專利名稱：光聲成像設備和光聲成像方法
技術領域：
本發(fā)明涉 及光聲成像設備和光聲成像方法，在其中通過用光照射樣本而從樣本的內部產生的聲波被檢測，并且其檢測信號被處理以便獲得樣本的內部的圖像數據。
背景技術：
在醫(yī)學領域中，用來自光源(諸如激光器)的光照射活體并且執(zhí)行對基于入射光獲得的活體的內部的信息成像的光學成像設備的研究正在積極地進行。光聲層析成像術(PAT)是光學成像技術的一個示例。在光聲層析成像術中，用從光源產生的脈沖光照射活體，并且檢測由已經吸收了被傳播通過活體/在活體中散射的脈沖光的能量的活體組織產生的聲波(典型地為超聲波)。也就是說，通過利用樣本(諸如腫瘤)與除樣本以外的組織的光能吸收率之間的差異，換能器接收在樣本吸收照射樣本的光能并且瞬時膨脹時產生的彈性波。通過數學上分析檢測信號，可以獲得活體的內部的光學特性分布，特別是吸收系數分布。這些信息項可被用于定量測量樣本中的特定物質，諸如血液中包含的葡萄糖和血紅蛋白。近年來，通過使用光聲層析成像術，對小動物的血管執(zhí)行成像的臨床前研究以及應用該原理來診斷例如乳腺癌的臨床研究正在積極地進行。在光聲層析成像術中，通常，在數學上分析檢測信號(重建圖像)的過程中，樣本的內部中的平均聲速被用于計算。一般，基于例如實驗值和參考值來設置在重建圖像中使用的樣本的內部中的平均聲速。然而，由于樣本處的聲速取決于例如樣本的保存方法和制成品，因此如果在重建圖像中使用的平均聲速不同于樣本的內部中的實際聲速，則在用于重建圖像的計算中出現誤差，由此顯著地降低獲得的圖像的分辨率。這是因為一般使用的圖像重建理論假設在成像區(qū)域中傳播的聲波的速度是恒定的。這是基于光聲層析成像術的圖像重建理論的原理的一個問題。討論了使用PAT確定樣本中的聲速的技術的文獻是PTL I。在PTL I中，分別獲得在沒有樣本的情況下通過用光照射非常小的光吸收體(聲發(fā)生器)產生的聲波和通過用光照射樣本產生的聲波。該非常小的光吸收體被安裝在安裝樣本的位置外面。通過將其信號互相比較并且分析它們，可以計算樣本的內部的聲速分布。已知的是，癌癥的組織中的聲速局部地不同于其附近的那些。通過使用根據該方法獲得的圖像，可以診斷樣本。引文列表專利文獻PTL I :歐洲專利 No. 193534
發(fā)明內容
然而，在PTL I中，目的是確定樣本的內部中的聲速分布。PTLl沒有討論或暗示關于確定樣本的內部中的平均聲速的任何事物。也就是說，PTL I的發(fā)明并不旨在克服基于上述PAT所特有的原理的問題。另外，PTL I甚至沒有討論該問題。為了確定樣本中的聲速，必須分別獲得通過用光照射非常小的吸收體(布置在樣本外側)產生的光聲波信號以及通過用光照射樣本產生的光聲波信號。結果，必須執(zhí)行至少兩個光聲信號測量。因此，要求較長的直到形成圖像數據的測量時間。此外，為了確定樣本的內部中的聲速分布，必須從多個方向獲得上述的兩個信號。因此，信號測量的數量以及測量時間被顯著地增加。本發(fā)明基于這種現有技術和問題的理解來實現。本發(fā)明提供一種光聲成像診斷，在其中可以根據在使用PAT執(zhí)行通常的樣本測量時獲得的檢測信號來容易地計算樣本的內部中的平均聲速，以便使用測量的平均聲速來獲得高分辨率的圖像數據。問題的解決方案根據本發(fā)明，提供了一種光聲成像設備，其包括檢測器，被配置為通過檢測通過利用光照射樣本而在該樣本的表面和內部處產生的聲波來輸出檢測信號；以及信號處理單元，被配置為使用該檢測信號來產生圖像數據，其中，該信號處理單元通過使用在該樣本的表面處產生并且傳播通過該樣本的內 部的聲波的檢測信號來計算在該樣本的內部中的平均聲速，并且使用該平均聲速和在該樣本的內部處產生的聲波的檢測信號來產生該圖像數據。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明可以提供一種光聲成像設備，其可以通過接收在樣本的表面處產生的并且傳播通過樣本的內部的光聲波來容易地測量樣本的內部中的平均聲速。這使得可以使用實際測量的平均聲速獲得高分辨率的圖像數據。


