本發(fā)明涉及光聲裝置，其接收通過用光照射被檢體生成的光聲波并獲取被檢體信息。本發(fā)明還涉及信息獲取裝置，其通過使用由用光照射被檢體生成的光聲波來獲取關(guān)于被檢體的信息。

背景技術(shù)：

光學(xué)成像裝置在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中被積極地研究。光學(xué)成像裝置用從諸如激光器之類的光源發(fā)射的光照射諸如活體之類的被檢體，并且形成關(guān)于被檢體內(nèi)部的信息的圖像，該圖像是基于照射被檢體的光獲得的。這種光學(xué)成像技術(shù)的示例包括光聲成像(PAI)。利用光聲成像，被檢體用從光源發(fā)射的脈沖光照射；并且接收從已經(jīng)吸收了在被檢體中傳播并分散的脈沖光的能量的被檢體組織(聲源)生成的聲波(通常，超聲波)。然后，利用光聲成像，基于接收到的信號執(zhí)行關(guān)于被檢體內(nèi)部的信息的成像(圖像的形成)。也就是說，通過使用諸如腫瘤之類的待觀察被檢體的一部分與其它組織之間的光能吸收率的差異，當(dāng)被檢體的一部分通過吸收發(fā)射的光的能量而瞬時(shí)膨脹時(shí)生成的彈性波(光聲波)由聲波接收器接收。通過對接收到的信號進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，可以獲取關(guān)于被檢體內(nèi)部的信息，諸如所生成的聲壓分布和吸收系數(shù)分布。近年來，通過使用光聲成像，已經(jīng)積極地進(jìn)行了小動物的血管的成像的臨床前研究和將該原理應(yīng)用于乳腺癌的診斷的臨床研究等(參見NPL 1)。

引用列表

非專利文獻(xiàn)

NPL 1:“Photoacoustic imaging in biomedicine”,M.Xu,L.V.Wang,REVIEW OF SCIENTIFIC INSTUMENT,77,041101,2006

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題

在通過使用光聲裝置獲得的光聲圖像中，聲源的圖像可能被掩埋在圖像噪聲中。

問題的解決方案

本說明書中公開的光聲裝置包括用光照射被檢體的光照射單元，接收通過用從光照射單元發(fā)射的光照射被檢體生成的聲波并輸出電信號的聲波接收單元，控制光照射單元的控制單元，以及處理電信號的處理單元。控制單元控制光照射單元，使得光照射單元的多次光發(fā)射中的發(fā)射位置的分布的密度在發(fā)射位置的分布的內(nèi)部比在分布的外部高。聲波接收單元通過接收由多次光發(fā)射生成的聲波來輸出與多次光發(fā)射對應(yīng)的多個(gè)電信號。處理單元基于多個(gè)電信號獲取圖像數(shù)據(jù)。

從下面參照附圖對實(shí)施例的描述中，本發(fā)明的其它特征將變得清楚。

附圖說明

[圖1]圖1是示出根據(jù)本實(shí)施例的光聲裝置的結(jié)構(gòu)的示例的示意圖。

[圖2A]圖2A示出了根據(jù)本實(shí)施例的在某個(gè)光發(fā)射定時(shí)處的測量位置和發(fā)射位置的示例。

[圖2B]圖2B示出了根據(jù)本實(shí)施例的在另一光發(fā)射定時(shí)處的測量位置和發(fā)射位置的示例。

[圖3A]圖3A示出了根據(jù)本實(shí)施例的在某個(gè)光發(fā)射定時(shí)處的被檢體中的光量分布的示例。

[圖3B]圖3B示出了根據(jù)本實(shí)施例的在另一光發(fā)射定時(shí)處的被檢體中的光量分布的示例。

[圖4A]圖4A是示出根據(jù)比較示例的測量位置或發(fā)射位置的分布的示例的示意圖。

[圖4B]圖4B示出了根據(jù)比較示例的總光量的示例。

[圖5A]圖5A是示出根據(jù)本實(shí)施例的測量位置或發(fā)射位置的分布的示例的示意圖。

[圖5B]圖5B示出了根據(jù)本實(shí)施例的總光量的示例。

[圖6]圖6是示出根據(jù)本實(shí)施例的測量位置或發(fā)射位置的另一分布的示例的示意圖。

[圖7]圖7是示出根據(jù)示例的光聲裝置的結(jié)構(gòu)的一部分的示意圖。

[圖8]圖8是示出根據(jù)示例的光聲裝置的結(jié)構(gòu)的示例的示意圖。

[圖9]圖9是示出根據(jù)示例的光聲裝置的結(jié)構(gòu)的示例的示意圖。

[圖10A]圖10A示出了由根據(jù)示例1的光聲裝置獲取的光聲圖像。

[圖10B]圖10B示出了由根據(jù)比較示例的光聲裝置獲取的光聲圖像。

[圖11A]圖11A是用于描述根據(jù)本實(shí)施例的信息獲取裝置的視圖。

[圖11B]圖11B是用于描述根據(jù)本實(shí)施例的信息獲取裝置的視圖。

具體實(shí)施方式

根據(jù)本實(shí)施例的光聲裝置是根據(jù)接收到的通過光聲效應(yīng)生成的光聲波的信號獲取被檢體信息的裝置?？梢愿鶕?jù)接收到的光聲波的信號獲取的被檢體信息(光聲圖像)的示例包括光聲波的初始聲壓分布、光能吸收密度分布、吸收系數(shù)分布和包含在被檢體中的物質(zhì)的濃度分布。物質(zhì)的濃度的示例包括氧飽和度、氧合血紅蛋白濃度、脫氧血紅蛋白濃度和總血紅蛋白濃度?？傃t蛋白濃度是氧合血紅蛋白濃度和脫氧血紅蛋白濃度的總和。

光聲裝置的結(jié)構(gòu)

參考圖1，將描述根據(jù)本實(shí)施例的光聲裝置的結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本實(shí)施例的光聲裝置具有基本的硬件結(jié)構(gòu)，包括光源11、光學(xué)系統(tǒng)13、聲波接收器60、掃描器21、輸入單元24、控制器19C、數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)26和計(jì)算機(jī)19。在圖1中，示出了支撐部22的截面。光學(xué)系統(tǒng)13包括發(fā)射光的光發(fā)射端(未示出)。

在下文中，將描述根據(jù)本實(shí)施例的光聲裝置的元件。

光源11

光源11向被檢體供給光能并使被檢體生成光聲波。在對象是被檢體的情況下，光源11發(fā)射具有由被檢體的特定一個(gè)組分吸收的特定波長的光。光源可以與根據(jù)本實(shí)施例的光聲成像裝置集成，或者可以是獨(dú)立的單元。光源可以是能夠生成從幾納米到幾百納米級的脈沖光作為照射光的脈沖光源。具體地，為了有效地生成光聲波，使用在10至100納秒范圍內(nèi)的脈沖寬度。光源可以是激光器，利用該激光器可以獲得高功率。代替激光器，可以使用發(fā)光二極管等。激光器的示例包括固態(tài)激光器、氣體激光器、光纖激光器、染料激光器、半導(dǎo)體激光器和各種其它激光器。光發(fā)射的定時(shí)、光的波形和光的強(qiáng)度由光源控制器控制。在本發(fā)明中，所使用的光源的波長可以是在被檢體是活體的情況下光可以傳播到活體中的波長。具體而言，波長為大于或等于500nm且小于或等于1200nm。

光學(xué)系統(tǒng)13

從光源11發(fā)射的脈沖光12被朝向被檢體引導(dǎo)，同時(shí)通過通常為透鏡、反射鏡等的光學(xué)部件處理成具有期望的光分布形狀。替代地，也使光傳播通過：光纖；光纖束；或光波導(dǎo)，諸如包括透鏡筒、反射鏡等的關(guān)節(jié)臂(articulated arm)。這樣的設(shè)備也被認(rèn)為是光學(xué)系統(tǒng)13。光學(xué)系統(tǒng)13的其它示例包括反射光的反射鏡、使光會聚或發(fā)散或者改變光的形狀的透鏡以及使光擴(kuò)散的擴(kuò)散器面板?？梢允褂萌魏芜@樣的光學(xué)部件，只要能夠用從光源發(fā)射的脈沖光12以期望的形狀照射被檢體15即可。就增加被檢體的診斷面積而言，光學(xué)系統(tǒng)13可以將光擴(kuò)展到特定區(qū)域。通常，從光學(xué)系統(tǒng)13發(fā)射光的發(fā)射位置與光學(xué)系統(tǒng)13的光發(fā)射端的位置相同。

