專利名稱：光聲成像裝置和光聲成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光聲成像裝置和光聲成像方法。
背景技術(shù)：
在醫(yī)療領(lǐng)域中關(guān)于光學(xué)成像裝置的研究積極進(jìn)展，所述光學(xué)成像裝置用于從諸如激光的光源將光照射到生物組織上并且產(chǎn)生基于入射的光獲得的關(guān)于生物組織的信息作為圖像數(shù)據(jù)。包括光聲斷層掃描(PAT)的光聲成像是一種光學(xué)成像技術(shù)。在光聲成像的情況下，從光源產(chǎn)生的脈沖光被照射到生物組織上，并且從生物組織產(chǎn)生的聲波(彈性波，一般為超聲波)在多個(gè)位置處被檢測(cè)，該聲波吸收了在生物組織中傳播并擴(kuò)散的脈沖光的能
量。換句話說(shuō)，使用諸如腫瘤的被檢體區(qū)域和組織的另一區(qū)域之間的光學(xué)能量的吸收率的差異，在被檢體區(qū)域通過(guò)吸收照射的光學(xué)能量而瞬時(shí)膨脹時(shí)所產(chǎn)生的聲波被探針接收。通過(guò)數(shù)學(xué)分析該檢測(cè)信號(hào)，可以獲得生物組織中的光學(xué)特征分布，特別是吸收系數(shù)分布。該信息可被用于定量地測(cè)量被檢體中的諸如包含于血液中的葡萄糖和血紅蛋白之類的特定物質(zhì)。近年來(lái)，使用光聲成像來(lái)將小動(dòng)物的血管成像的臨床前研究和將該理論應(yīng)用來(lái)診斷乳腺癌等的臨床研究正在迅速進(jìn)展(非專利文獻(xiàn)I)。在光聲成像中，在光被照射到其上的區(qū)域和用于檢測(cè)聲波的聲波探針的檢測(cè)表面處于被檢體的同一表面上的狀態(tài)下所執(zhí)行的測(cè)量被稱為反射測(cè)量(或反射模式)。在反射測(cè)量的情況下，如果光被照射到探針的正下方的區(qū)域上以將光學(xué)能量有效地傳播到甚至是被檢體的深區(qū)域，那么在來(lái)自探針的輸出信號(hào)中觀察到大的信號(hào)，該大的信號(hào)是由于通過(guò)探針的測(cè)量表面的正下方的被檢體的表面上的光吸收而產(chǎn)生的光聲波導(dǎo)致的。在這種情況下，觀察到一信號(hào)，該信號(hào)和從被檢體內(nèi)的光吸收體產(chǎn)生的光聲信號(hào)相疊加，并且作為結(jié)果，光吸收體的光學(xué)特征圖像劣化，這是一個(gè)問題。在非專利文獻(xiàn)2中提出用于解決該問題的方法。在非專利文獻(xiàn)2中，使用暗場(chǎng)照明方法，其中從探針的側(cè)邊照射光而不在探針的正下方照射光。根據(jù)該方法，由于不從探針的檢測(cè)表面的正下方的被檢體的表面產(chǎn)生大的光聲波，因此可以精確地測(cè)量從被檢體內(nèi)的光吸收體產(chǎn)生的光聲波，并且可以產(chǎn)生被檢體內(nèi)的光吸收體的圖像數(shù)據(jù)而不是其光學(xué)特征劣化。[引文列表][非專利文獻(xiàn)]NPL I :“Photoacoustic imaging in biomedicine”Μ· Xu，L V. Wang，REVIEW OFSCIENTIFIC INSTURUMENT, 77，041104，2006NPL 2 IiiIn vivo dark-field reflection-mode photoacoustic microscopy’K.Maslov, G. Stoicaj L V. Wang, Optics Letters, Vol. 30，No. 6，625，200
發(fā)明內(nèi)容
[技術(shù)問題]
但是，在光不被照射到探針的檢測(cè)表面的正下方的區(qū)域上的非專利文獻(xiàn)2的情況下，與將光照射到探針的檢測(cè)表面的正下方的區(qū)域上的情況相比，難以有效地將光傳播到生物組織中。因此，可被成像的區(qū)域(特別是深度方向上的區(qū)域)受到限制。鑒于以上情況，本發(fā)明的目的是提供一種技術(shù)，用于在光聲成像圖裝置中減小從被檢體的表面產(chǎn)生的光聲波的影響。[問題的解決方案]本發(fā)明提供了一種光聲成像裝置，包括
光源；多個(gè)檢測(cè)元件，用于檢測(cè)從被檢體的表面和所述被檢體內(nèi)的光吸收體產(chǎn)生的聲波，并將聲波轉(zhuǎn)換成檢測(cè)信號(hào)，所述被檢體的表面和所述被檢體內(nèi)的光吸收體吸收了從所述光源照射的光；以及信號(hào)處理器，用于基于由所述多個(gè)檢測(cè)元件檢測(cè)的檢測(cè)信號(hào)來(lái)產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)，其中所述信號(hào)處理器具有傅立葉變換器，用于在空間方向上對(duì)在相同的接收時(shí)間由所述多個(gè)檢測(cè)元件檢測(cè)的信號(hào)執(zhí)行傅立葉變換以獲得空間頻率信號(hào)，以及逆傅立葉變換器，用于在從所述空間頻率信號(hào)中減小表現(xiàn)出小于預(yù)定頻率的分量之后執(zhí)行逆傅立葉變換以獲得第二信號(hào)；以及所述信號(hào)處理器使用所述第二信號(hào)產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)。本發(fā)明還提供了一種光聲成像方法，包括信息處理器使多個(gè)檢測(cè)元件檢測(cè)從被檢體的表面和所述被檢體內(nèi)的光吸收體產(chǎn)生的聲波、并將聲波轉(zhuǎn)換成檢測(cè)信號(hào)的步驟，所述被檢體的表面和所述被檢體內(nèi)的光吸收體吸收了從光源照射的光；所述信息處理器在空間方向上對(duì)在相同的接收時(shí)間由所述多個(gè)檢測(cè)元件檢測(cè)的檢測(cè)信號(hào)執(zhí)行傅立葉變換、并獲得空間頻率信號(hào)的步驟；所述信息處理器在從所述空間頻率信號(hào)中減小表現(xiàn)出小于預(yù)定頻率的分量之后執(zhí)行逆傅立葉變換、并獲得第二信號(hào)的步驟；以及所述信息處理器使用所述第二信號(hào)產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)的步驟。