圖I是根據本發(fā)明的第一實施例的光聲成像設備的結構的示意圖。圖2是示出本發(fā)明的第一實施例中的示例性的檢測信號處理操作的流程圖。圖3是本發(fā)明的第一實施例中的作為數字信號的示例性的檢測信號的示意圖。[圖4A和圖4B]圖4A示出了在基于本發(fā)明的第一實施例的示例I中獲得的圖像；并且圖4B示出了在假設樣本的內部中的平均聲速時與本發(fā)明無關地獲得的圖像。圖5A是根據本發(fā)明第二實施例的光聲成像設備的結構的示意圖；圖5B示出了在基于本發(fā)明的第二實施例的示例2中獲得的檢測信號；并且圖5C示出了在示例2中獲得的圖像。圖6是根據本發(fā)明的第三實施例的光聲成像設備的結構的示意圖。
具體實施例方式在下面將參考附圖詳細描述本發(fā)明。一般，對應的結構部件被給予相同的附圖標記，并且不會重復相同的描述。第(1-1)個實施例光聲成像設備首先，將參考圖I描述根據一個實施例的光聲成像設備的結構。根據該實施例的光聲成像設備是對樣本的內部的光學特性值信息執(zhí)行成像的設備。根據該實施例的光聲成像設備的基本硬件結構包括光源11、用作檢測器的聲波探頭17和信號處理單元20。從光源11發(fā)出的脈沖光12被光學系統(tǒng)13引導，并且照射樣本15 (例如，活體)，該光學系統(tǒng)13包括例如透鏡、反射鏡和光纖。當已經傳播通過樣本15的內部的光的能量的一部分被諸如血管之類的光吸收體14 (結果用作聲源)吸收時，光吸收體14熱膨脹，使得產生聲波16 (典型地為超聲波)。該聲波也被稱為光聲波。聲波16由聲波探頭17檢測并且由信號獲取單元19轉換為數字信號，在其之后該數字信號被信號處理單元20轉換為樣本的圖像數據。光源11當樣本是活體時，光源11發(fā)射具有被活體的成分之中的特定成分吸收的特定波長的光。光源可以與根據該實施例的成像設備一體化地提供，或者可以與成像設備分離地提供。作為光源，期望的是使用可以產生從幾納秒到幾百納秒量級的脈沖光的脈沖光源。更具體地說，為了有效地產生聲波，使用10納秒量級的脈沖寬度。雖然作為光源期望的是使用激光器(因為獲得大輸出)，但是可以使用例如發(fā)光二極管代替激光器。作為激光器，可以使用各種激光器類型，諸如固態(tài)激光器、氣體激光器、染料激光器和半導體激光器。照射時 間、波形、強度等由控制器(未示出)控制。在本發(fā)明中，對于使用的光源的波長，期望的是選擇由在活體的表面處的皮膚特征地吸收的波長。更具體地說，選擇在從500nm到1200nm的范圍內的波長。這是因為，在下述的處理操作中，變得更容易區(qū)分在樣本的表面(例如，皮膚)處產生的光聲信號和在樣本的內部中的光吸收體(諸如血管)處產生的光聲信號。光學系統(tǒng)13雖然從光源11發(fā)射的光12典型地由光學組件(諸如透鏡和反射鏡)引導到樣本，但是可以使用例如光導(諸如光纖)來傳播光。光學系統(tǒng)13包括例如反射光的反射鏡以及會聚和放大光并且改變光的形狀的透鏡。任何光學組件可以被使用，只要它使得從光源發(fā)射的光12以預定的形狀照射樣本15即可。一般，從增大安全性以及增大活體的診斷區(qū)域的觀點來看，最好是利用透鏡使光的區(qū)域一定程度地增大而不是將該光會聚。另外，期望的是用光照射的樣本的區(qū)域是可移動的。換句話說，期望的是根據本發(fā)明的成像設備被形成為使得從光源產生的光是可沿著樣本移動的。當光可沿著樣本移動時，可以用光照射更寬的范圍。此外，更期望的是，用光(即，照射樣本的光)照射樣本的區(qū)域是可與聲波探頭17同步地移動的。移動用光照射樣本的區(qū)域的方法的示例是使用例如可移動的反射鏡的方法以及機械地移動光源本身的方法。樣本和光吸收體樣本和光吸收體沒有構成根據本發(fā)明的成像設備的一部分，但是下面將被描述。根據本發(fā)明的光聲成像設備主要被設置用于例如診斷人類和動物的惡性腫瘤、血管疾病等、以及觀察化學治療過程。作為樣本，可以診斷活體，更具體地說，人類和動物的胸部、手指、手、腿等。樣本的內部中的光吸收體14具有樣本的內部中的相對高的吸收系數。例如，如果待測量物體是人體，則氧合的血紅蛋白、去氧的血紅蛋白、包括大量這些物質的血管和包括大量新生血管的惡性腫瘤與光吸收體對應。雖然未示出，但是存在于皮膚的表面附近的黑色素作為樣本的表面處的光吸收體存在。在本發(fā)明中，“活體信息”指的是通過光照射產生的聲波的產生源分布，并且指示活體中的初始聲壓分布、從其中推導的光能吸收密度以及從這些信息項獲得的構成組織的物質的濃度分布。