如果可以期望地從光源11發(fā)射脈沖光12，則光聲裝置不必包括光學(xué)系統(tǒng)13。

被檢體15

下面將描述不包括在根據(jù)本實(shí)施例的光聲裝置中的被檢體15。根據(jù)本實(shí)施例的光聲裝置主要用于診斷人或動物的惡性腫瘤和血管疾病以及跟蹤化療。因此，假定被檢體15是要被診斷的人或動物的乳房、手指、手或腳。被檢體內(nèi)部的光吸收體可以被假定為在被檢體15中具有相對高的吸收系數(shù)的物質(zhì)。例如，如果要測量人體，則光吸收體對應(yīng)于氧合血紅蛋白、還原血紅蛋白或其中存在大量這種血紅蛋白的血管或新生血管。在被檢體15的表面處的光吸收體的示例包括黑色素。然而，通過適當(dāng)?shù)剡x擇光的波長，人體中的其它物質(zhì)(諸如脂肪、水和膠原)可以用作光吸收體。

聲波接收元件17

作為聲波接收單元的聲波接收器60包括多個(gè)聲波接收元件17和支撐部22。每個(gè)聲波接收元件17接收聲波并將聲波轉(zhuǎn)換為模擬電信號。每個(gè)聲波接收元件17可以是能夠檢測聲波的任何設(shè)備，諸如壓電換能器、使用光學(xué)諧振的換能器或使用電容變化的換能器。在本實(shí)施例中，設(shè)置有多個(gè)聲波接收元件17。通過使用這種多維陣列元件，可以在多個(gè)位置處同時(shí)接收聲波。因此，可以減少接收時(shí)間，并且可以減小被檢體15的振動等的影響。

支撐部22

多個(gè)聲波接收元件17沿著支撐部22設(shè)置。支撐部22可以被配置成使得該多個(gè)聲波接收元件17設(shè)置在圍繞被檢體15的閉合曲面上。然而，如果被檢體是人體等，并且難以將多個(gè)聲波接收元件17設(shè)置在圍繞被檢體的任何封閉曲面上，則如圖1所示，多個(gè)聲波接收元件17可以設(shè)置在半球形支撐部22的表面上。如果難以將多個(gè)聲波接收元件17設(shè)置在半球形支撐部上，則多個(gè)聲波接收元件17可以設(shè)置在平面支撐部上。

通常，多個(gè)聲波接收元件17中的每一個(gè)在與其接收面(表面)垂直的方向上具有最高的接收靈敏度。通過使多個(gè)聲波接收元件17的方向軸朝向半球形形狀的曲率中心會聚，從而形成能夠高精度地可視化的高分辨率區(qū)域23。

例如，高分辨率區(qū)域23被認(rèn)為是以用于獲得最高分辨率的曲率中心為中心并且具有由表達(dá)式(1)表示的半徑r的大致半球形區(qū)域。

[數(shù)學(xué)式1]

R是高分辨率區(qū)域23的下限分辨率，r₀是半球形支撐部22的半徑，Φ_d是聲波接收元件17的直徑。R可以是例如為在曲率中心處獲得的最高分辨率的一半的分辨率。

考慮高分辨率區(qū)域23具有以支撐部22的曲率中心為中心的大致半球形形狀的情況。在這種情況下，計(jì)算機(jī)19可以根據(jù)表達(dá)式(1)評估每個(gè)測量位置處的高分辨率區(qū)域23的范圍。

在本發(fā)明中，多個(gè)聲波接收元件17的設(shè)置不限于圖1所示的半球形形狀的示例。多個(gè)聲波接收元件17可以以任何方式設(shè)置，只要多個(gè)聲波接收元件17的方向軸會聚在預(yù)定區(qū)域中并且可以形成預(yù)定高分辨率區(qū)域23。也就是說，多個(gè)聲波接收元件17可以沿著曲面設(shè)置，以形成預(yù)定區(qū)域，從而可以形成預(yù)定高分辨率區(qū)域23。本說明書中的曲面的示例包括具有開口的完美球體或半球。曲面的示例還包括具有以下程度的突起和凹陷的表面，該表面能夠被視為球體和可以看作是球體的橢圓體的表面(作為橢圓的三維延伸的三維二次曲面)。

當(dāng)沿著具有沿著任意截面切割的球體的形狀的支撐部設(shè)置多個(gè)聲波接收元件時(shí)，方向軸在支撐部的形狀的中心處最大地會聚。在本實(shí)施例中描述的半球形支撐部22也是具有沿著任意截面切割的球體的形狀的支撐部的示例。在本說明書中，沿著任意截面切割的球體的形狀將被稱為“基于球體的形狀”。設(shè)置在具有基于球體的形狀的支撐部上的多個(gè)聲波接收元件被認(rèn)為設(shè)置在球體上。

支撐部22在其底表面中具有用于引導(dǎo)脈沖光12的照射孔。由光學(xué)系統(tǒng)13引導(dǎo)的光通過照射孔朝向被檢體15發(fā)射。光學(xué)系統(tǒng)13和照射開口可以被認(rèn)為構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)26

根據(jù)本實(shí)施例的光聲裝置包括數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)26，其放大由聲波接收元件17獲得的電信號，并且將電信號從模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。通常，數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)26包括放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)芯片等。在可以從探頭獲得多個(gè)接收信號的情況下，可以同時(shí)處理該多個(gè)信號。通過這樣做，可以減少形成圖像所需的時(shí)間。在本說明書中，術(shù)語“接收信號”不僅指從聲波接收元件17獲取的模擬信號，而且指隨后對模擬信號執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換而生成的數(shù)字信號。接收信號可以被稱為“光聲信號”。

計(jì)算機(jī)19

對應(yīng)于處理單元的計(jì)算機(jī)19包括操作單元19A、存儲單元19B和作為控制單元的控制器19C。計(jì)算機(jī)19可以對從多個(gè)聲波接收元件17輸出的電信號執(zhí)行預(yù)定處理。計(jì)算機(jī)19可以控制光聲裝置的每個(gè)元件的操作。

通常，操作單元19A包括諸如CPU、GPU(圖形處理單元)和A/D轉(zhuǎn)換器之類的元件；以及諸如FPGA和ASIC之類的電路。操作單元19A不僅可以包括單個(gè)元件或單個(gè)電路，而且可以包括多個(gè)元件和多個(gè)電路。由計(jì)算機(jī)19執(zhí)行的每個(gè)處理可以由任何元件或電路執(zhí)行。

通常，存儲單元19B包括諸如ROM、RAM或硬盤之類的存儲介質(zhì)。存儲單元19B不僅可以包括單個(gè)存儲介質(zhì)，而且可以包括多個(gè)存儲介質(zhì)。

通常，控制器19C包括CPU。

計(jì)算機(jī)19可以被配置成同時(shí)執(zhí)行多個(gè)信號的流水線處理。通過這樣做，可以減少獲取被檢體信息所需的時(shí)間。

操作單元19A通過對存儲在存儲單元19B中的接收的信號數(shù)據(jù)執(zhí)行圖像重建處理來獲取每個(gè)體素中的被檢體信息。圖像重建處理的示例包括通常在斷層攝影技術(shù)中使用的時(shí)域反投影和傅里葉域反投影以及相位添加處理?？梢允褂弥T如使用迭代處理的逆問題分析的圖像重建方法。通過使用包括聲透鏡等并具有接收聚焦功能的探頭，可以在不執(zhí)行圖像重建的情況下可視化被檢體信息。執(zhí)行圖像重建處理的操作單元19A通常包括具有高性能計(jì)算功能和圖形顯示功能的GPU。因此，可以減少執(zhí)行圖像重建處理或形成顯示圖像所需的時(shí)間。

控制器19C讀取存儲在存儲單元19B中的程序代碼，并控制光聲裝置的各個(gè)部分。例如，控制器19C控制掃描器21的驅(qū)動、光源11的光發(fā)射定時(shí)等。通過控制掃描器21，控制器19C可以控制與支撐部22的移動相關(guān)的參數(shù)，諸如支撐部22的移動速度、移動方向和移動范圍。移動范圍可以根據(jù)被檢體的尺寸而改變。例如，如果被檢體小，則通過控制支撐部22在小移動范圍內(nèi)的移動，并且如果被檢體大，則通過控制在大移動范圍內(nèi)的移動，可以減少額外的測量時(shí)間。注意，其中存儲了程序的存儲單元是非暫時(shí)性記錄介質(zhì)。

計(jì)算機(jī)19的功能可以由不同的硬件設(shè)備執(zhí)行。聲波接收器60、數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)26和計(jì)算機(jī)19可以集成在單個(gè)硬件設(shè)備中。這些元件中的一些可以集成在單個(gè)硬件設(shè)備中。例如，聲波接收器60和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)26可以集成在單個(gè)硬件設(shè)備中。

顯示單元20

顯示單元20是用于顯示從計(jì)算機(jī)19輸出的圖像數(shù)據(jù)的設(shè)備。通常，液晶顯示器被用作顯示單元20。顯示單元20可以獨(dú)立于光聲裝置。