本發(fā)明還提供了一種用于使信息處理器執(zhí)行以下步驟的光聲成像程序使多個(gè)檢測(cè)元件檢測(cè)從被檢體的表面和所述被檢體內(nèi)的光吸收體產(chǎn)生的聲波、并將聲波轉(zhuǎn)換成檢測(cè)信號(hào)的步驟，所述被檢體的表面和所述被檢體內(nèi)的光吸收體吸收了從光源照射的光；在空間方向上對(duì)在相同的接收時(shí)間由所述多個(gè)檢測(cè)元件檢測(cè)的檢測(cè)信號(hào)執(zhí)行傅立葉變換、并獲得空間頻率信號(hào)的步驟；在從所述空間頻率信號(hào)中減小表現(xiàn)出小于預(yù)定頻率的分量之后執(zhí)行逆傅立葉變換、并獲得第二信號(hào)的步驟；以及使用所述第二信號(hào)產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)的步驟。[本發(fā)明的有利效果]根據(jù)本發(fā)明，可以在光聲成像裝置中減小從被檢體的表面產(chǎn)生的光聲波的影響。
參照附圖根據(jù)以下示例性實(shí)施例的描述，本發(fā)明的其它特征將變得明顯。


圖I是描繪光聲成像裝置的配置的示圖；圖2是描繪檢測(cè)信號(hào)的處理的流程圖；圖3是描繪檢測(cè)信號(hào)的處理的示圖；圖4是描繪例子I的傅立葉變換的處理的示圖；圖5示出例子I的光聲成像裝置的配置和獲得的圖像；以及圖6示出例子2的光聲成像裝置的配置和獲得的圖像。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明。作為規(guī)則，用相同的附圖標(biāo)記表示相同的構(gòu)成元素，并且省略其重復(fù)描述。(光聲成像裝置)將參照?qǐng)DI描述本實(shí)施例的光聲成像裝置的配置。本實(shí)施例的光聲成像裝置是用于產(chǎn)生被檢體內(nèi)的光學(xué)特征值信息作為圖像數(shù)據(jù)的裝置。光學(xué)特征值信息通常指光吸收能量密度分布或吸收系數(shù)分布。作為基本硬件配置，本實(shí)施例的光聲成像裝置具有光源11、作為聲波檢測(cè)器的聲波探針17和信號(hào)處理器20。從光源11發(fā)射的脈沖光12被例如包含透鏡、反射鏡、光纖和擴(kuò)散板的光學(xué)系統(tǒng)13引導(dǎo)，同時(shí)被處理為希望的光分布輪廓，并且被照射到諸如生物組織的被檢體15上。如果在被檢體15內(nèi)傳播的光的能量的一部分被諸如血管的光吸收體(最終變?yōu)槁曉?14吸收，那么通過(guò)光吸收體14的熱膨脹產(chǎn)生聲波(一般為超聲波)16。它也被稱為光聲波。聲波16被聲波探針17檢測(cè)，通過(guò)信號(hào)收集器19放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)信號(hào)處理器20轉(zhuǎn)換為被檢體的圖像數(shù)據(jù)。(光源11)光源產(chǎn)生要被照射到被檢體上的光。如果被檢體是生物組織，那么從光源11照射具有被構(gòu)成生物組織的部分中的特定部分吸收的特定波長(zhǎng)的光。光源可與本實(shí)施例的光聲成像裝置集成，或者可被設(shè)置為單獨(dú)的單元。對(duì)于光源，可產(chǎn)生幾納秒到幾百納秒量級(jí)的脈沖光作為照射光的脈沖光源是優(yōu)選的。具體而言，為了有效地產(chǎn)生光聲波，使用約10納秒脈沖寬度。優(yōu)選地將可實(shí)現(xiàn)大的輸出的激光器作為光源，但是，可以使用發(fā)光二極管等來(lái)代替激光器。對(duì)于激光器，可以使用各種激光器，包括固態(tài)激光器、氣體激光器、光纖激光器、染料激光器和半導(dǎo)體激光器。通過(guò)未示出的光源控制單元來(lái)控制照射定時(shí)、波形和強(qiáng)度等。在本發(fā)明中，如果被檢體是生物組織，那么優(yōu)選地使用光可傳播到被檢體內(nèi)的區(qū)域的波長(zhǎng)。具體而言，500nm或更大、1200nm或更小。(光學(xué)系統(tǒng)13)從光源11照射的光12 —般通過(guò)諸如透鏡和反射鏡之類的光學(xué)部件在被處理為希望的光分布輪廓的同時(shí)被引導(dǎo)到被檢體，但是還可通過(guò)使用諸如光纖的光學(xué)波導(dǎo)被傳播。光學(xué)系統(tǒng)13例如是用于反射照射光的反射鏡、用于收集、擴(kuò)展或改變光的輪廓的透鏡以及用于擴(kuò)散光的擴(kuò)散板。如果從光源發(fā)射的光12可以以希望的輪廓被照射到被檢體15上的話，那么可以使用任何光學(xué)部件。根據(jù)生物組織的安全性和更寬的診斷區(qū)域，優(yōu)選的是將光擴(kuò)展到某一區(qū)域而不是通過(guò)透鏡收集光。為了有效地將光能量傳播到被檢體，優(yōu)選的是使用將光照射到聲波探針17的檢測(cè)表面的正下方的被檢體表面22上的光學(xué)系統(tǒng)13。為了將更多的光能量傳播到被檢體，優(yōu)選的是使用在面向聲波探針17的被檢體表面的方向上將光照射到被檢體上的光學(xué)系統(tǒng)