例如，物質的濃度分布包括氧飽和度。已經經受成像的這些信息項被稱為圖像數據。聲波探頭17作為檢測使用脈沖光在樣本的內部和表面處產生的聲波的檢測器的聲波探頭17檢測聲波并且將聲波轉換成作為模擬信號的電信號。聲波探頭17在下面可以被簡單稱為“探頭”或者“換能器”。任何光聲波檢測器可以被使用，只要它可以檢測聲信號即可，諸如利用壓電現象的換能器、利用光的諧振的換能器以及利用電容變化的換能器。該實施例中的探頭17典型地包括一維地或者二維地布置的多個接收元件。通過以這種方式使用多維地布置的元件，可以同時地在多個位置處檢測聲波，以便減少檢測時間，并且減少例如樣本的振動的影響。
平板I8在該實施例中，樣本15被平板18a擠壓并且固定。通過平板18a執(zhí)行光照射。平板18a保持樣本，并且由用于使光透射通過其的光學透明材料形成。典型地，使用壓克力(acryl)0當它還必須透射聲波時，為了抑制反射，期望的是使用其聲阻抗沒有與樣本的聲阻抗有較大不同的材料。當樣本是活體時，典型地使用例如聚甲基戊烯。雖然平板18a可以被形成為任何厚度，只要平板18a足夠堅固來抑制在平板18a保持樣本時平板18a的變形即可，但是該厚度典型地為IOmm的量級。雖然平板18a可以具有任何尺寸，只要它可以保持樣本即可，但是平板18a的尺寸基本上與樣本的尺寸相同。雖然在圖I中平板18a僅僅被設置在光照射側并且探頭17直接接觸樣本15，但是平板可以沿著探頭17的整個表面被設置。也就是說，樣本可以由基本上彼此平行地布置的第一平板和第二平板從兩側擠壓和固定。光源被布置在第一板18a—側，并且探頭17被布置在第二板(在圖I中未示出)一側。信號獲取單元19期望的是根據該實施例的成像設備包括信號獲取單元19，該信號獲取單元19放大從探頭17獲得的電信號并且將電信號從模擬信號轉換為數字信號。信號獲取單元19典型地由例如放大器、A/D轉換器和現場可編程門陣列(FPGA)芯片形成。當存在從探頭獲得的多個檢測信號時，期望的是多個信號被同時處理。這使得可以減少直到形成圖像的時間。在本說明書中，術語“檢測信號”為指的是從探頭17獲得的模擬信號以及在模數轉換之后其后獲得的數字信號的概念。另外，檢測信號還被稱為“光聲信號”。信號處理單元20信號處理單元20計算樣本的內部中的平均聲速。該計算是本發(fā)明的特性特征。使用從樣本的內部處產生的聲波獲得的檢測信號以及以上計算的平均聲速，產生樣本的內部的圖像數據(也就是說，重建圖像)。雖然稍后更詳細地描述，但是基于從在樣本的表面處產生并且傳播通過樣本內部的聲波(第一聲波)獲得的檢測信號計算平均聲速是本發(fā)明的特性特征。在基于傳播通過樣本內部的聲波實際計算平均聲速中，計算值是樣本的內部中的平均聲速的實際測量值。由于通過用光照射樣本在樣本的表面和內部兩者處產生聲波，因此在利用一些想法執(zhí)行信號處理時，可以通過一個光照射操作來計算平均聲速并且產生樣本的內部的圖像數據。在信號處理單元20中，典型地使用例如工作站?；谙惹熬幊痰能浖?zhí)行平均聲速的計算、圖像重建處理等。例如，在工作站中使用的軟件包括兩個模塊，即，用于根據檢測信號確定平均聲速和用于減少噪聲的信號處理模塊以及用于圖像重建的圖像重建模塊。在光聲層析成像術中，通常，作為在圖像重建之前執(zhí)行的預處理操作，對在每個位置處接收的信號執(zhí)行例如噪聲減少。期望的是利用信號處理模塊執(zhí)行這種預處理操作。在圖像重建模塊中，圖像數據由圖像重建形成。作為圖像重建算法，應用例如通常在層析成像技術中使用的傅里葉域或者時域中的反投影方法。使用PAT的示例性的圖像重建方法典型地包括傅里葉變換方法、通用的反投影方法以及濾波反投影法。由于這些方法也使用平均聲速作為參數，因此期望的是在本發(fā)明中準確地實際測量平均聲速。根據情況，信號獲取單元19和信號處理單元20可以被彼此集成。在該情況下，可以不僅通過在工作站處執(zhí)行的軟件處理操作而且通過硬件處理操作來產生樣本的圖像數據。顯示設備21顯示設備21顯示由信號處理單元20輸出的圖像數據。例如，液晶顯示設備典型 地用作顯示設備21。顯示設備21可以與根據本發(fā)明的診斷成像設備分離地被設置。檢測信號的處理接下來，將參考圖2和圖3描述由信號處理單元20執(zhí)行的樣本的內部中的平均聲速的計算。