掃描器21

對應(yīng)于移動單元的掃描器21包括諸如馬達(dá)之類的驅(qū)動單元和用于傳遞馬達(dá)的驅(qū)動力的機(jī)械部件。

根據(jù)來自控制器19C的位置控制信息，掃描器21相對于被檢體15移動支撐部22的測量位置或來自光學(xué)系統(tǒng)13的光的發(fā)射位置。通過在相對于被檢體15移動發(fā)射位置和測量位置的同時(shí)重復(fù)對接收信號數(shù)據(jù)的獲取，可以獲取用于獲得針對目標(biāo)寬的區(qū)域的被檢體信息的接收的信號數(shù)據(jù)。

與控制器19C對脈沖光12的照射控制同步，掃描器21在光照射期間(即，在接收光聲波期間)將關(guān)于支撐部22或光學(xué)系統(tǒng)13的位置信息輸出到計(jì)算機(jī)19。

掃描器21可以能夠移動光學(xué)系統(tǒng)13、聲波接收元件17和被檢體15中的至少一個(gè)。

掃描器21可以是重復(fù)移動和停止的步進(jìn)和重復(fù)掃描器，或者是連續(xù)移動的連續(xù)移動掃描器。然而，利用連續(xù)移動的連續(xù)移動掃描器，可以減少總移動時(shí)間，并且可以減小被檢體的負(fù)擔(dān)。此外，通過以小的移動加速度變化執(zhí)行連續(xù)移動，可以減小裝置的振動的影響。

掃描器21可以一起移動光學(xué)系統(tǒng)13與支撐部22，以移動從光源11發(fā)射的脈沖光12的照射位置。也就是說，支撐部22和光學(xué)系統(tǒng)13可以彼此同步地移動。通過這樣做，聲波接收位置和光照射位置之間的關(guān)系保持恒定，從而可以獲取更均勻的被檢體信息。在本實(shí)施例中，移動光學(xué)系統(tǒng)13和被檢體15的相對位置的單元將被稱為發(fā)射位置移動單元，并且移動聲波接收器60和被檢體15的相對位置的單元將被稱為測量位置移動單元。

在被檢體是人體的情況下，其上可以執(zhí)行照射的被檢體的照射區(qū)域受到美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(ANSI)的標(biāo)準(zhǔn)的限制。因此，為了增加傳播到被檢體15中的光量，可以增加照射強(qiáng)度和照射區(qū)域，但是考慮到光源的成本，限制照射區(qū)域。此外，由于接收元件的方向性，如果對具有低接收靈敏度的區(qū)域用光照射，則光量的利用效率低。因此，用光照射整個(gè)大被檢體是沒有效率的。也就是說，光可以與聲波接收器一起移動，因?yàn)橛霉鈨H照射其中聲波接收器的靈敏度高的區(qū)域是有效率的。

輸入單元24

輸入單元24可以包括可以由用戶操作的鼠標(biāo)、鍵盤等。顯示單元20可以包括觸摸面板，并且顯示單元20可以用作輸入單元24。用戶可以通過使用輸入單元24執(zhí)行的操作的示例包括：與成像相關(guān)的參數(shù)的設(shè)置；開始成像的指令；觀察參數(shù)的設(shè)置，諸如感興趣區(qū)域的范圍和形狀；以及與圖像相關(guān)的其它圖像處理操作。

光聲裝置的元件可以被配置為獨(dú)立的設(shè)備或單個(gè)集成設(shè)備。替代地，光聲裝置的至少一些元件可以被配置為單個(gè)集成設(shè)備。

聲匹配構(gòu)件27

作為光聲波的傳播路徑的在被檢體15和支撐部22之間的空間可以填充聲匹配構(gòu)件27(諸如用于超聲波測量的水或凝膠)，使得在空間中可以不形成氣隙。還用作脈沖光12的傳播路徑的聲匹配構(gòu)件27可以是相對于脈沖光12透明的介質(zhì)。例如，使用水作為聲匹配構(gòu)件27。

保持單元40

保持單元40用于在測量期間保持被檢體15的形狀。通過使用保持單元40保持被檢體15，能夠抑制被檢體的移動，并且能夠?qū)⒈粰z體15的位置保持在保持單元40中?？梢詫ET-G等用作保持單元40的材料。

保持單元40可以由具有如下硬度的材料制成：利用該硬度，保持單元40可以保持被檢體15。保持單元40可以由透射用于測量的光的材料制成。保持單元40可以由具有與被檢體15基本上相同的阻抗的材料制成。當(dāng)被檢體15是具有曲面的被檢體時(shí)(諸如乳房)，保持單元40可以具有凹形。在這種情況下，被檢體15可以插入保持單元40的凹部中。

圖像捕獲設(shè)備50

圖像捕獲設(shè)備50生成被檢體的圖像數(shù)據(jù)，并將生成的圖像數(shù)據(jù)輸出到計(jì)算機(jī)19。圖像捕獲設(shè)備50包括圖像捕獲元件51和圖像生成器52。圖像生成器52通過分析從圖像捕獲元件51輸出的信號來生成被檢體的圖像數(shù)據(jù)，并且所生成的圖像數(shù)據(jù)被存儲在存儲單元19B中。

例如，諸如CCD傳感器或CMOS傳感器之類的光學(xué)圖像捕獲元件可以用作圖像捕獲元件51?？梢园l(fā)送和接收聲波的換能器(諸如壓電元件或CMUT)可以用作圖像捕獲元件51。多個(gè)聲波接收元件17中的一些可以用作圖像捕獲元件51。任何元件可以用作圖像捕獲元件，只要圖像生成器52可以基于從圖像捕獲元件51輸出的信號生成被檢體的圖像即可。

圖像生成器52包括諸如CPU、GPU和A/D轉(zhuǎn)換器之類的元件；以及諸如FPGA和ASIC之類的電路。計(jì)算機(jī)19也可以用作圖像生成器52。也就是說，計(jì)算機(jī)19中的操作單元19A可以用作圖像生成器52。

光聲裝置的操作

接下來，將描述根據(jù)本實(shí)施例的光聲裝置的操作?？刂破?9C根據(jù)來自計(jì)算機(jī)19的指令驅(qū)動掃描器21，并且沿著期望的移動路徑移動聲波接收器60(支撐部22)。此時(shí)，在某個(gè)定時(shí)，從光源11發(fā)射的脈沖光12被光學(xué)系統(tǒng)13引導(dǎo)；并且用脈沖光12照射諸如活體之類的被檢體15。在用脈沖光12照射被檢體15的定時(shí)處，脈沖光12基本上同時(shí)到達(dá)被檢體15的整個(gè)內(nèi)部。當(dāng)已經(jīng)傳播通過被檢體15的內(nèi)部的脈沖光12的能量的一部分被諸如其中包括大量的血紅蛋白的血管之類的光吸收體(其用作聲源)吸收時(shí)，由于光吸收體的熱膨脹而生成光聲波(通常，超聲波)。多個(gè)聲波接收元件17接收光聲波并將光聲波轉(zhuǎn)換為電信號。

通常，光聲波的傳播速度高于掃描器21移動聲波接收器60的速度。因此，在脈沖光12的發(fā)射定時(shí)處的多個(gè)聲波接收元件17位于位置處接收光聲波。因此，在從脈沖光12朝向被檢體15發(fā)射的時(shí)刻到多個(gè)聲波接收元件17接收光聲波的時(shí)刻期間，聲波接收器60的移動可以忽略。因此，在本實(shí)施例中，脈沖光12的光發(fā)射定時(shí)被視為接收光聲波的定時(shí)。在脈沖光12的光發(fā)射定時(shí)處的支撐部22相對于被檢體15的位置將被稱為“支撐部22的測量位置(聲波接收器60的測量位置)”。

在本實(shí)施例中，支撐部22的中心的位置被視為支撐部22的位置。在脈沖光12的光發(fā)射定時(shí)處的光學(xué)系統(tǒng)13相對于被檢體15的位置將被稱為“來自光學(xué)系統(tǒng)13的光的發(fā)射位置”。

在本實(shí)施例中，支撐部22包括多個(gè)聲波接收元件17。因此，可以在每個(gè)光發(fā)射定時(shí)處根據(jù)支撐部22的測量位置識別多個(gè)聲波接收元件17在每個(gè)光發(fā)射定時(shí)處的位置。在本實(shí)施例中，掃描器21在保持支撐部22和光學(xué)系統(tǒng)13之間的位置關(guān)系的同時(shí)移動支撐部22和光學(xué)系統(tǒng)13。因此，在每個(gè)光發(fā)射定時(shí)處，從光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射光的發(fā)射位置和支撐部22的測量位置之間的位置關(guān)系恒定。在下文中，可以將“支撐部22的測量位置”簡稱為“測量位置”?？梢詫ⅰ皝碜怨鈱W(xué)系統(tǒng)13的光的發(fā)射位置”簡稱為“發(fā)射位置”。