13。還優(yōu)選的是用于將光照射到被檢體上的區(qū)域是可移動(dòng)的。換句話說(shuō)，優(yōu)選的是將光聲成像裝置構(gòu)建為使得從光源產(chǎn)生的光可在被檢體上移動(dòng)。如果可移動(dòng)的話，那么光可以在更寬的范圍中被照射。更優(yōu)選的是光被照射到被檢體上(光要被照射到被檢體上)的區(qū)域與聲波探針17同步地移動(dòng)。用于移動(dòng)光被照射到被檢體上的區(qū)域的方法例如可以是用于使用可移動(dòng)反射鏡的方法或者用于機(jī)械移動(dòng)光源自身的方法。(被檢體15和光吸收體14)它們不是光聲成像裝置的一部分，但將在下面描述。光聲成像裝置的主要目的例 如是診斷人和動(dòng)物的惡性腫瘤和血管病癥以及觀察化學(xué)治療的進(jìn)展。因此，假定的被檢體15是生物組織，具體而言，是諸如人和動(dòng)物體的乳房、手指和四肢之類的診斷目標(biāo)區(qū)域。被檢體內(nèi)的光吸收體14是在被檢體中具有相對(duì)高的吸收系數(shù)的區(qū)域，并且，如果測(cè)量目標(biāo)是人體，那么例子是氧化血紅蛋白或還原血紅蛋白、包含高水平的兩者的血管或者包含許多新生血管的惡性腫瘤。另一例子是在被注入到身體中來(lái)顯襯特定區(qū)域的造影劑，諸如靛青綠(ICG)和亞甲藍(lán)(MB)。被檢體表面22上的光吸收體的例子是存在于皮膚的表面周圍的黑色素。在下文中，生物信息指通過(guò)光照射產(chǎn)生的聲波產(chǎn)生源的分布。換句話說(shuō)，生物信息是生物組織中的初始聲壓分布、從其導(dǎo)出的光學(xué)能量吸收密度分布、吸收系數(shù)分布以及從該信息獲得的構(gòu)成生物組織的物質(zhì)(特別是氧化血紅蛋白和還原血紅蛋白)的密度分布。物質(zhì)的密度分布的例子是氧飽和度。該生物信息被產(chǎn)生作為圖像數(shù)據(jù)。(聲波探針17)作為用于檢測(cè)通過(guò)脈沖光在被檢體的表面上以及被檢體內(nèi)產(chǎn)生的聲波的檢測(cè)器的聲波探針17檢測(cè)聲波并將聲波轉(zhuǎn)換為作為模擬信號(hào)的電信號(hào)。在下文中，聲波探針可被簡(jiǎn)稱為探針。如果可檢測(cè)聲波信號(hào)，那么可以使用任何聲波檢測(cè)器，例如使用壓電現(xiàn)象的檢測(cè)器、使用光的共振的檢測(cè)器以及使用電容的變化的檢測(cè)器。本實(shí)施例的探針17典型的是一維或二維排列多個(gè)檢測(cè)元件的探針。如果使用這種多維排列的元件，那么可以同時(shí)在多個(gè)位置檢測(cè)聲波，并且可以縮短檢測(cè)時(shí)間，以及還可以減小被檢體的振動(dòng)的影響。(被檢體表面平坦化構(gòu)件18)根據(jù)本實(shí)施例，優(yōu)選地通過(guò)設(shè)置被檢體表面平坦化構(gòu)件18來(lái)使光照射區(qū)域中的被檢體15的表面輪廓平坦化。如果被檢體的光照射區(qū)域已經(jīng)是平坦的了，那么被檢體表面平坦化構(gòu)件18不是必需的。在不設(shè)置被檢體表面平坦化構(gòu)件18的情況下，優(yōu)選地將聲波探針17和被檢體15經(jīng)由諸如水或凝膠之類的液體接觸，使得聲波探針17和被檢體15有效地接收聲波。任何部件可用于被檢體表面平坦化構(gòu)件18，如果該部件具有使被檢體的表面輪廓平坦化的功能的話。如果被檢體表面平坦化構(gòu)件18被設(shè)置在聲波探針和被檢體之間，那么探針和被檢體被聲學(xué)稱合。為了將光照射到聲波探針的正下方的被檢體的表面上，使用光學(xué)透明以透過(guò)光并且其聲學(xué)阻抗接近被檢體的材料。典型地，在被檢體為生物組織的情況下，例如，使用透明并具有接近生物組織的聲學(xué)阻抗的聚甲基戊烯。如果光被照射到面向探針的被檢體的表面上，那么不需要考慮聲學(xué)阻抗，因此可以使用任何透光的光學(xué)透明材料，并且典型地可以使用諸如丙烯酸的塑料板或玻璃板。(信號(hào)收集器19)優(yōu)選地，本實(shí)施例的成像裝置具有信號(hào)收集器19，該信號(hào)收集器19放大由探針17獲得的電信號(hào)并將電信號(hào)從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。典型地，信號(hào)收集器19由放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和FPGA (現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)芯片等構(gòu)成。如果從探針獲得多個(gè)檢測(cè)信號(hào)，那么優(yōu)選地可同時(shí)處理多個(gè)信號(hào)。由此，可以減小產(chǎn)生圖像的時(shí)間。在本說(shuō)明書中，檢測(cè)信號(hào)是包括從探針17獲得的模擬信號(hào)和該模擬信號(hào)被A/D轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字信號(hào)的概念。檢測(cè)信號(hào)也被稱為光聲信號(hào)。(信號(hào)處理器20)信號(hào)處理器20執(zhí)行減小在被檢體的表面上產(chǎn)生的光聲波信號(hào)的處理，該處理是本發(fā)明的特征處理。然后，信號(hào)處理器20使用在減小處理之后獲得的檢測(cè)信號(hào)來(lái)產(chǎn)生并獲 得被檢體內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)。雖然在后面描述細(xì)節(jié)，但是本發(fā)明的特征在于，通過(guò)使用在被檢體的表面上產(chǎn)生的光聲波信號(hào)和從被檢體內(nèi)的光吸收體產(chǎn)生的光聲波之間的特性的差異，執(zhí)行減小在被檢體的表面上產(chǎn)生的光聲波信號(hào)的處理。對(duì)于信號(hào)處理器20，一般使用工作站等，以通過(guò)預(yù)編程軟件來(lái)執(zhí)行減小在被檢體的表面上產(chǎn)生的光聲波信號(hào)的處理和圖像重構(gòu)處理等。