下面的數字對應于指示圖2中的處理步驟的數字。處理步驟(I) (S201)是在其中檢測信號數據被分析以便計算從用脈沖光照射持續(xù)到檢測到第一聲波的第一時間(tsurfacJ的步驟。從圖I所示出的信號獲取單元19獲得的數字信號(參見圖3)被分析以便指定第一時間(tsurfacJ。通常，在用脈沖光照射樣本15時，如圖3所示，觀察到具有N型形狀的多個信號。這些信號主要是從在存在于樣本內部的光吸收體14 (在活體的情況下，諸如血液)處和在樣本的表面(在活體的情況下，諸如皮膚的表面上的色素)處產生的光聲波獲得的檢測信號。在用光照射的樣本的表面處產生相對大的光聲波的理由在于，即使樣本的表面的光吸收系數小，用于照射樣本的表面的光的強度也比在樣本的內部處的強度大。在圖3所不出的不例中，附圖標記A表不根據從存在于樣本的內部的光吸收體14產生的光聲波獲得的檢測信號，并且附圖標記B表示從在樣本的表面處產生的光聲波獲得的檢測信號。在圖3中，脈沖光照射的時刻t是O。如果考慮光速和樣本的尺寸，則可以說在執(zhí)行用脈沖光的照射的同時，從它們的各個位置同時地產生光聲波。也就是說，脈沖光傳播通過樣本的內部的時間少至與聲波的傳播時間(即，聲波的測量時間)相比是可忽略的。在下面將描述區(qū)分在樣本的內部中產生的光聲信號A和在樣本的表面處產生的光聲信號B的方法。在該實施例中，從固定到擠壓板18a的樣本的表面產生第一聲波。當如圖I所不地將探頭17布置在樣本的與光學照射區(qū)域相對的一側的表面處時,在樣本的表面處產生的光聲波比從樣本的內部中的光吸收體14產生的光聲波更遲到達探頭17。通過利用該特性，可以容易地將它與其它光聲信號(例如圖3中的A)區(qū)分開。也就是說，能夠確定最后檢測到的大的光聲波是第一聲波。如果用光照射的樣本的表面通過例如如在該實施例中的平板被形成為如圖I所示的平坦表面，則從樣本的表面產生的光聲波像平面波一樣傳播。與此對比，由于樣本的內部中的光吸收體足夠地小于光學照射區(qū)域，因此光聲波16通常像球面波一樣傳播。圖I中的虛線A和B表示光聲波的波面?？紤]這種傳播特性的差異，期望的是執(zhí)行用于增強從在樣本的表面處產生的聲波獲得的檢測信號的信號處理。這使得可以精確地檢測第一聲波，使得計算平均聲速的精確度增大。下面描述該處理的具體的示例。例如，可以相互比較通過多個接收元件檢測的檢測信號。當多個接收元件接觸樣本的表面時，平面波在基本上相同的時刻到達多個接收元件。然而，球面波在不同的時刻到達多個接收元件。因此，這種比較使得可能將從樣本的表面產生的聲波與從樣本的內部產生的聲波區(qū)分開。在各個接收元件處檢測的所有檢測信號可以在所有接收元件處被平均。術語“所有檢測信號”意指通過接收表面處的光聲波和樣本的內部處的光聲波兩者獲得的所有檢測信號。在該處理中，在多個接收兀件處，來源于來自樣本的表面的聲波并且同時檢測到的檢測信號被加強，并且來源于來自樣本的內部的聲波并且在不同的時刻檢測到的檢測信號被減弱。即使對于包括例如噪聲的信號，也可以僅僅指定在樣本的表面處產生的光聲信號。
作為指定從在樣本的表面處產生的聲波獲得的檢測信號的方法，可以使用利用模式匹配的方法。例如，模式匹配被執(zhí)行以便指定從樣本的表面產生的聲波所特有的N型檢測信號，并且指定的N型檢測信號的時間位置被定義為第一時間tsurf_。更具體地說，在最小峰值或者最大峰值處的N型信號的時間位置被定義為tsurf_。在使用上述方法減少除從由樣本的表面產生的聲波獲得的檢測信號以外的檢測信號之后，例如，可以使用通過搜索最大值和最小值來檢測從在樣本的表面處產生的聲波獲得的N型檢測信號的峰值的方法。即使在該方法中，在最小峰值或者最大峰值處的N型信號的時間位置也被定義為tsurt■。通過例如上述方法，可以計算第一時間tsmfaM。在根據從樣本的表面產生的聲波獲得的N型檢測信號的最大峰值和最小峰值處的時間位置之中，這些時間位置中的哪個是第一時間取決于探頭的特性。處理步驟⑵(S202)是根據第一時間(tsurfaJ和樣本的表面與檢測器之間的距離來計算樣本的內部中的平均聲速的步驟。根據通過上述處理獲得的第一時間(tsurfaJ以及在光照射位置處的樣本的表面與探頭之間的距離Cl1來計算樣本的平均速度cav6Mg6。