接下來，控制器19C根據(jù)來自計(jì)算機(jī)19的指令驅(qū)動掃描器21，以移動光學(xué)系統(tǒng)13和支撐部22。此時(shí)，脈沖光12在另一定時(shí)處發(fā)射，并且多個(gè)聲波接收元件17接收新生成的光聲波。以這種方式，可以在與先前定時(shí)處的發(fā)射位置和測量位置不同的發(fā)射位置和測量位置處接收光聲波。在本實(shí)施例中，由于光源11以預(yù)定的循環(huán)頻率生成脈沖光12，所以可以通過控制掃描器21來控制發(fā)射位置和測量位置。在這種情況下，光源11、光學(xué)系統(tǒng)13和掃描器21構(gòu)成光照射單元；并且控制器19C可以通過控制作為光照射單元的掃描器21來控制發(fā)射位置。

控制器19C可以改變光源11的發(fā)射定時(shí)。在這種情況下，控制器19C通過控制光源11的光發(fā)射定時(shí)和掃描器21的驅(qū)動來控制發(fā)射位置和測量位置。在這種情況下，光源11、光學(xué)系統(tǒng)13和掃描器21構(gòu)成光照射單元；并且控制器19C可以通過控制作為光照射單元的光源11和掃描器21來控制發(fā)射位置。

光學(xué)系統(tǒng)13可以包括多個(gè)光發(fā)射端，并且控制器19C可以通過控制光從哪個(gè)光發(fā)射端發(fā)射來控制發(fā)射位置。在這種情況下，光源11和光學(xué)系統(tǒng)13構(gòu)成光照射單元，并且控制器19C通過控制作為光照射單元的光學(xué)系統(tǒng)13來控制發(fā)射位置。例如，通過包括減少光的光學(xué)濾波器和/或分割光的分束器，光學(xué)系統(tǒng)13可以改變發(fā)射光的光發(fā)射端。因?yàn)楣庠?1的功率有限，所以如果在一次光發(fā)射時(shí)從大量光發(fā)射端發(fā)射光，則從每個(gè)發(fā)射端發(fā)射的光的強(qiáng)度變低。在這種情況下，在任何光發(fā)射定時(shí)處，在被檢體中存在僅有少量光到達(dá)的一些位置?？赡茈y以以高精度形成這種位置的圖像。因此，在從光源11的一次光發(fā)射中，光可以被分割到多個(gè)發(fā)射端中的一些，并且被檢體可以用從發(fā)射端中的一些發(fā)射的光照射。在第一光發(fā)射定時(shí)(第一光發(fā)射)和第二光發(fā)射定時(shí)(第二光發(fā)射)之間，分割有光的發(fā)射端可以不同，使得光可以通過多次光發(fā)射從所有設(shè)置的發(fā)射位置發(fā)射。

接下來，數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(DAS)26對從多個(gè)聲波接收元件17輸出的電信號執(zhí)行放大和數(shù)字轉(zhuǎn)換。

接下來，計(jì)算機(jī)19設(shè)置其基于被檢體信息的圖像要被顯示的感興趣區(qū)域。計(jì)算機(jī)19可以將用戶通過使用輸入單元24指定的區(qū)域設(shè)置為感興趣區(qū)域。替代地，計(jì)算機(jī)19可以將由另一圖像形成裝置(例如，圖像捕獲設(shè)備50)獲得的圖像中由用戶指定的區(qū)域設(shè)置為感興趣區(qū)域。另外，替代地，計(jì)算機(jī)19可以通過分析由另一圖像形成裝置(例如，圖像捕獲設(shè)備50)獲得的圖像來設(shè)置感興趣區(qū)域。另外，替代地，計(jì)算機(jī)19可以通過讀取預(yù)先存儲在存儲單元19B中的信息來設(shè)置感興趣區(qū)域。例如，當(dāng)將被檢體的整個(gè)區(qū)域設(shè)置為感興趣區(qū)域時(shí)，可以將包括保持單元40中的整個(gè)區(qū)域的區(qū)域預(yù)先設(shè)置為感興趣區(qū)域。

接下來，計(jì)算機(jī)19通過對從數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)26輸出的數(shù)字信號執(zhí)行諸如圖像重建之類的預(yù)定處理，來獲取感興趣區(qū)域中的被檢體信息，諸如初始聲壓分布和吸收系數(shù)分布。例如，通過執(zhí)行美國專利No.5713356中描述的圖像重建處理，可以根據(jù)在多個(gè)光發(fā)射定時(shí)處獲得的電信號來獲取每個(gè)體素的被檢體信息。通常，計(jì)算機(jī)19通過疊加多個(gè)電信號來獲取每個(gè)體素的被檢體信息。如果用于計(jì)算的電信號的數(shù)量在體素之間不同，則疊加值可以除以用于計(jì)算的信號的數(shù)量。通過這樣做，可以減少由于信號數(shù)量的變化引起的被檢體信息的變化。注意，如果用于計(jì)算的電信號的數(shù)量在體素之間沒有不同，則可以照原樣使用疊加值。

接下來，計(jì)算機(jī)19基于所獲取的被檢體信息生成要在顯示單元20上顯示的圖像數(shù)據(jù)。然后，計(jì)算機(jī)19使顯示單元20顯示基于所生成的圖像數(shù)據(jù)的光聲圖像。

諸如醫(yī)生之類的用戶可以使用如上所述的被顯示在顯示單元20上的被檢體信息的光聲圖像用于診斷等。

例如，圖2A和圖2B示出了在某些光發(fā)射定時(shí)A和B處的光學(xué)系統(tǒng)13和支撐部22的位置的示例。也就是說，圖2A和圖2B示出了在光發(fā)射定時(shí)A和B處的發(fā)射位置和測量位置。在圖2A和圖2B中的每個(gè)中，由箭頭指示的方向(發(fā)射脈沖光12的方向)是被檢體15的深度方向。包括感興趣區(qū)域32在內(nèi)的區(qū)域的光聲圖像將最終顯示在顯示器單元20上。

如圖2A和圖2B所示，設(shè)置在半球形支撐部22上的聲波接收元件17在半球的曲率中心附近形成球形高分辨率區(qū)域23。這里，高分辨率區(qū)域23是其中可以獲得具有高達(dá)最大分辨率的一半的分辨率的圖像的區(qū)域。

在本實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)19將高分辨率區(qū)域23或包括高分辨率區(qū)域23在內(nèi)的區(qū)域設(shè)置為要成像的圖像重建區(qū)域33。計(jì)算機(jī)19設(shè)置對應(yīng)于每個(gè)光發(fā)射定時(shí)的圖像重建區(qū)域33，使得利用與每個(gè)光發(fā)射定時(shí)對應(yīng)的圖像重建區(qū)域33填充感興趣區(qū)域32。在本實(shí)施例中，將描述計(jì)算機(jī)19在每個(gè)光發(fā)射定時(shí)處執(zhí)行圖像重建處理的示例。然而，計(jì)算機(jī)19可以對在多個(gè)光發(fā)射定時(shí)處獲得的電信號執(zhí)行圖像重建處理。

在本實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)19對于每個(gè)光發(fā)射定時(shí)設(shè)置感興趣區(qū)域32和圖像重建區(qū)域33，并將其內(nèi)部分割為體素35。在圖2A中，為了方便，僅示出一些體素35。

在本實(shí)施例中，因?yàn)橐@取三維空間區(qū)域中的被檢體信息，所以要重建的最小區(qū)域被稱為“體素”。然而，可以獲取二維空間區(qū)域中的被檢體信息。在這種情況下，要重建的最小區(qū)域被稱為“像素”。

替代地，用戶可以通過使用輸入單元24指定任何適當(dāng)?shù)膮^(qū)域，并且計(jì)算機(jī)19可以將用戶指定的區(qū)域設(shè)置為感興趣區(qū)域32或圖像重建區(qū)域33。另外，替代地，可以預(yù)先設(shè)置感興趣區(qū)域32或圖像重建區(qū)域33。

在下文中，將描述根據(jù)本實(shí)施例的發(fā)射位置或測量位置的分布。在本實(shí)施例中，由于如上所述的發(fā)射位置和測量位置之間的位置關(guān)系恒定，因此發(fā)射位置和測量位置的分布彼此相似。

發(fā)射位置的分布

在光聲裝置中，所生成的光聲波的聲壓根據(jù)被檢體中的光量分布而改變。通常，所生成的光聲波的聲壓與光量成比例。也就是說，即使當(dāng)被檢體是具有相同吸收系數(shù)的血管(血液)時(shí)，依賴于光發(fā)射方法和被檢體的形狀，被檢體中的光量分布也不均勻，并因此在被檢體中生成的聲壓變化相當(dāng)大。如果所生成的光聲波的聲壓低，則所接收的光聲波的信號的強(qiáng)度也低。因此，在通過對接收信號執(zhí)行圖像重建處理而獲得的光聲圖像中，可能存在其中所生成的聲壓由于被掩埋在圖像噪聲中而未表現(xiàn)的區(qū)域。也就是說，對于其中所生成的聲壓低的區(qū)域，可能存在圖像噪聲水平不處于可以表現(xiàn)所生成的聲壓的水平的區(qū)域。

