狀 態，其成分例如可為生物培養膠(又稱蛋白膠(collagen matrigel))，並於生物培養膠內放置所欲培養之生物組織(細胞)。
雷射裝置13為現有可發射出雷射光之裝置，並用以沿一光束行進路徑L2發射出一雷射光束200。對焦裝置14係設有一位於光束行進路徑L2之對焦孔1411。具體來說，本發明較佳實施例之對焦裝置14包含一孔徑本體141以及至少二透鏡142與142a，孔徑本體141設有上述之對焦孔1411，二透鏡142與142a也位於光束行進路徑L2上。
成像裝置15係位於光束行進路徑L2，成像裝置15例如可包含現有之感光耦合元件(Charge-coupled Device；CCD)式鏡頭、互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor；CMOS)式鏡頭或是光學鏡頭，並可包含有影像處理器，其係視實務上之設計而定。另外，成像裝置15還包含一感光元件151，感光元件151為現有之感光器，不再贅述。
擴束裝置16位於活動平台12與雷射裝置13之間，並位於光束行進路徑L2，其中，擴束裝置16可為一凹透鏡與一凸透鏡的組合，或是兩個凸透鏡的組合，抑或是擴散膜，其係視實務上之設計而定，擴束裝置16用以放大雷射光束200之涵蓋區域。
請一併參閱第一圖至第四圖，第二圖與第三圖係顯示本發明較佳實施例之分層掃描影像之示意圖， 第四圖係顯示本發明較佳實施例之彈性影像之示意圖。
如圖所示，其中，當待測物2接收到超音波U時，係在待測物2內產生一剪切波S，藉以使該至少一散射物質21產生擾動而在待測物2內形成一擾動區域300，擾動區域300中，剪切波S會造成物體裡的散射粒子位移以及改變物體的折射率。雷射光束200在沿光束行進路徑L2穿透擾動區域300後產生至少一光斑400(如第二圖與第三圖所示)，且雷射光束200沿光束行進路徑L2依序穿透擾動區域300與對焦孔1411後，聚焦於光束行進路徑L2之一聚焦位置K，其中，上述之感光元件151係設置於聚焦位置K。
本發明較佳實施例中，雷射光束200係依序穿透擾動區域300、透鏡142、對焦孔1411與透鏡142a才聚焦於聚焦位置K，而透鏡142與142a所擺設的位置可用於調整聚焦位置K。此外，一般來說，對焦孔1411的孔徑大小係用於遮光，並也可用於遮擋部分穿透過待測物2後的擴束雷射光束200以取得所需要的雷射光束(即將不需要之擴束後的雷射光束200遮擋住)，以調整待測物2在聚焦位置K的聚焦面(例如厚度)，其中，本發明較佳實施例中，對焦孔1411是已先調整完固定的孔徑大小而有固定的聚焦面。
成像裝置15設置於聚焦位置K而接收雷射光束200，藉以生成複數個對應於該些掃描成像位置P1與P2之分層掃描影像500與500a。例如在掃描成像位置P1時，成像裝置15取得分層掃描影像500，在掃描成像位置P2時，成像位置15取得分層掃描影像500a，其中，該些分 層掃描影像500與500a中之至少一者係呈現出該至少一光斑400。
成像裝置15係可將該些分層掃描影像500與500a處理為一組三維的彈性影像600。具體來說，成像裝置15可將分層掃描影像500與500a分別處理為二維的彈性影像，成像裝置15可再組合分層掃描影像500與500a後，進一步重建出三維的彈性影像)。其中，彈性影像600內包含有光斑400以及待測物影像700(例如背景影像與待測物2本身影像的集合)，且需要一提的是，第二圖至第四圖僅為示意。
需要一提的是，本發明較佳實施例僅舉兩個分層掃描影像500與500a及兩個掃描成像位置P1與P2為例，實務上可設有多個掃描成像位置而有多個分層掃描影像，因此不限於此。
此外，由於剪切波S傳遞時會造成待測物2裡的散射粒子位移，當雷射光束200通過此超音波擾動區域300，其雷射光束200之光波的相位會有所改變，導致干涉圖案(光斑圖案)的變化，成像裝置15在成像後，在雷射光斑400圖案上會有局部模糊現象。因此，藉由判斷雷射光斑400之空間上的模糊現象，可達到偵測剪切波S之波前之位置。當剪切波S之波前的位置隨時間變化，即可求得剪切波S傳遞的速度，其中，剪切波S傳遞的速度則與待測物2的彈性有絕對關係。
另外，本發明較佳實施例中，該些掃描成 像位置P1與P2兩兩相鄰之間具有一掃描間距D，對焦裝置14之對焦孔1411係具有複數個孔徑大小(即對焦孔1411可操作地放大或縮小)，藉以依據該些孔徑大小調整掃描間距D，例如孔徑大小愈小，則掃描間距D可調整為小的間距，並可增加剪切波S之速度估算的精準度。其中，縮小對焦孔1411之孔徑的尺寸可增加光斑400的大小以及阻擋在待測物2多次散射的光波，因此，可提升分層掃描影像500與500a中光斑400之圖案的對比度以及清晰度。
此外，成像系統1還可包含一控制裝置17，控制裝置17係電性連接於超音波裝置11與成像裝置15，並可電性連接於活動平台12，控制裝置17可用於控制時序，例如是當活動平台12初始設定於某個位置，控制裝置17會控制超音波裝置11發射超音波U以及成像裝置15的驅動時序，例如控制成像裝置15取得N張影像，使得成像裝置15可依據上述N張影像求得剪切波S在此影像聚焦平面傳遞的狀態，並在求得剪切波S在此影像聚焦平面傳遞的狀態後，控制裝置17再控制活動平台12移動到下一個位置在重複執行上述步驟。