例如，在工作站上運(yùn)行的軟件具有兩個(gè)模塊信號(hào)處理模塊，用于執(zhí)行減小在被檢體的表面上產(chǎn)生的光聲波信號(hào)的處理和噪聲減小處理；以及，圖像重構(gòu)模塊，用于重構(gòu)圖像以產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)。在光聲成像中，作為重構(gòu)圖像之前的預(yù)處理，一般對(duì)在各位置接收的信號(hào)執(zhí)行噪聲減小處理等，并且優(yōu)選地在信號(hào)處理模塊中執(zhí)行這些處理。在圖像重構(gòu)模塊中，通過(guò)圖像重構(gòu)產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)，并且，作為圖像重構(gòu)算法，執(zhí)行例如一般在斷層掃描技術(shù)中使用的時(shí)域或傅立葉域中的逆投影。如果對(duì)于圖像重構(gòu)可以花費(fèi)時(shí)間，那么也可使用諸如使用重復(fù)處理的逆問題分析方法之類的圖像重構(gòu)方法。如非專利文獻(xiàn)2所示，PAT的圖像重構(gòu)方法的典型例子是傅立葉變換方法、通用背投影方法和過(guò)濾背投影方法。為了減小圖像重構(gòu)時(shí)間，優(yōu)選的是使用安裝于作為信號(hào)處理器20的工作站中的GPU (圖形處理單元)。如果接收信號(hào)已經(jīng)與深度方向上的圖像成比例(例如使用其觀察點(diǎn)受限的焦點(diǎn)型(focus type)聲波探針)，那么圖像重構(gòu)不是必需的，并且，接收信號(hào)可被直接轉(zhuǎn)換為圖像數(shù)據(jù)。這種處理也在圖像重構(gòu)模塊中執(zhí)行。信號(hào)收集器19和信號(hào)處理器20可被集成。在這種情況下，可通過(guò)硬件處理來(lái)代替在工作站上執(zhí)行的軟件處理而產(chǎn)生被檢體的圖像數(shù)據(jù)?？梢哉f(shuō)，信號(hào)處理器20是傅立葉變換器和逆傅立葉變換器的組合，該傅立葉變換器執(zhí)行傅立葉變換，該逆傅立葉變換器減小或去除小于等于預(yù)定頻率的分量，并執(zhí)行逆傅立葉變換以將信號(hào)返回到時(shí)間信號(hào)(對(duì)應(yīng)于本發(fā)明的第二信號(hào))。如果信號(hào)處理器20被實(shí)現(xiàn)為軟件，那么可以認(rèn)為傅立葉變換器和逆傅立葉變換器對(duì)應(yīng)于模塊的每個(gè)功能。(顯示器21)顯示器21是用于基于由信號(hào)處理器20輸出的圖像數(shù)據(jù)顯示圖像的裝置，并且典型地，使用液晶顯示器。可以與光聲圖像診斷裝置分開地設(shè)置顯示器。(檢測(cè)信號(hào)處理)現(xiàn)在將參照?qǐng)D2、圖3和圖4描述信號(hào)處理器20減小在被檢體的表面上產(chǎn)生的光聲波信號(hào)的處理，該處理是本發(fā)明的特征。以下描述中的步驟號(hào)與圖2中的流程圖中的步驟號(hào)對(duì)應(yīng)。處理[I](步驟S201):在空間方向(檢測(cè)元件的陣列方向)上對(duì)檢測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)執(zhí)行傅立葉變換的步驟。在作為聲波檢測(cè)元件的陣列方向的空間方向上，在相同的檢測(cè)時(shí)間對(duì)從圖I所示的信號(hào)收集器19獲得的數(shù)字信號(hào)執(zhí)行傅立葉變換。這里，作為例子，將描述如圖3A所示的一維陣列探針的情況。首先，通過(guò)橫軸上的檢測(cè)元件號(hào)(例如，I至N)和縱軸上的接收時(shí)間(例如，O秒至t秒)映射由各檢測(cè)(接收)元件31獲得的各檢測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生其等級(jí)是接收聲壓值的二維陣列數(shù)據(jù)。圖3B是二維陣列數(shù)據(jù)的圖像，亮度表示接收聲壓值的等級(jí)(黑色表示接收聲壓較高的區(qū)域)。這里的接收時(shí)間意味著從作為光照射的接收開始時(shí)間到通過(guò)檢測(cè)元件接收從被檢體內(nèi)的區(qū)域產(chǎn)生的光聲波的結(jié)束的時(shí)間。圖3C示出了在圖3B中的虛線的位置上的檢測(cè)元件(第i個(gè))的檢測(cè)信號(hào)的例子。 在圖3C中，橫軸是接收時(shí)間，縱軸是接收聲壓。通常，如果脈沖光被照射到被檢體15上，那么，作為檢測(cè)信號(hào)，觀察到多個(gè)N形聲壓信號(hào)，如圖3C所示。接收時(shí)間為零時(shí)的點(diǎn)是照射脈沖光的時(shí)間。這些N型信號(hào)主要是光聲波的檢測(cè)信號(hào)，所述光聲波從被檢體內(nèi)的光吸收體14 (例如，生物組織的情況下的血液)和被檢體的表面(例如，生物組織的情況下的皮膚表面上的色素)產(chǎn)生。在被檢體的表面上產(chǎn)生的光聲波的聲壓通常比從被檢體內(nèi)的光吸收體產(chǎn)生的光聲波的聲壓高(大)。在光被照射到其上的被檢體的表面上產(chǎn)生相對(duì)高(大)的光聲波的原因在于，即使被檢體表面自身的光吸收系數(shù)比被檢體內(nèi)的光吸收體的光吸收系數(shù)小，照射到表面上的光的強(qiáng)度也比被檢體內(nèi)的區(qū)域高。在圖3C中的例子中，A表示由于在探針的檢測(cè)表面的正下方的被檢體的表面22上產(chǎn)生的光聲波而導(dǎo)致的檢測(cè)信號(hào)區(qū)域，B表示由于從被檢體內(nèi)的光吸收體14產(chǎn)生的光聲波而導(dǎo)致的檢測(cè)信號(hào)區(qū)域。同樣在圖I中，A表不從被檢體的表面產(chǎn)生的光聲波，B表不從被檢體內(nèi)的光吸收體產(chǎn)生的光聲波。