這里，平均速度cav6Mg6可以通過下面給出的簡單的表達式(I)來獲得Caverage=B1/tsurface (I)在其中探頭17被直接設置在樣本15上的實施例中，在第一時間(tsmfac;e)上第一聲波僅僅傳播通過樣本的內部，使得可以使用上述表達式計算平均聲速。這意味著可以通過使用在樣本的表面處產生并且傳播通過樣本的內部的聲波來實際測量樣本的平均聲速。在圖I所示出的實施例中，距離Cl1是從固定到第一板18a的樣本的表面到探頭的距離。距離Cl1可以作為已知值被包括在該實施例中的信號處理模塊中，或者可以是可通過可移動板18a的位置控制而測量的。距離Cl1可以是可利用任何距離傳感器測量的，或者可以從利用例如可以對整個樣本執(zhí)行成像的照相機執(zhí)行的樣本的形狀的測量的結果獲得。處理步驟(3) (S203)是通過使用計算的平均聲速處理在樣本的內部處產生的聲波的檢測信號以便形成樣本的內部的圖像數據的步驟。通過使用通過處理步驟(2)獲得的平均聲速Caverage以及從信號獲取單元19輸出的多個數字檢測信號來執(zhí)行圖像重建處理，使得形成與樣本的光學特性有關的數據。例如，在一般的光聲層析成像術中使用的傅里葉域或者時域中的反投影是合適的。通過執(zhí)行上述步驟，可以通過僅僅使用通過用光照射樣本獲得的信號容易地計算平均聲速，并且通過在圖像重建中使用該平均聲速來獲得其分辨率沒有由于聲速的差別而降低的圖像。
示例 I將使用圖I中示出的設備的示意圖來描述應用有該實施例的使用光聲層析成像術的示例性成像設備。在該示例中，作為光源11，使用產生1064nm波長處的約10納秒的脈沖光的Q開關YAG激光器。從脈沖激光12發(fā)射的光脈沖的能量為0.6J。使用光學系統(tǒng)13 (諸如反射鏡和光束擴展器)，脈沖光被擴展為約2cm的半徑?；铙w的模型(phantom)或模擬被用作樣本15。對于模型，使用具有明膠的1%英脫利匹特(Intralipid)。模型中的平均聲速是1512m/sec的已知值。模型的尺寸為如下，即其寬度為12cm,其高度為8cm,并且其深度為4cm。作為光吸收體14，具有0. 03cm直徑的黑色橡膠絲被埋置在模型的中心附近。作為將模型放入探頭17與具有Icm的厚度的壓克力板18a之間的結果，使用距離傳感器獲得的模型的深度方向上的厚度(Cl1)為4cm。用脈沖光12照射在深度方向上具有這種指定厚度的模型。作為聲波探頭17，使用由鋯鈦酸鉛(PZT)形成的超聲換能器。換能器為二維陣列類型并且是方形的，其中元件的數量為18X18，并且元件間距為2mm。每個元件的寬度為大約2mm。光聲探頭可與光照射區(qū)域同步地在模型的平面的方向上移動，并且能夠對 較大區(qū)域執(zhí)行成像。如圖I所示，當在模型的一側(即，模型的與探頭相對的一側)的平面被脈沖光照射時，通過在模型的光照射側的表面處的光吸收產生的光聲波和通過由橡膠絲吸收在模型中散射的光而產生的光聲波被產生。通過使用該超聲換能器，由324個通道同時接收光聲波。通過使用包括放大器、AD轉換器和FPGA的信號獲取單元19，獲得在每個通道處的光聲信號的數字數據。為了提高每個信號的S/N比，執(zhí)行利用激光的照射36次，以便將獲得的所有檢測信號在時間方面求平均。其后，獲得的數字數據段被傳送到用作信號處理單元20的工作站(WS)并且存儲在WS中。接下來，對于所存儲的接收數據，將對于所有元件的接收的數據段求平均。結果如下。由于對于從模型中的光吸收體產生的光聲信號，對于各個元件的各個接收的數據段的檢測時刻彼此不同，因此這些光聲信號由于求平均而被顯著地減小。與此對比，由于對于在樣本的表面處產生的光聲信號，對于各個元件的各個接收的數據段的檢測時刻基本上相同，因此這些光聲信號通過求平均而相對于其它信號被增強。接下來，對于所有檢測信號的平均信號，檢測到最小信號值，使得與最小值對應的時間被定義為在樣本的表面處產生的光聲信號的檢測時間。結果，獲得的檢測時間大約為26. 5微秒。從檢測時間和模型在深度方向上的厚度獲得的模型中的平均聲速為1510m/sec。這基本上匹配模型中的實際聲速。在通過離散小波變換對檢測信號執(zhí)行噪聲減少操作之后，通過使用計算出的模型中的平均聲速來執(zhí)行圖像重建。這里，通過使用作為時域方法的通用反投影方法，形成體數據。