因此，在本實(shí)施例中，發(fā)射位置被設(shè)置為使得在與感興趣區(qū)域32中的每個(gè)體素對應(yīng)的多個(gè)光發(fā)射定時(shí)處的光發(fā)射引起的總光量大于或等于閾值。也就是說，控制器19C控制掃描器21，使得當(dāng)感興趣區(qū)域32被劃分成體素時(shí)，發(fā)射位置的分布使得通過多次光發(fā)射的每個(gè)體素中的總光量大于或等于閾值。

通過使發(fā)射位置具有這樣的分布，可以使在存在聲源的體素中生成的光聲波的生成的聲壓高于或等于預(yù)定水平。因此，可以抑制聲源的圖像被掩埋在圖像噪聲中。在下文中，將描述根據(jù)本實(shí)施例的發(fā)射位置的分布。在本實(shí)施例的描述中，假設(shè)光源11在每個(gè)光發(fā)射定時(shí)處生成具有恒定強(qiáng)度的脈沖光12。

圖3A和圖3B示出了在某些光發(fā)射定時(shí)A和B處的被檢體15中的脈沖光12的量的分布的示例。在每個(gè)圖中，黑色區(qū)域是光量高的區(qū)域，并且白色區(qū)域是光量低的區(qū)域。在每個(gè)圖中，由箭頭指示的方向(發(fā)射脈沖光12的方向)是被檢體15的深度方向。

通過在多個(gè)定時(shí)之間改變發(fā)射位置，用光照射被檢體15的光照射位置被改變。結(jié)果，如圖3A和圖3B所示，在光發(fā)射定時(shí)處的被檢體體素中的光量(即被檢體15中的光量分布)不同。特別地，當(dāng)被檢體15是半球形時(shí)，因?yàn)橛捎跀U(kuò)散衰減而使得光量減少，所以在被檢體15的深部中的光量相對低。也就是說，如從圖3A和圖3B可以理解的那樣，在脈沖光12的照射位置處的光量高，并且隨著位置變得更遠(yuǎn)離照射位置，光量逐漸減小。在每個(gè)光發(fā)射定時(shí)處的被檢體15中的光量分布可以由計(jì)算機(jī)19基于例如每個(gè)光發(fā)射定時(shí)處的光發(fā)射圖案、被檢體15的光學(xué)常數(shù)、關(guān)于被檢體15的表面的坐標(biāo)的信息等來獲取。

通過計(jì)算在光發(fā)射定時(shí)處的被檢體體素中的光量的總和，可以獲得每個(gè)體素中的總光量。每個(gè)體素中的總光量依賴于發(fā)射位置的分布而不同。

例如，圖4A示出了根據(jù)比較示例的發(fā)射位置的分布，其被描述在NPL2中：“Dedicated 3D Photoacoustic Breast imaging”，Robert A.Kruger，Cherie M.Kuzmiak，Richard B.Lam，Daniel R.Reinecke，Stephen P.Del Rio和Doreen Steed，Medical Physics 40,113301(2013)。在圖4A中，用點(diǎn)來描繪每個(gè)光發(fā)射定時(shí)處的發(fā)射位置。NPL2提出了用于通過以相等的距離移動其上有多個(gè)聲波接收元件被設(shè)置在半球形表面上的聲波接收器來均勻地減少由于通過圖像重建而生成的重建偽像所引起的圖像噪聲的方法。在NPL 2中，如圖4A所示，由于在保持光學(xué)系統(tǒng)和聲波接收器之間的位置關(guān)系的同時(shí)掃描光學(xué)系統(tǒng)，所以發(fā)射位置的分布的密度是均勻的。圖4B示出了在發(fā)射位置的分布的密度如圖4A所示的是均勻的情況下的體素中的總光量。從圖4B可以理解，在被檢體15中的相同深度處，被檢體15的中心部分中的體素中的總光量小于被檢體15的周邊部分中的體素中的總光量。

如上所述，在光量低的區(qū)域中，聲源的圖像可能被掩埋在圖像噪聲中。為了通過使用NPL 2中描述的方法增加被檢體15的中心部分中的體素中的總光量，以使發(fā)射位置的分布的密度均勻，需要對被檢體15的周邊部分中的體素(其中總光量足夠高)執(zhí)行附加測量(光照射)。因此，為了通過使用NPL 2中描述的方法使每個(gè)體素中包括的圖像噪聲達(dá)到期望的噪聲水平，需要長的測量時(shí)間。

相反，在本實(shí)施例中，為了增加被檢體15的中心部分中的體素中的總光量，設(shè)置如圖5A中所示的發(fā)射位置的分布。也就是說，改變發(fā)射位置的分布的密度，并且發(fā)射位置的分布被設(shè)置成使得由對應(yīng)于感興趣區(qū)域32中的每個(gè)體素的多個(gè)光發(fā)射定時(shí)處的光發(fā)射引起的總光量大于或等于閾值。

在本實(shí)施例中，發(fā)射位置的分布的密度不均勻，并且在發(fā)射位置的分布的內(nèi)部中的密度高于在分布的外部中的密度。在本實(shí)施例中，掃描器21移動光學(xué)系統(tǒng)13，使得每個(gè)發(fā)射位置和相鄰發(fā)射位置之間的距離改變。在圖5A中，掃描器21移動光學(xué)系統(tǒng)13，使得相鄰發(fā)射位置之間的距離從螺旋移動路徑的外部朝向內(nèi)部減小。

通過使用圖5A所示的發(fā)射位置的分布，可以獲得圖5B所示的體素中的總光量。在圖5B中，在被檢體15的相同深度處的總光量基本上是均勻的。通過使用發(fā)射位置的不均勻分布，可以向總光量小于預(yù)定閾值的體素選擇性地發(fā)射光。因此，可以減少為了使每個(gè)體素中的總光量大于或等于預(yù)定閾值而執(zhí)行的測量所需的時(shí)間。

在本發(fā)明中，只要每個(gè)體素中的總光量大于或等于預(yù)定閾值，則在被檢體15的相同深度處，總光量可以是不均勻的。

如上所述，根據(jù)本實(shí)施例，在減小測量時(shí)間的同時(shí)可以使照射每個(gè)體素的總光量大于或等于預(yù)定的閾值。因此，可以使在每個(gè)體素中生成的光聲波的生成的聲壓高于或等于預(yù)定水平，從而可以抑制聲源的圖像被掩埋在圖像噪聲中。

可以通過在圖6中星號所示的位置處比其它位置發(fā)射更多次數(shù)的光而使每個(gè)體素中的總光量大于或等于預(yù)定閾值。即，可以使得在光可以朝向被檢體15的中心部分發(fā)射的發(fā)射位置處發(fā)射光的次數(shù)比在其它發(fā)射位置處發(fā)射光的次數(shù)大。具體而言，當(dāng)控制器19C將光學(xué)系統(tǒng)13移動到某個(gè)發(fā)射位置時(shí)，控制器19C在發(fā)射位置處使光學(xué)系統(tǒng)13的移動停止，并且使光源11在相同的發(fā)射位置發(fā)光多次。替代地，控制器19C可以連續(xù)地移動光學(xué)系統(tǒng)13以將光學(xué)系統(tǒng)13移動到以前的發(fā)射位置，并且使光源11在該發(fā)射位置處發(fā)射光。通過這樣做，可以在相同的發(fā)射位置處用光多次照射被檢體15。

還在這種情況下，如圖5B所示，可以使得在被檢體15的相同深度處的總光量基本均勻。使光發(fā)射次數(shù)在發(fā)射位置之間不同包括在使得發(fā)射位置的分布的密度不同中。也就是說，在圖5A和圖6所示的兩種情況下，每單位面積或每單位體積的發(fā)射位置的數(shù)量(分布密度)不均勻，但是不同。

這里，光量的閾值是裝置特有值，并且在體素之間不同。具體地，如果要被成像的被檢體是血管，則假設(shè)在被檢體中存在具有與血液相同的吸收系數(shù)的物質(zhì)，執(zhí)行光發(fā)射和各種測量位置的模擬，并且閾值被確定為可以視覺地識別被檢體的總光量。也就是說，閾值是在考慮裝置特性和被檢體特性的情況下確定的值。然而，如果難以執(zhí)行模擬，則可以使用經(jīng)驗(yàn)值。當(dāng)確定了總光量的閾值時(shí)，計(jì)算機(jī)19可以確定發(fā)射位置的分布，使得感興趣區(qū)域32中的每個(gè)體素中的總光量大于或等于閾值。