如圖3C所示，如果在接收光聲波A的同時(shí)接收來(lái)自被檢體內(nèi)的光吸收體的光聲波B，那么變得難以相互區(qū)分光聲波A和光聲波B。作為結(jié)果，變得難以獲得希望的圖像。這將使用例子I和例子2中的圖像進(jìn)行描述。同樣在上述圖3B中，時(shí)域A表不接收由于在被檢體的表面上產(chǎn)生的光聲波而導(dǎo)致的檢測(cè)信號(hào)的時(shí)間，時(shí)域B表示接收由于從被檢體內(nèi)的光吸收體14產(chǎn)生的光聲波而導(dǎo)致的檢測(cè)信號(hào)的時(shí)間。然而，圖3B中的光聲波A的檢測(cè)信號(hào)幾乎同時(shí)被各檢測(cè)元件檢測(cè)，光聲波B的檢測(cè)信號(hào)的檢測(cè)時(shí)間依賴于檢測(cè)元件而不同?，F(xiàn)在將描述其原因。如圖I所示，如果通過(guò)例如布置被檢體表面平坦化構(gòu)件18來(lái)將被檢體的表面與探針的接收表面平行設(shè)置而使光均勻照射，那么從被檢體的表面產(chǎn)生的光聲波如平面波那樣傳播(如圖I中的A所示)，并且被探針17接收。另一方面，由于被檢體內(nèi)的光吸收體充分地小于光照射區(qū)域，因此光聲波16在許多情況下如球面波那樣傳播(如圖I中的B所示)，并且被探針17接收。由于傳播特性的這種差異，因此獲得具有圖3B所示的特性的光聲信號(hào)。在通常的光聲成像中，圖3B中的光聲波A的強(qiáng)度(亮度)依賴于照射到被檢體的表面上的光的分布。換句話說(shuō)，雖然A中的檢測(cè)信號(hào)的幅度在相同的接收時(shí)間中不是恒定的，但是其等級(jí)與光照射分布強(qiáng)度成比例的聲壓被檢測(cè)。因此，為了統(tǒng)一在圖3B中的A中的同一接收時(shí)間上的接收強(qiáng)度，優(yōu)選地通過(guò)照射到被檢體上的光的強(qiáng)度分布將各檢測(cè)元件的檢測(cè)信號(hào)歸一化。換句話說(shuō)，優(yōu)選地執(zhí)行諸如將各檢測(cè)信號(hào)乘以光強(qiáng)度分布的倒數(shù)之類的處理。在本發(fā)明中，在檢測(cè)元件的陣列方向上對(duì)相同的接收時(shí)間上的各接收數(shù)據(jù)執(zhí)行傅立葉變換，以產(chǎn)生二維空間頻率數(shù)據(jù)。圖3D示出了通過(guò)在橫軸上繪制空間頻率并在縱軸上繪制接收時(shí)間而產(chǎn)生的二維空間頻率數(shù)據(jù)的圖像，其中將亮度視為頻率分量的強(qiáng)度。如果探針的檢測(cè)元件是二維排列的，那么可在各方向上對(duì)陣列執(zhí)行傅立葉變換(二維傅立葉變換)，或者可一維地排列二維陣列以使得在該陣列方向上執(zhí)行傅立葉變換。在圖3D中，K'是從被檢體的表面產(chǎn)生的光聲波的特征頻率分量，B,是從被檢體內(nèi)的光吸收體產(chǎn)生的特征頻率分量。圖3E是描繪同一接收時(shí)間上的圖3D中的虛線的區(qū)域的數(shù)據(jù)的圖形。在圖3E中，縱軸是各頻率分量的強(qiáng)度，橫軸是空間頻率。同樣在圖3E中，A'表示從被檢體的表面產(chǎn)生的光聲波的特征頻率分量，B'表示從被檢體內(nèi)的光吸收體產(chǎn)生的光聲波的特征頻率分量。 如圖3D和圖3E中的例子所示，從被檢體的表面產(chǎn)生的光聲波的檢測(cè)信號(hào)同時(shí)被各檢測(cè)器檢測(cè)。換句話說(shuō)，在相同的接收時(shí)間接收具有相同幅度的信號(hào)，因此，在檢測(cè)元件的陣列方向上的空間頻率信號(hào)包含許多低頻分量信號(hào)，低頻分量信號(hào)的主要分量是DC分量。另一方面，從被檢體內(nèi)的光吸收體產(chǎn)生的光聲波的檢測(cè)信號(hào)與上述情況相比包含許多高頻分量，這是因?yàn)榻邮諘r(shí)間根據(jù)元件而不同。換句話說(shuō)，如果在空間方向上對(duì)檢測(cè)信號(hào)執(zhí)行傅立葉變換，那么可清楚地區(qū)分從被檢體的表面產(chǎn)生的光聲波的接收時(shí)域A和在被檢體內(nèi)產(chǎn)生的光聲波的接收時(shí)域B。處理[2](步驟S202):在空間頻率信號(hào)中減小由于從被檢體的表面產(chǎn)生的光聲波的檢測(cè)信號(hào)而導(dǎo)致的頻率分量(預(yù)定頻率分量)的步驟。在該處理中，在通過(guò)上述處理獲得的空間頻率信號(hào)中消除圖3D中的A'，以產(chǎn)生圖4A所示的信號(hào)。這里的A,的信號(hào)區(qū)域的值充分地小于B,的信號(hào)區(qū)域的值，因此它可以為零或者只是減小到小的值。由于從被檢體的表面產(chǎn)生的光聲波的檢測(cè)信號(hào)而導(dǎo)致的頻率分量的主要分量是DC分量。因此，要在本發(fā)明中減小的預(yù)定頻率分量是DC分量。但是，在實(shí)際的檢測(cè)信號(hào)中，由于光照射分布等的影響，不僅包含DC分量，還包含低頻分量，如圖3E所示。因此，要在本發(fā)明中減小的預(yù)定頻率是直到由圖3E中的箭頭標(biāo)記表示的點(diǎn)的頻率的頻率分量。這意味著，直到由箭頭標(biāo)記表示的點(diǎn)的頻率代表根據(jù)本發(fā)明的預(yù)定頻率。例如，如果d是在檢測(cè)元件的陣列方向上的檢測(cè)器的長(zhǎng)度(探針寬度)、基波的空間頻率f是f=Ι/d并且nf是第η個(gè)諧波的頻率(η是整數(shù))，那么小于根據(jù)本發(fā)明的預(yù)定頻率的頻率指DC分量和第η個(gè)諧波的頻率分量。值η依賴于諸如光照射分布的裝置配置，因此它不能被定義。這意味著值η是裝置特有的參數(shù)。因此，優(yōu)選地通過(guò)分析從裝置獲得的信號(hào)來(lái)基于實(shí)驗(yàn)確定值η。