這里使用的體元間隔為0.05cm。成像范圍為11.8cmX11.8cmX4. 0cm。此時獲得的示例性圖像被示出在圖4A中。接下來，在沒有測量模型中的平均聲速的情況下，假設模型中的平均聲速等于1540m/sec，對應于活體中的平均聲速，并且使用存儲在WS中的檢測信號數據段來再次執(zhí)行圖像重建。此時獲得的示例性圖像被示出在圖4B中。比較圖4A和圖4B，明顯的是，對于經受在1510m/sec的平均聲速處的圖像重建的圖像而言的由橡膠絲產生的初始聲壓的寬度比對于經受在1540m/sec的平均聲速處的圖像重建的圖像時的小。另外,經受在1510m/sec的平均聲速處的圖像重建的圖像具有更少的污點。換句話說，它的分辨率提高。因此，當不能估計樣本中的平均聲速時，在本發(fā)明中，可以通過實際測量樣本中的平均聲速來抑制分辨率的降低。第(1-2)個實施例在第(1-1)個實施例中，探頭17被直接設置在樣本15處。然而，在本實施例中，假設樣本在其各側處由基本上彼此平行布置的第一平板和第二平板擠壓和固定。探頭17被設置在第二平板的表面處。在該情況下，在由第一板固定的樣本的表面處產生的聲波被定義為第一聲波。由于第一聲波不僅在它傳播通過樣本的內部之后而且在它傳播通過第二板之后由探頭17接收，因此在第(1-1)個實施例中說明的第一時間(tsurfaJ不再是第一聲波穿過樣本的內部所花費的時間。因此，當除樣本的內部以外的區(qū)域被包括在平均聲速的計算不可缺少的第一聲波直到它到達探頭17所經過的路徑中時，必須考慮這個來確定平均聲速。更具體地說，從第一時間(tsurfacJ中減去第一聲波穿過第二板所需的時間，使得計算第一聲波穿過樣本的內部所需的第二時間。“第一聲波穿過第二板所需的時間”可以作為根據第二板的厚度和第二板中的聲速(從材料獲得的特性值)的已知值被包括在信號處理 模塊中。樣本的內部中的第一聲波的傳播距離可以與第一板和第二板之間的距離d2相等。如果在表達式(I)中第二時間代替第一時間(tsurfJ并且d2代替距離Cl1，則可以實際測量樣本中的平均聲速。第二實施例在第一實施例中，通過僅僅使用從一個位置產生的聲波(第一聲波)來計算平均聲速。在第二實施例中，通過使用在樣本的多個表面處產生的聲波來計算平均聲速。也就是說，根據從第一聲波和第二聲波獲得的檢測信號來計算平均聲速，第二聲波產生在與產生第一聲波的樣本的表面不同的樣本的表面處。這將在下面基于不例2進行描述。示例2將參考圖5A描述其中在使用光聲層析成像術的成像設備中激光被用于從兩個方向照射的示例2。根據示例2的成像設備的基本結構除了樣本15被放入兩個板18a和18b之間以便調整樣本的尺寸之外與根據示例I的成像設備的基本結構相同。也就是說，通過控制板之間的間隔來調整樣本的尺寸。每個板的厚度為lcm。樣本可以從探頭17—側通過板18b和沿與示例I中相同的方向被照射。使用的模型是具有與氨甲酸乙酯橡膠混合的墨和氧化鈦的一個模型。模型的尺寸為如下，即其寬度為8cm，其高度為8cm，并且其深度為5cm。具有直徑為0. 5cm的柱狀并且作為混合大量墨的結果而相對于基體材料具有高吸收系數的光吸收體被埋置在模型中。作為將模型放入這兩個板之間的結果，使用距離傳感器獲得的模型的深度方向上的厚度為4. 9cm。用脈沖光12從模型的兩側照射以該方式調整其在深度方向上的厚度的模型。兩個光源同步地發(fā)射脈沖光。作為探頭17，使用由鋯鈦酸鉛(PZT)形成的超聲換能器。換能器為二維陣列類型并且是方形的，其中元件的數量為
15X 23，并且元件間距為2mm。每個元件的寬度為大約2mm。作為用光照射這種模型的結果，從由第一板18a和第二板18b固定的模型的表面產生第一聲波和第二聲波，并且還從模型中的光吸收體產生聲波。超聲換能器在345個通道處同時地接收這些聲波。然后，通過使用包括放大器、AD轉換器和FPGA的信號獲取單元19，獲得在所有通道處的光聲信號的數字數據項。示例性的接收到的信號被示出在圖5B中。圖5B中的附圖標記B表示在模型的探頭側表面處產生的聲波(第二聲波)的檢測信號。附圖標記A表示在模型中的光吸收體處產生的光聲波的檢測信號。附圖標記B’表示作為用光照射的結果的在模型的與探頭相對的一側的表面處產生的光聲波(第一聲波)的檢測信號。第一聲波穿過模型的內部和第二板18b，并且到達探頭17。