如果由于光學(xué)系統(tǒng)13和支撐部22的移動而發(fā)生聲匹配構(gòu)件27的抖動，則可能發(fā)生被檢體15和聲波接收元件17之間的空間可能沒有被聲匹配構(gòu)件27填充。在這種情況下，在被檢體15中生成的光聲波可能不能以足夠的強(qiáng)度到達(dá)聲波接收元件17。因此，掃描器21在多個(gè)光發(fā)射定時(shí)期間沿著螺旋移動路徑移動光學(xué)系統(tǒng)13和支撐部22。通過以這種方式以小的加速度變化移動光學(xué)系統(tǒng)13和支撐部22，可以抑制聲匹配構(gòu)件27的抖動。移動路徑不必是螺旋形的，只要光學(xué)系統(tǒng)13和支撐部22能夠以小的加速度變化移動，使得可以抑制聲匹配構(gòu)件27的抖動即可。

測量位置的分布

在本實(shí)施例中，可以將測量位置的分布設(shè)置成使得可以抑制聲源的圖像被掩埋在圖像噪聲中。以下，將描述根據(jù)本實(shí)施例的測量位置的分布。

如上所述，如果總光量如圖4B所示，因?yàn)槿缟纤龅脑诒粰z體15的中心部分生成的光聲波的聲壓低，所以聲源的圖像可能會由于系統(tǒng)噪聲而被掩埋在圖像噪聲中。此外，關(guān)于光聲裝置，除了每個(gè)體素中的總光量之外，還存在影響重建圖像的圖像噪聲的因素。例如，由于聲源不能被聲波接收元件17從所有方向包圍而生成的圖像重建偽像可能引起圖像噪聲。也就是說，由于圖像重建偽像引起的圖像噪聲可能發(fā)生在除了高分辨率區(qū)域23之外的區(qū)域中。此外，因?yàn)楣饴暡S著其傳播而衰減并且光聲波的接收信號減小，聲源的圖像可能由于系統(tǒng)噪聲而被掩埋在圖像噪聲中。

在本實(shí)施例中，如圖2A和圖2B所示，高分辨率區(qū)域23的位置根據(jù)支撐部22的測量位置被唯一地確定。設(shè)置在支撐部22上的多個(gè)聲波接收元件17可以分別以高靈敏度接收在高分辨率區(qū)域23中生成的光聲波。

因此，在本實(shí)施例中，測量位置的分布被設(shè)置成使得重建圖像中包含的圖像噪聲低于或者等于預(yù)定的閾值。具體來說，如圖5A所示，測量位置的分布的密度被設(shè)置成使得測量位置的分布的內(nèi)部的密度高于分布的外部的密度。在本實(shí)施例中，掃描器21移動支撐部22，使得每個(gè)測量位置和相鄰測量位置之間的距離改變。在螺旋移動路徑的情況下，掃描器21移動支撐部22，使得相鄰測量位置之間的距離從螺旋路徑的外部朝向內(nèi)部減小。

通過以這種方式接收在各個(gè)位置處的聲波，可以減少在圖像重建之后的光聲圖像中由于重建偽影引起的圖像噪聲。此外，通過在高分辨率區(qū)域23位于被檢體15的中心部分時(shí)增加測量次數(shù)，可以減少由于包括在被檢體15的中心附近的體素中的系統(tǒng)噪聲引起的圖像噪聲。

這里，圖像噪聲的閾值是裝置特定值，并且在體素之間不同。具體地，如果要被成像的被檢體是血管，則假定在被檢體中存在具有與血液相同的吸收系數(shù)的物質(zhì)，執(zhí)行光發(fā)射和各種測量位置的模擬，并且閾值是可以視覺地識別被檢體的噪聲水平。也就是說，閾值是考慮了裝置特性和被檢體特性而確定的值。然而，如果難以執(zhí)行模擬，則可以使用經(jīng)驗(yàn)值。當(dāng)確定圖像噪聲的值時(shí)，計(jì)算機(jī)19可以確定測量位置的分布，使得感興趣區(qū)域32中的每個(gè)體素中的圖像噪聲低于或等于閾值。

通過使測量次數(shù)在圖6中的星號所示的位置處比其它位置大，可以使包括在每個(gè)體素中的圖像噪聲小于或等于預(yù)定閾值。也就是說，可以使高分辨率區(qū)域23位于被檢體15的中心部分的測量位置處的測量次數(shù)大于其它測量位置處的測量次數(shù)。具體地，當(dāng)控制器19C將支撐部22移動到特定測量位置時(shí)，控制器19C在測量位置處使支撐部22的移動停止，并使支撐部22在測量位置處多次發(fā)光。替代地，控制器19C將可以將支撐部22連續(xù)地移動到先前的測量位置處，并且使光源11在測量位置處發(fā)射光。通過這樣做，可以在相同的測量位置處接收光聲波。

使得測量次數(shù)根據(jù)測量位置而不同被包括在使得測量位置的分布的密度不同中。也就是說，在圖5A和圖6的兩種情況下，每單位面積或每單位體積的測量位置的數(shù)量(分布密度)不均勻，但是不同。

不必使發(fā)射位置的分布密度和測量位置的分布的密度均勻，以使包括在感興趣區(qū)域32中的每個(gè)體素中的圖像噪聲低于或等于閾值。在這種情況下，掃描器21可以在保持發(fā)射位置和測量位置之間的位置關(guān)系的同時(shí)移動光學(xué)系統(tǒng)13和支撐部22，使得脈沖光12朝向高分辨率區(qū)域23發(fā)射。通過這樣做，其中可以以高靈敏度接收光聲波的區(qū)域與光量大的區(qū)域重疊，因此接收信號的信號強(qiáng)度高，并且在感興趣區(qū)域中的圖像噪聲可以在單次測量被大大減小。

當(dāng)用光照射被檢體時(shí)，感興趣區(qū)域中的每個(gè)體素中的光量和圖像噪聲水平根據(jù)被檢體的形狀、被檢體的光學(xué)系數(shù)(諸如吸收系數(shù)、散射系數(shù)、衰減系數(shù)等)、聲匹配構(gòu)件的光學(xué)系數(shù)等而變化。因此，控制器19C可以通過使用基于被檢體的形狀的信息來確定發(fā)射位置或測量位置。也就是說，控制器19C可以基于關(guān)于被檢體的形狀的信息來確定發(fā)射位置，使得由與在感興趣區(qū)域32中的每個(gè)體素對應(yīng)的多個(gè)光發(fā)射定時(shí)處的光發(fā)射引起的總光量大于或等于閾值?；陉P(guān)于被檢體的形狀的信息，控制器19C可以確定測量位置，使得重建圖像中包括的圖像噪聲的水平低于或等于預(yù)定閾值。

控制器19C可以獲取關(guān)于被檢體的形狀、被檢體的光學(xué)系數(shù)(諸如吸收系數(shù)、散射系數(shù)、衰減系數(shù)等)、聲匹配構(gòu)件的光學(xué)系數(shù)等的信息，并且可以讀取與所獲取的信息相對應(yīng)的照射位置圖案或測量位置圖案?？刂破?9C控制掃描器21和光源11，使得發(fā)射位置和測量位置形成以這種方式獲得的發(fā)射位置圖案或測量位置圖案。例如，控制器19C基于被檢體的形狀獲取信息。然后，控制器19C從存儲單元19B讀取與基于被檢體的形狀的信息相對應(yīng)的發(fā)射位置圖案或測量位置圖案，在存儲單元19B中，已存儲與被檢體的形狀相關(guān)聯(lián)的多個(gè)發(fā)射位置圖案或測量位置圖案。

當(dāng)假定暫定發(fā)射位置圖案或暫定測量位置圖案時(shí)，操作單元19A基于諸如被檢體的形狀、被檢體的光學(xué)系數(shù)等以及聲匹配構(gòu)件的光學(xué)系數(shù)之類的參數(shù)來評估每個(gè)體素中的光量或圖像噪聲水平。接下來，操作單元19A確定每個(gè)體素中的光量是否大于或等于預(yù)定閾值或每個(gè)體素中的圖像噪聲是否低于或等于預(yù)定閾值。如果每個(gè)體素中的光量大于或等于預(yù)定閾值，則操作單元19A發(fā)送關(guān)于由控制器19C假設(shè)的發(fā)射位置圖案的信息。然后，控制器19C基于從操作單元19A接收的關(guān)于發(fā)射位置圖案的信息，通過控制光照射單元來控制發(fā)射位置。如果每個(gè)體素中的圖像噪聲水平低于或等于預(yù)定閾值，則操作單元19A發(fā)送關(guān)于由控制器19C假設(shè)的測量位置圖案的信息。然后，控制器19C基于從操作單元19A接收的關(guān)于測量位置圖案的信息，通過控制掃描器來控制測量位置。另一方面，如果每個(gè)體素中的光量小于預(yù)定閾值，則操作單元19A假設(shè)新的發(fā)射位置圖案，評估每個(gè)體素中的光量，并將光量與閾值進(jìn)行比較。如果每個(gè)體素中的圖像噪聲水平高于預(yù)定閾值，則操作單元19A假設(shè)新的測量位置圖案，評估每個(gè)體素中的噪聲水平，并且將圖像噪聲水平與閾值進(jìn)行比較。