處理[3](步驟S203):在空間頻率方向上對(duì)處理[2]中獲得的信號(hào)執(zhí)行逆傅立葉變換并將其轉(zhuǎn)換為時(shí)間信號(hào)的步驟。在頻率方向上對(duì)處理[2]中獲得的相同接收時(shí)間上的空間頻率信號(hào)執(zhí)行逆傅立葉變換。例如，在頻率方向上在圖4Α中執(zhí)行逆傅立葉變換，然后，[圖4Α]被轉(zhuǎn)換成第二檢測(cè)信號(hào)，如圖4Β所示。如作為本發(fā)明的處理之前和之后的狀態(tài)的圖3Β和圖4Β的比較所示，從被檢體的表面產(chǎn)生的光聲波的檢測(cè)信號(hào)已減小。如果在處理[I]中通過(guò)光照射強(qiáng)度將檢測(cè)信號(hào)歸一化，那么優(yōu)選地將獲得的第二檢測(cè)信號(hào)乘以光強(qiáng)度來(lái)將它們轉(zhuǎn)換為原始的檢測(cè)信號(hào)值區(qū)域。處理[4](步驟S204):使用處理后的檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生被檢體內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)的步驟。使用處理[3]中獲得的數(shù)字檢測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)來(lái)執(zhí)行圖像構(gòu)建處理，以產(chǎn)生與被檢體的光學(xué)特征值分布有關(guān)的圖像數(shù)據(jù)。在這種情況下，如果使用其中在被檢體的表面上產(chǎn)生的光聲波的檢測(cè)信號(hào)被減小的信號(hào)(如圖4B所示)，那么僅僅與被檢體內(nèi)的光吸收體有關(guān)的圖像數(shù)據(jù)可以被產(chǎn)生，并且診斷圖像可以被創(chuàng)建而沒有圖像劣化。雖然可以使用任何圖像重構(gòu)方法，但是通常使用例如在產(chǎn)生光聲成像中使用的時(shí)域或傅立葉域中的逆投影(參見非專利文獻(xiàn)2)。如上所述，如果圖像重構(gòu)處理不是必需的，那么處理[3]中獲得的數(shù)字檢測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)被直接轉(zhuǎn)換為圖像。通過(guò)執(zhí)行以上步驟，僅僅從被檢體的表面產(chǎn)生的光聲波的檢測(cè)信號(hào)可以被減小，并且，通過(guò)使用在該減小處理之后產(chǎn)生的檢測(cè)信號(hào)來(lái)進(jìn)行圖像重構(gòu)，可以產(chǎn)生圖像數(shù) 據(jù)而不劣化被檢體內(nèi)的光吸收體的光學(xué)特征值分布?！蠢?>將描述應(yīng)用本實(shí)施例的光聲成像裝置的例子。圖I和圖5A中的不意圖用于描述。在本例子中，以波長(zhǎng)1064nm產(chǎn)生約10納秒脈沖光的Q開關(guān)YAG激光器用于光源11。從脈沖激光束12發(fā)射的光學(xué)脈沖的能量是O. 6J。光學(xué)系統(tǒng)13被設(shè)置為使得在使用發(fā)射鏡、光束擴(kuò)展器等的光學(xué)系統(tǒng)13將脈沖光擴(kuò)展到約Icm半徑之后，脈沖光通過(guò)光束分離器被分成兩個(gè)，并且光被照射到探針的正下方的被檢體上。對(duì)于被檢體15，使用模擬生物組織的矩形模型(phantom)，如圖5A所示。這里使用的模型是通過(guò)瓊脂-瓊脂固化的l%Intralipid。模型的尺寸是6cm寬、6cm高和5cm深。在該模型中，如圖5A所示，固化為2_直徑圓柱并通過(guò)墨著色的三個(gè)被檢體被嵌入中心周圍作為光吸收體14。在通過(guò)由聚乙烯戊烯構(gòu)成的Icm厚板型構(gòu)件18使模型的光照射表面22平坦化之后，經(jīng)由板18接觸探針。為了聲學(xué)耦合，在板18和探針之間并在模型和板之間應(yīng)用凝膠。在這樣設(shè)置的模型中，脈沖光12被照射到探針17的正下方的模型的表面上。對(duì)于聲波探針17，使用由PZT (鋯鈦酸鉛)制成的探針。該探針是元件的數(shù)量為324 (18*18)并且在各方向上元件間距為2mm的二維陣列類型。元件的尺寸約為2*2mm2。如圖I和圖5A所示，如果脈沖光12被照射到探針17的正下方的模型的表面上，那么產(chǎn)生由于光照射側(cè)的模型的表面的光吸收而導(dǎo)致的光聲波和由于吸收在模型中擴(kuò)散的光的圓柱光吸收體14而導(dǎo)致的光聲波。這些光聲波經(jīng)由324個(gè)通道同時(shí)被探針17接收，并且使用由放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和FPGA構(gòu)成的信號(hào)收集器19來(lái)獲得檢測(cè)信號(hào)，以獲得所有通道中的光聲信號(hào)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。為了提高信號(hào)的S/N比，將激光照射30次，并且將所有獲得的檢測(cè)信號(hào)的時(shí)間值進(jìn)行平均。然后，獲得的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)被傳送到作為信號(hào)處理器20的工作站(WS)中，并被存儲(chǔ)于WS中。接著，基于存儲(chǔ)的接收數(shù)據(jù)，通過(guò)在X軸和Y軸上繪制在探針陣列方向上的元件號(hào)并在Z軸上繪制接收時(shí)間，產(chǎn)生三維陣列信號(hào)。在元件陣列方向上對(duì)各接收時(shí)間在三維陣列數(shù)據(jù)上執(zhí)行二維傅立葉變換，以產(chǎn)生三維空間頻率數(shù)據(jù)。