另一實施例中，例如活動平台12移動至掃描成像位置P1，且控制裝置17控制超音波裝置11發送出超音波U後，控制裝置17係可控制成像裝置15即時取像，接著控制裝置17延遲一段時間後使成像裝置15再次取像；接著，活動平台12移動至掃描成像位置P2，且控制裝置17控制超音波裝置11發送出超音波U後，控制裝置17係可控制 成像裝置15即時取像(或是控制曝光時間)，接著在延遲一段時間後使成像裝置15再次取像，也就是說，控制裝置17用於控制超音波裝置11發送出超音波U與取像是否同週期，其係可視實務上之設計而定，藉此可計算得知剪切波S的波速。
舉例來說，當控制裝置17觸發超音波裝置11時，經過100微秒才給予成像裝置15觸發訊號，成像裝置15所拍攝的影像會是剪切波S傳遞100微秒後的狀態，也就是誘發剪切波S後100微秒剪切波S之波陣面所在的位置。透過調控兩個觸發訊號之間的延遲時間，即可完整的偵測剪切波S傳遞時對雷射光斑圖案所造成的擾動。如果延遲時間的調整間距為100微秒，代表剪切波S之成像有效幀速率為10,000幀/秒。
綜合以上所述，在採用本發明所提供之利用超音波產生擾動區域並生成分層掃描影像之成像系統之主要技術手段後，由於採用活動平台、雷射裝置、對焦裝置與成像裝置的技術特徵，因而達成三維彈性影像，並因使用光學掃瞄系統，可有效提升彈性影像的對比度與靈敏度。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。
1‧‧‧成像系統
11‧‧‧超音波裝置
12‧‧‧活動平台
13‧‧‧雷射裝置
14‧‧‧對焦裝置
141‧‧‧孔徑本體
1411‧‧‧對焦孔
142、142a‧‧‧透鏡
15‧‧‧成像裝置
151‧‧‧感光元件
16‧‧‧擴束裝置
17‧‧‧控制裝置
2‧‧‧待測物
21‧‧‧散射物質
200‧‧‧雷射光束
L1‧‧‧活動路徑
L2‧‧‧光束行進路徑
P1、P2‧‧‧掃描成像位置
D‧‧‧掃描間距
K‧‧‧聚焦位置

Claims (6)

  1. 一種利用超音波產生擾動區域並生成分層掃描影像之成像系統，包含：一超音波裝置，係用以將一超音波發送至一超音波發送區域；一活動平台，係至少局部設置於該超音波發送區域，受操作而移動至一活動路徑之複數個掃描成像位置，並用以設置一包含至少一散射物質之待測物，其中當該待測物接收到該超音波時，係在該待測物內產生一剪切波，藉以使該至少一散射物質產生擾動而在該待測物內形成一擾動區域；一雷射裝置，用以沿一光束行進路徑發射出一雷射光束，使該雷射光束在沿該光束行進路徑穿透該擾動區域後產生至少一光斑；一對焦裝置，係設有一位於該光束行進路徑之對焦孔，使該雷射光束沿該光束行進路徑依序穿透該擾動區域與該對焦孔後，聚焦於該光束行進路徑之一聚焦位置；以及一成像裝置，係設置於該聚焦位置而接收該雷射光束，藉以生成複數個對應於該些掃描成像位置之分層掃描影像，使該些分層掃描影像中之至少一者呈現出該至少一光斑，並將該些分層掃描影像處理為一彈性影像。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之利用超音波產 生擾動區域並生成分層掃描影像之成像系統，其中，該散射物質之一散射係數(reduced scattering coefficient)係大於0.2cm-1。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之利用超音波產生擾動區域並生成分層掃描影像之成像系統，其中，該些掃描成像位置兩兩相鄰之間具有一掃描間距，該對焦裝置之該對焦孔係具有複數個孔徑大小，藉以依據該些孔徑大小調整該掃描間距。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之利用超音波產生擾動區域並生成分層掃描影像之成像系統，更包含一擴束裝置，該擴束裝置位於該活動平台與該雷射裝置之間，並位於該光束行進路徑，用以放大該雷射光束之涵蓋區域。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之利用超音波產生擾動區域並生成分層掃描影像之成像系統，其中，該擴束裝置為一凹透鏡與一凸透鏡的組合。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之利用超音波產生擾動區域並生成分層掃描影像之成像系統，該對焦裝置包含：一孔徑本體，係設有該對焦孔；以及 至少二透鏡，該至少二透鏡分別位於該孔徑本體之兩側，並位於該光束行進路徑上，用以調整該聚焦位置。
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