在本發(fā)明中，術(shù)語“基于被檢體的形狀的信息”是指關(guān)于被檢體的表面的位置坐標(biāo)的信息或關(guān)于保持單元的類型的信息。短語“獲取基于被檢體的形狀的信息”意味著控制器19C接收基于被檢體的形狀的信息。

在下文中，將描述控制器19C獲取基于被檢體的形狀的信息的方法的示例。

控制器19C可以基于由圖像捕獲設(shè)備50獲取的被檢體的圖像數(shù)據(jù)來獲取基于被檢體的形狀的信息。首先，操作單元19A讀取由圖像捕獲設(shè)備50從存儲單元19B獲取的被檢體的圖像數(shù)據(jù)。接下來，操作單元19A基于被檢體的圖像數(shù)據(jù)計(jì)算關(guān)于被檢體的表面的坐標(biāo)信息，并將該坐標(biāo)信息輸出到控制器19C。例如，操作單元19A可以通過使用諸如立體方法之類的三維測量技術(shù)基于多個(gè)圖像數(shù)據(jù)項(xiàng)來計(jì)算關(guān)于被檢體的表面的坐標(biāo)信息。然后，控制器19C接收從操作單元19A輸出的關(guān)于被檢體的表面的位置坐標(biāo)的信息，并且可以獲取作為關(guān)于被檢體的形狀的信息的信息。

預(yù)先知道的關(guān)于保持單元40的位置坐標(biāo)的信息可以存儲在存儲單元19B中。然后，控制器19C可以從存儲單元19B讀取關(guān)于保持單元40的位置坐標(biāo)的信息，并且可以獲取作為關(guān)于被檢體的表面的位置坐標(biāo)的信息的信息。

可以設(shè)置檢測器42，其檢測附接到附接部41的保持單元40的類型，并且將關(guān)于保持單元40的類型的信息輸出到計(jì)算機(jī)19。然后，控制器19C可以接收從檢測器42輸出的關(guān)于保持單元40的類型的信息，并且可以獲取作為基于被檢體的形狀的信息的信息。例如，可以使用讀取安裝在保持單元40上并且表示保持單元40的類型的ID芯片的讀取器作為檢測器42。通過這樣做，可以在不執(zhí)行計(jì)算的情況下獲取基于被檢體的形狀的信息。

用戶可以通過使用輸入單元24輸入要使用的保持單元40的類型，并且輸入單元24可以將輸入信息輸出到計(jì)算機(jī)19。然后，控制器19C可以接收已經(jīng)從輸入單元24輸出的關(guān)于保持單元40的類型的信息，并且可以獲取作為基于被檢體的形狀的信息的信息。通過這樣做，可以在不執(zhí)行計(jì)算的情況下獲取基于被檢體的形狀的信息。

如果保持單元40的類型不改變并且不認(rèn)為保持單元40的尺寸由于設(shè)備規(guī)格而改變，則由控制器19C使用的基于被檢體的形狀的信息可以是恒定的。

控制器19C可以獲取已經(jīng)通過使用諸如時(shí)間分辨光譜之類的已知方法計(jì)算出的被檢體的光學(xué)系數(shù)或聲匹配構(gòu)件的光學(xué)系數(shù)。用戶可以通過使用輸入單元24輸入基于被檢體的形狀的信息、被檢體的光學(xué)系數(shù)或聲匹配構(gòu)件的光學(xué)系數(shù)；并且控制器19C可以接收這樣的信息項(xiàng)。

信息獲取裝置

接下來，參考圖11A和圖11B，將描述通過使用通過用光照射被檢體生成的光聲波來獲取關(guān)于被檢體的信息的信息獲取裝置。

信息獲取裝置包括上述光照射單元、掃描單元、保持單元、接收單元和處理單元。

用于用光照射被檢體的光照射單元(由圖11B中的151表示)具有例如用于發(fā)射光的光發(fā)射端，該光被從上述光源引導(dǎo)通過光波導(dǎo)。

例如，光照射單元被構(gòu)造成使得光照射單元可以周期性地發(fā)射脈沖光。

掃描單元在面內(nèi)方向(例如，與圖11B所示的X-Y平面平行的方向)上相對于被檢體移動光的發(fā)射位置150，光從光照射單元151從該發(fā)射位置150發(fā)射。不用說，掃描單元可以移動被檢體、光照射單元151或這兩者。在被檢體是乳房等的情況下，考慮到被檢體的負(fù)荷，光照射單元151可以被移動。

保持單元保持被檢體。具體地說，保持單元保持被檢體，使得被檢體具有其中從光照射單元的發(fā)射位置150到被檢體表面上的光照射位置152的距離L根據(jù)發(fā)射位置150而不同的部分。這里，距離L是在垂直于面內(nèi)方向的方向上的長度。

保持單元具有用于保持作為被檢體的示例的乳房的凹形，例如半球形形狀。只要保持單元具有用于插入乳房等的開口，則保持單元不必具有在與重力方向相反的方向(-Z方向)上支撐乳房等的結(jié)構(gòu)。

光的發(fā)射位置150是光從光照射單元發(fā)射的位置。光照射位置152是被光照射的被檢體表面上的位置。

圖11A中的點(diǎn)示出光的發(fā)射位置150的移動路徑的示例。從發(fā)射位置發(fā)射的光的強(qiáng)度可以被控制為在點(diǎn)之間恒定。當(dāng)發(fā)射具有兩個(gè)波長(λ1，λ2)的光束時(shí)，光束可以被交替地省略，即，按照λ1，λ2，λ1，λ2，λ1...的順序。具有兩個(gè)波長λ1和λ2的脈沖光束可以從一個(gè)發(fā)射位置發(fā)射。

作為用于接收光聲波的單元的接收單元包括例如電容微加工超聲換能器(CMUT)。

如上所述，處理單元通過使用從接收單元輸出的信號來獲取關(guān)于被檢體的信息。

接收單元可以被構(gòu)造成使得接收單元可以與光照射單元同步地由掃描單元移動。例如，準(zhǔn)備設(shè)置有光照射單元和接收單元的支撐構(gòu)件，并且支撐構(gòu)件相對于被檢體移動。

由掃描單元形成的多個(gè)發(fā)射位置至少包括第一發(fā)射位置組(例如，圖11A的區(qū)域100中的發(fā)射位置)和第二發(fā)射位置組(例如，圖11A的區(qū)域200中的發(fā)射位置)。

第一發(fā)射位置組包括多個(gè)發(fā)射位置，對于每個(gè)發(fā)射位置，從發(fā)射位置150到光照射位置152的距離在第一范圍內(nèi)。

同樣，第二發(fā)射位置組包括多個(gè)發(fā)射位置，對于每個(gè)發(fā)射位置，從發(fā)射位置150到光照射位置152的距離處于由大于第一范圍中的任何值的值構(gòu)成的第二范圍中。

在圖11A中，在一個(gè)區(qū)域100(或200)中繪制大量發(fā)射位置。然而，可以考慮包括至少幾個(gè)發(fā)射位置的區(qū)域。

一個(gè)組中的發(fā)射位置之間的距離可以逐漸改變。

控制掃描單元，使得包括在第一發(fā)射位置組中的發(fā)射位置的密度比包括在第二發(fā)射位置組中的發(fā)射位置的密度高。

這里，發(fā)射位置的密度是預(yù)定區(qū)域中的發(fā)射位置的數(shù)量的密度，并且也可以稱為表面密度。注意，在脈沖光在一個(gè)發(fā)射位置發(fā)射兩次的情況下，發(fā)射位置的數(shù)量被計(jì)數(shù)為兩個(gè)。

在本裝置中，預(yù)定區(qū)域中的多個(gè)發(fā)射位置的分布可以根據(jù)光照射單元移動的面內(nèi)方向而不同。

可以通過將脈沖光的循環(huán)頻率保持為恒定并且通過調(diào)制掃描單元的掃描速度來控制發(fā)射位置的分布的密度。替代地，可以通過將掃描單元的掃描速度保持為恒定的同時(shí)調(diào)制發(fā)射的脈沖光的循環(huán)頻率來控制發(fā)射位置的分布的密度。另外，替代地，可以使用掃描速度的調(diào)制和脈沖光的循環(huán)頻率的調(diào)制二者。

掃描單元可以執(zhí)行掃描，使得多個(gè)發(fā)射位置形成螺旋移動路徑。信息獲取裝置可以被構(gòu)造成使得在多個(gè)發(fā)射位置處，具有彼此不同的波長的脈沖光束從光照射單元交替地發(fā)射。