在各接收時(shí)間上的空間頻率信號(hào)的低頻側(cè)的前三個(gè)點(diǎn)的值被設(shè)置為零之后，執(zhí)行二維逆傅立葉變換，并通過(guò)在X軸和Y軸上繪制在陣列方向上的元件號(hào)并在Z軸上繪制接收時(shí)間，將結(jié)果重新轉(zhuǎn)換為三維排列的檢測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)。然后，使用該數(shù)據(jù)來(lái)重構(gòu)圖像。這里，使用作為時(shí)域方法的通用背投影方法來(lái)產(chǎn)生三維體積數(shù)據(jù)。這里使用的三維像素間隔是O. 05cm。成像范圍是3. 6cm*3. 6cm*4. 0cm。圖5B表示在這種情況下獲得的圖像(斷層掃描圖像)的例子。另一方面，使用存儲(chǔ)于WS中的檢測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)來(lái)直接重構(gòu)圖像，而不減小從被檢體的表面產(chǎn)生的光聲波的檢測(cè)信號(hào)。圖5C示出了在這種情況下獲得的圖像(斷層掃描圖像)的例子。圖5B和圖5C均示出了模型中心附近的二維斷面。比較圖5B和圖5C。在圖5C中，在接收時(shí)間的多個(gè)點(diǎn)處檢測(cè)由于在模型的表面上產(chǎn)生的光聲波因?yàn)槎嘀胤瓷浜推渌蚨鴮?dǎo)致的信號(hào)，并且作為結(jié)果，在深度方向(Z方向)上線性圖像出現(xiàn)在各種位置處。另一方面，在圖5B中，接收的由于在模型的表面上產(chǎn)生的聲波而導(dǎo)致的信號(hào)被減小，因此由于光聲信號(hào)而導(dǎo)致的圖像被減小，并且，模型內(nèi)的光吸收
體的圖像比圖5C更清楚地顯示。以這種方式，通過(guò)減小由于從被檢體的表面產(chǎn)生的光聲信號(hào)而導(dǎo)致的接收數(shù)據(jù)，可以在不使圖像劣化的情況下產(chǎn)生被檢體內(nèi)的光吸收體的圖像。〈例子2>參照?qǐng)D6A，作為例子2將描述不需要被檢體平坦化構(gòu)件18的光聲成像裝置的情況。本例子的基本配置與例子I相同，但是，在探針17和被檢體15之間不存在被檢體平坦化構(gòu)件18。對(duì)于被檢體15，使用模擬生物組織的模型。這里使用的模型通常與例子I相同。為了與聲波探針17聲學(xué)匹配，模型被設(shè)置在填充有水的罐槽61中，以經(jīng)由水接觸探針17。在這樣設(shè)置的模型中，脈沖光12被照射到探針17的檢測(cè)表面的正下方的模型的表面上。對(duì)于聲波探針17，使用與例子I相同的探針。然后，照射到模型上的光的強(qiáng)度分布被測(cè)量并存儲(chǔ)于作為信號(hào)處理器的WS中。與例子I同樣，通過(guò)光照射產(chǎn)生的光聲波被探針接收，并且，獲得的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)被存儲(chǔ)于WS中。存儲(chǔ)的接收數(shù)據(jù)通過(guò)照射到模型上的光的照射分布被歸一化。接著，對(duì)歸一化后的數(shù)據(jù)執(zhí)行與例子I相同的處理，并產(chǎn)生信號(hào)數(shù)據(jù)，在該信號(hào)數(shù)據(jù)中由于從被檢體的表面產(chǎn)生的光聲波而導(dǎo)致的檢測(cè)信號(hào)被減小。在將該信號(hào)數(shù)據(jù)乘以光照射分布之后，如例子I那樣重構(gòu)圖像，并產(chǎn)生體積數(shù)據(jù)。圖6B示出了在這種情況下獲得的斷層掃描圖像的例子。另一方面，直接使用存儲(chǔ)于WS中的檢測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)來(lái)重新重構(gòu)圖像，而在不減小從被檢體的表面產(chǎn)生的光聲波的檢測(cè)信號(hào)。圖6C示出了在這種情況下獲得的斷層掃描圖像的例子。比較圖6B和圖6C。在圖6C中，清楚地顯示了基于由于在模型的表面上產(chǎn)生的光聲波導(dǎo)致的檢測(cè)信號(hào)而產(chǎn)生的線性圖像。另一方面，在圖6B中，由于在模型的表面上產(chǎn)生的光聲波而接收的信號(hào)被減小，因此，由于該信號(hào)而導(dǎo)致的圖像被減小，并且模型內(nèi)的光吸收體的圖像相比于上述圖5B被更清楚地顯示。以這種方式，通過(guò)從用光強(qiáng)度分布?xì)w一化的檢測(cè)信號(hào)減小由于從被檢體的表面產(chǎn)生的光聲信號(hào)而導(dǎo)致的接收數(shù)據(jù)，可以在不使圖像劣化的情況下產(chǎn)生被檢體內(nèi)的光吸收體的圖像?？梢砸愿鞣N模式來(lái)體現(xiàn)本發(fā)明而不限于上述例子。例如，本發(fā)明可以被視為一種光聲成像方法，用于裝置的各構(gòu)成元件來(lái)照射光并檢測(cè)信號(hào)，并且用于信息處理器(信號(hào)處理器)來(lái)產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)。本發(fā)明也可被視為一種光聲成像程序，用于控制裝置的各構(gòu)成元件并使信息處理器產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)。雖然已參照示例性實(shí)施例說(shuō)明了本發(fā)明，但應(yīng)理解，本發(fā)明不限于公開的示例性實(shí)施例。以下的權(quán)利要求的范圍應(yīng)被賦予最寬泛的解釋以包含所有的修改方式以及等同的結(jié)構(gòu)和功能。本申請(qǐng)要求于2010年4月2日提交的日本專利申請(qǐng)No. 2010-086360的權(quán)益，從 而通過(guò)引用將其全部?jī)?nèi)容合并于此。
權(quán)利要求