與此對比，第二聲波沒有穿過模型的內部。第二聲波僅僅穿過第二板18b，并且到達探頭17。第一聲波穿過第二板花費的時間和第二聲波穿過第二板花費的時間相同。因此，如果計算出第一 和第二聲波的檢測時刻之間的差(即，B和B’之間的35. 8微秒的時間差)，則獲得第一聲波僅僅穿過模型的內部花費的時間。當通過將該時間除以4. 9cm (即，模型的表面之間的距離)來計算模型中的平均聲速時，它是1370m/sec。接下來，通過使用根據在所有通道處的光聲信號的接收的數字數據段計算的平均聲速，執(zhí)行圖像重建。在這里，通過使用作為時域法的通用的反投影方法形成體數據。在這時候使用的體元間隔是0. 025cm。成像范圍是3. OcmX4. 6cmX4. 9cm。在這時候獲得的示例性的圖像被示出在圖5C中。在該圖像中，布置在模型中的光吸收體經受成像。其位置匹配模型中的光吸收體的實際位置。當光吸收體的圖像被分析時，分辨率大約為2_，其基本上匹配2mm的理論分辨率極限。因此，當樣本中的平均聲速未知時，可以通過使用本發(fā)明獲得其分辨率沒有降低的圖像。在這樣的實施例中，可以通過將第一聲波的檢測時刻與第二聲波的檢測時刻之間的差除以產生第一聲波的樣本的表面與產生第二聲波的樣本的表面之間的距離來計算平均聲速。當第一聲波和第二聲波直到它們到達探頭17為止采用的路徑為公共的，并且第一和第二聲波采用的路徑的長度之間的差對應于樣本的內部的長度時，該計算方法是有效的。在該實施例中，由于可以通過使用第一聲波的檢測時刻和第二聲波的檢測時刻之間的差來計算平均聲速，因此沒有必要如第一實施例中那樣精確地知道使用脈沖光照射的時刻。因此，從不受由外界因素(諸如光源系統(tǒng)的不穩(wěn)定性)所引起的測量誤差的影響的觀點來看，該實施例是有利的。雖然在本實施例中第二板18b不是必需的，但是即使第二板18b沿著探頭17的整個表面存在，也通過用于消除時間差的操作抵消聲波穿過第二板18b花費的時間。因此，不要求如第(1-2)個實施例中那樣的校正。在該實施例中，不是必須如示例2中那樣照射樣本的兩側?？梢匀绲谝粚嵤├心菢觾H僅照射樣本的一側。當照射一側時，照射固定到第一板的樣本的表面的光可以在被衰減的同時傳播通過樣本的內部，并且到達樣本的在相對側的表面。在該情況下,可以從樣本的在相對側的表面產生非常弱的第二聲波。然而，如果樣本的厚度是4cm量級，則即使從可靠地消除時間差的觀點來看，第二聲波也必須具有一定的強度。因此，期望的是從兩側照射樣本。在該實施例中，不需要示例2中的距離傳感器。在產生第一聲波的樣本的表面與產生第二聲波的樣本的表面之間的距離可以是已知的距離。第三實施例雖然在第一和第二實施例中至少一個平板18a被用來固定樣本，但是本發(fā)明不限于此。下面將描述其中通過在其形狀不由板調整的樣本處設置探頭17來實現測量的示例3。示例3將參考圖6所示出的設備的示意圖描述示例3。根據該示例的設備的基本結構與示例I和2的設備的基本結構類似。然而，根據示例3的設備包括測量樣本的形狀的照相機22。使用照相機22捕獲樣本。根據其圖像的分析，計算在探頭17和光照射區(qū)域之間的距離d3。由于在樣本的表面處產生的聲波在它到達探頭17之前僅僅穿過樣本的內部，因此可以使用在第(1-1)個實施例中示出的表達式(I)。代替距離Cl1，距離d3被輸入，以便計算平均聲速。然后，通過使用計算的平均聲速，重建關于樣本的活體的信息。因此，即使樣本的形狀復雜，只要樣本的形狀可以通過使用照相機而確認，也可以計算樣本中的平均聲速 并且獲得其分辨率沒有降低的圖像。第四實施例本發(fā)明通過執(zhí)行以下的操作來執(zhí)行。即，通過網絡或各種存儲介質將用于實現上述實施例中的功能的軟件(程序)提供給系統(tǒng)或設備，并且系統(tǒng)或設備的計算機(或CPU、MPU等)讀出并執(zhí)行該程序。雖然已經參考示例性實施例描述了本發(fā)明，但是應當理解，本發(fā)明不限于所公開的示例性實施例。以下權利要求的范圍將被給予最寬的解釋從而包括所有這樣的修改、等同的結構與功能。本申請要求2010年2月8日提交的日本專利申請No. 2010-025864的權益，該日本專利申請其整體通過參考被并入于此。附圖標記列表11 光源17聲波探頭18 平板20信號處理單元
權利要求