可以控制掃描單元，使得形成螺旋移動路徑的多個(gè)發(fā)射位置之間的距離從螺旋移動路徑的外部朝向內(nèi)部減小。

光照射單元可以具有多個(gè)發(fā)射端，并且控制器可以通過切換發(fā)射光的發(fā)射端來移動發(fā)射位置。

其它實(shí)施例

本發(fā)明可以通過執(zhí)行下述方法來執(zhí)行。也就是說，實(shí)現(xiàn)上述實(shí)施例的功能的軟件(程序)通過網(wǎng)絡(luò)或各種存儲介質(zhì)提供給系統(tǒng)或裝置，并且系統(tǒng)或設(shè)備的計(jì)算機(jī)(或CPU、MPU等)讀取程序并執(zhí)行處理。

示例1

將描述實(shí)現(xiàn)光聲成像的光聲裝置的示例。這里，將示出被檢體是人乳房的情況的示例。

圖7示出了用于測量乳房的光聲裝置。該裝置包括其上放置被檢體的平臺(T)和厚度為0.02英寸的半球形塑料杯(C)。對應(yīng)于被檢體保持單元的半球形塑料杯(C)是用于保持乳房的乳房杯。作為被檢體保持單元的乳房杯(C)具有彎曲的保持表面，并且將乳房保持為沿著彎曲保持表面的形狀。為了保持乳房和乳房杯(C)之間的聲學(xué)匹配，將少量的水倒入乳房杯中。

圖8示出設(shè)置在乳房杯下方的半球形陣列接收器(A)和移動陣列接收器(A)的兩軸臺(XY)。兩軸臺由計(jì)算機(jī)19控制。陣列接收器(A)包括由ABS塑料制成的半球形支撐部(半徑為127mm)和512ch的聲波接收元件。每個(gè)聲波接收元件具有3mm寬度的直徑，并且由具有2MHz的中心頻率的壓電材料制成。

陣列接收器(A)和用于保持陣列接收器(A)的塑料池(E)內(nèi)的空間填充有水，用于保持512ch的聲波接收元件和乳房杯的聲匹配。水已經(jīng)通過反滲透膜過濾。從綠寶石激光器發(fā)射的脈沖激光束(75ns，300mJ/脈沖)具有7mm的寬度，并且通過可移動臂用激光束照射被檢體?？梢苿颖叟c陣列接收器(A)一起移動，并且激光束(L)從探頭的底表面垂直地發(fā)射。通過使用設(shè)置在陣列接收器(A)的底表面處的具有12mm直徑的凸透鏡來增加激光束的直徑，并且最后用60mm的直徑照射乳房杯(C)的底表面。中心處的光量的峰值強(qiáng)度為約10mJ/cm²，這低于ANSI推薦的MPE。

圖9是表示陣列接收器(A)、池(E)、平臺(T)和乳房杯(C)之間的關(guān)系的光聲裝置的示意性截面圖。池(E)保持陣列接收器(A)，使得陣列接收器(A)可以沿著乳房表面平行地移動。池(E)被配置成充滿水，以便保持陣列接收器和乳房的聲匹配。最大成像體積(1335mL)根據(jù)乳房杯(C)的曲率半徑、要放置乳房的開口的寬度(184mm)和杯的深度來確定。最大成像體積示于圖9中。

關(guān)于該系統(tǒng)，通過考慮裝置特性來執(zhí)行模擬，針對每個(gè)體素計(jì)算可以用對比度5識別對比模型中的紅點(diǎn)圖案的圖像噪聲。在本示例中，圖5A中所示的分布被用作滿足圖像噪聲的發(fā)射位置和測量位置的分布。螺旋移動路徑被用作移動路徑。作為比較示例，如圖1所示，以基本相等的距離對測量位置和發(fā)射位置進(jìn)行采樣。在本示例和比較示例中，測量位置和發(fā)射位置的數(shù)量為2048，并且掃描器21的最大移動半徑為100mm。來自每個(gè)光發(fā)射的512ch的聲波接收元件的數(shù)據(jù)以20MHzd、2048采樣和12比特進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換。隨后，基于接收的信號數(shù)據(jù)，通過使用反投影算法重建三維光聲圖像。

接下來，將描述通過使用對比模型檢查本示例的效果的結(jié)果。對比模型是其中分散有紅點(diǎn)的20cm的區(qū)域，并且對比模型被成像。紅點(diǎn)陣列以30mm的深度埋入聚氨酯樹脂中，并位于乳房杯(C)的中心。圖10A和圖10B示出了在根據(jù)本示例的發(fā)射位置和測量位置處(其被示于圖5A中)以及在根據(jù)比較示例的發(fā)射位置和測量位置處(其被示于圖4A中)獲取的在約30mm的厚度處的對比模型的光聲圖像。也就是說，圖10A示出通過使用其中測量位置和發(fā)射位置的分布的密度朝向分布的中心增加的螺旋掃描圖案捕獲的光聲圖像。另一方面，圖10B示出通過使用其中測量位置和發(fā)射位置的分布的密度基本上均勻的螺旋掃描圖案捕獲的光聲圖像。

通過比較圖10A和圖10B，圖10A中所有點(diǎn)圖案可以以相同的亮度識別。另一方面，難以識別圖10B的圖像的中心部分中的點(diǎn)圖案。其原因如下。在根據(jù)本示例的光聲裝置中，乳房杯具有如圖9所示的半球形。因此，設(shè)置在乳房杯中的模型在中心部分具有大的厚度，以及在周邊部分處減小的小的厚度。當(dāng)如圖1所示的從下方用激光束照射這種模型時(shí)，當(dāng)比較相同厚度處的平面時(shí)，因?yàn)槟Ｐ偷闹行牟糠趾?，所以中心部分的光量低。結(jié)果，從作為對比模型的紅點(diǎn)生成的聲壓在中心部分低，并且在周邊部分高。也就是說，由于模型中的光量分布，所生成的聲壓在具有相同吸收系數(shù)的點(diǎn)之間不同。因此，當(dāng)形成具有均勻圖像噪聲的圖像時(shí)，如圖10B所示，形成其中中心部分處的點(diǎn)的亮度低的圖像(如圖10B所示)。另一方面，考慮測量位置和發(fā)射位置的分布的密度朝向中心增加以便進(jìn)一步減少其中所生成的聲壓低的中心部分中的圖像噪聲的情況。在這種情況下，在測量位置和發(fā)射位置的分布的密度高的區(qū)域中，由于圖像重建偽像引起的圖像噪聲和由于系統(tǒng)噪聲引起的圖像噪聲減小。因此，當(dāng)通過圖像重建形成圖像時(shí)，形成如圖10A中所示的其中紅點(diǎn)均勻地顯示的圖像。也就是說，當(dāng)紅色點(diǎn)的亮度由S表示并且圍繞紅點(diǎn)的區(qū)域的亮度由N表示時(shí)，圖10A中所示的圖像在相同深度處可以維持基本均勻的S/N(圖像對比度)。

如上所述，利用根據(jù)本示例的光聲裝置，可以將感興趣區(qū)域的每個(gè)體素中包括的圖像噪聲的水平降低到低于或等于閾值的水平。

到目前為止，已經(jīng)參照具體實(shí)施例詳細(xì)描述了本發(fā)明。然而，本發(fā)明不限于特定實(shí)施例，并且可以在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)修改實(shí)施例。

其它實(shí)施例

本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例也可以由讀出并執(zhí)行在存儲介質(zhì)(其也可被更完整地稱作‘非瞬時(shí)計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)’)上記錄的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令(例如，一個(gè)或多個(gè)程序)以執(zhí)行上述實(shí)施例中的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的功能和/或包括用于執(zhí)行上述實(shí)施例中的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的功能的一個(gè)或多個(gè)電路(例如，專用集成電路(ASIC))的系統(tǒng)或裝置的計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，以及通過由系統(tǒng)或裝置的計(jì)算機(jī)例如通過讀出并執(zhí)行來自存儲介質(zhì)的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令以執(zhí)行上述實(shí)施例中的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的功能并且/或者控制一個(gè)或多個(gè)電路以執(zhí)行上述實(shí)施例中的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的功能來執(zhí)行的方法來實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)可以包括一個(gè)或多個(gè)處理器(例如，中央處理單元(CPU)、微處理單元(MPU))并且可以包括用來讀出并執(zhí)行計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令的單獨(dú)計(jì)算機(jī)或單獨(dú)處理器的網(wǎng)絡(luò)。計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令可以例如從網(wǎng)絡(luò)或者存儲介質(zhì)被提供給計(jì)算機(jī)。存儲介質(zhì)可以包括例如硬盤、隨機(jī)存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、分布式計(jì)算系統(tǒng)的存儲裝置、光盤(諸如緊湊盤(CD)、數(shù)字多用途盤(DVD)或者藍(lán)光盤(BD)^TM)、閃存裝置、存儲卡等中的一個(gè)或多個(gè)。

雖然已經(jīng)參考實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于所公開的實(shí)施例。所附權(quán)利要求的范圍應(yīng)被賦予最寬泛的解釋，以便包括所有這樣的修改以及等同結(jié)構(gòu)和功能。

本申請要求于2014年9月5日提交的美國專利申請No.62/046364的權(quán)益，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。