1.一種光聲成像裝置，包括 光源； 多個(gè)檢測(cè)元件，用于檢測(cè)從被檢體的表面和所述被檢體內(nèi)的光吸收體產(chǎn)生的聲波，并將聲波轉(zhuǎn)換成檢測(cè)信號(hào)，所述被檢體的表面和所述被檢體內(nèi)的光吸收體吸收了從所述光源照射的光；以及 信號(hào)處理器，用于基于由所述多個(gè)檢測(cè)元件檢測(cè)的檢測(cè)信號(hào)來(lái)產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)，其中 所述信號(hào)處理器具有 傅立葉變換器，用于在空間方向上對(duì)在相同的接收時(shí)間由所述多個(gè)檢測(cè)元件檢測(cè)的信號(hào)執(zhí)行傅立葉變換以獲得空間頻率信號(hào)，以及 逆傅立葉變換器，用于在從所述空間頻率信號(hào)中減小表現(xiàn)出小于預(yù)定頻率的分量之后執(zhí)行逆傅立葉變換以獲得第二信號(hào)；以及 所述信號(hào)處理器使用所述第二信號(hào)產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光聲成像裝置，其中 所述信號(hào)處理器在根據(jù)照射在所述被檢體的表面上的光的強(qiáng)度分布將檢測(cè)信號(hào)歸一化之后執(zhí)行傅立葉變換。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的光聲成像裝置，其中 所述多個(gè)檢測(cè)元件是二維排列的。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的光聲成像裝置，其中 所述空間方向是排列所述多個(gè)檢測(cè)元件的方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項(xiàng)所述的光聲成像裝置，還包括被設(shè)置在所述多個(gè)檢測(cè)元件和所述被檢體之間并且使所述被檢體的表面輪廓平坦化的構(gòu)件。
6.一種光聲成像方法，包括 信息處理器使多個(gè)檢測(cè)元件檢測(cè)從被檢體的表面和所述被檢體內(nèi)的光吸收體產(chǎn)生的聲波、并將聲波轉(zhuǎn)換成檢測(cè)信號(hào)的步驟，所述被檢體的表面和所述被檢體內(nèi)的光吸收體吸收了從光源照射的光； 所述信息處理器在空間方向上對(duì)在相同的接收時(shí)間由所述多個(gè)檢測(cè)元件檢測(cè)的檢測(cè)信號(hào)執(zhí)行傅立葉變換、并獲得空間頻率信號(hào)的步驟； 所述信息處理器在從所述空間頻率信號(hào)中減小表現(xiàn)出小于預(yù)定頻率的分量之后執(zhí)行逆傅立葉變換、并獲得第二信號(hào)的步驟；以及 所述信息處理器使用所述第二信號(hào)產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光聲成像方法，還包括所述信息處理器在執(zhí)行傅立葉變換之前根據(jù)照射在所述被檢體的表面上的光的強(qiáng)度分布將檢測(cè)信號(hào)歸一化的步驟。
8.一種用于使信息處理器執(zhí)行以下步驟的光聲成像程序 使多個(gè)檢測(cè)元件檢測(cè)從被檢體的表面和所述被檢體內(nèi)的光吸收體產(chǎn)生的聲波、并將聲波轉(zhuǎn)換成檢測(cè)信號(hào)的步驟，所述被檢體的表面和所述被檢體內(nèi)的光吸收體吸收了從光源照射的光； 在空間方向上對(duì)在相同的接收時(shí)間由所述多個(gè)檢測(cè)元件檢測(cè)的檢測(cè)信號(hào)執(zhí)行傅立葉變換、并獲得空間頻率信號(hào)的步驟； 在從所述空間頻率信號(hào)中減小表現(xiàn)出小于預(yù)定頻率的分量之后執(zhí)行逆傅立葉變換、并獲得第二信號(hào)的步驟；以及 使用所述第二信號(hào)產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光聲成像程序，還用于使信息處理在執(zhí)行傅立葉變換之前執(zhí)行根據(jù)照射在所述被檢體的表面上的光的強(qiáng)度分布將檢測(cè)信號(hào)歸一化的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供一種光聲成像裝置，包括光源(11)；多個(gè)檢測(cè)元件(31)，用于檢測(cè)從(A)被檢體(15)的表面(22)和被檢體(15)內(nèi)的光吸收體(14)產(chǎn)生的聲波，并將聲波轉(zhuǎn)換成檢測(cè)信號(hào)；以及信號(hào)處理器(20)，用于基于檢測(cè)的檢測(cè)信號(hào)來(lái)產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)，其中信號(hào)處理器(20)具有傅立葉變換器，用于在空間方向上對(duì)在相同的接收時(shí)間檢測(cè)的信號(hào)執(zhí)行傅立葉變換以獲得空間頻率信號(hào)；以及逆傅立葉變換器，用于在從空間頻率信號(hào)中減小表現(xiàn)出小于預(yù)定頻率的分量之后執(zhí)行逆傅立葉變換以獲得第二信號(hào)，信號(hào)處理器(20)使用所述第二信號(hào)產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)A61B8/00GK102822661SQ20118001603
公開日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2011年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月2日
發(fā)明者福谷和彥 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社