1.一種光聲成像設備，包括 檢測器，被配置為通過檢測通過利用光照射樣本而在該樣本的表面和內部處產生的聲波來輸出檢測信號；以及 信號處理單元，被配置為使用該檢測信號來產生圖像數據， 其中，該信號處理單元通過使用在該樣本的表面處產生并且傳播通過該樣本的內部的聲波的檢測信號來計算在該樣本的內部中的平均聲速，并且使用該平均聲速和在該樣本的內部處產生的聲波的檢測信號來產生該圖像數據。
2.根據權利要求I所述的光聲成像設備，其中該信號處理單元根據該樣本的表面與該 檢測器之間的距離并且根據從用脈沖光照射樣本時到檢測到聲波之中的第一聲波時的時間來計算該樣本的內部中的平均聲速。
3.根據權利要求I所述的光聲成像設備，其中該信號處理單元根據從該檢測器基于在聲波之中的第一聲波和在聲波之中的第二聲波獲得的檢測信號來計算該樣本的內部中的平均聲速，第二聲波被產生在與產生第一聲波的樣本的表面不同的樣本的表面處。
4.根據權利要求3所述的光聲成像設備，其中該信號處理單元通過將第一聲波的檢測時刻與第二聲波的檢測時刻之間的差除以產生第一聲波的樣本的表面與產生第二聲波的樣本的表面之間的距離來計算該樣本的內部中的平均聲速。
5.根據權利要求I到4中的任何一個所述的光聲成像設備,其中考慮到對于從在該樣本的內部和表面處產生的聲波的檢測獲得的所有檢測信號，在該樣本的表面處產生的聲波與在該樣本的內部處產生的聲波之間的傳播特性的差異，該信號處理單元執(zhí)行用于增強從在該樣本的表面處產生的聲波獲得的檢測信號的處理，指定從在該樣本的表面處產生的聲波獲得的檢測信號，并且根據該檢測信號計算該樣本的內部中的平均聲速。
6.根據權利要求5所述的光聲成像設備，其中該檢測器包括多個接收元件，并且該處理對應于將在該檢測器的多個接收元件處檢測到的所有檢測信號的數據項求平均。
7.根據權利要求I所述的光聲成像設備，還包括 第一平板和第二平板，被布置為基本上相互平行并且被配置為從該樣本的兩側擠壓和固定該樣本， 其中第一光源被布置在第一平板一側，并且該檢測器被布置為接觸第二平板，以及 其中在由第一平板固定的樣本的表面處產生的聲波對應于在聲波之中的第一聲波。
8.根據權利要求7所述的光聲成像設備，其中該信號處理單元根據固定到第一平板的樣本的表面與該檢測器之間的距離并且根據從用脈沖光照射樣本時到檢測到第一聲波時的第一時間來計算該樣本的內部中的平均聲速。
9.根據權利要求8所述的光聲成像設備，其中該信號處理單元通過從第一時間中減去第一聲波穿過第二板所花費的時間來計算第一聲波穿過該樣本的內部所需的第二時間，并且通過將第二時間除以第一平板與第二平板之間的距離來計算該樣本的內部中的平均聲速。
10.根據權利要求I所述的光聲成像設備，其中該信號處理單元通過將第一聲波的檢測時刻與第二聲波的檢測時刻之間的差除以產生第一聲波的樣本的表面與產生第二聲波的樣本的表面之間的距離來計算該樣本的內部中的平均聲速，第一聲波和第二聲波是從由第一板和第二板固定的樣本的表面產生的，檢測時刻是由該檢測器檢測的。
11.根據權利要求10所述的光聲成像設備，其中與第一光源同步地產生光的第二光源被布置在第二板一側。
12.—種光聲成像方法，在其中通過檢測通過利用光照射樣本而在該樣本的表面和內部處產生的聲波來輸出檢測信號，并且使用該檢測信號來產生圖像數據，該方法包括如下步驟 通過使用在該樣本的表面處產生并且傳播通過該樣本的內部的聲波的檢測信號來計算在該樣本的內部中的平均聲速，以及 使用該平均聲速和在該樣本的內部處產生的聲波的檢測信號來產生該圖像數據。
13.一種程序，執(zhí)行根據權利要求12所述的光聲成像方法的各個步驟。
全文摘要
一種光聲成像設備包括檢測器(17)，其通過檢測通過利用光照射樣本(15)而在該樣本的表面和內部處產生的聲波來輸出檢測信號；以及信號處理單元，使用該檢測信號來產生圖像數據。該信號處理單元通過使用在該樣本的表面處產生并且傳播通過該樣本的內部的聲波的檢測信號來計算在該樣本的內部中的平均聲速，并且使用該平均聲速和在該樣本的內部處產生的聲波的檢測信號來產生該圖像數據。
文檔編號G01N29/24GK102740776SQ201180008210
公開日2012年10月17日 申請日期2011年2月1日 優(yōu)先權日2010年2月8日
發(fā)明者淺尾恭史, 福谷和彥 申請人:佳能株式會社