光聲成像裝置及其方法
【專利摘要】提供了一種用于執(zhí)行光聲成像和吸收系數(shù)圖的重構(gòu)的被檢體信息獲取裝置，該被檢體信息獲取裝置可以獲得其中被檢體中的局部注量分布的影響降低的圖像。信號(hào)處理裝置包括區(qū)域提取單元和光學(xué)常數(shù)估計(jì)單元。區(qū)域提取單元從被檢體的光學(xué)特性值分布提取具有已知的吸收系數(shù)的兩個(gè)或更多個(gè)區(qū)域。光學(xué)常數(shù)估計(jì)單元通過(guò)使用由區(qū)域提取單元提取的兩個(gè)或更多個(gè)區(qū)域的光學(xué)特性值和從預(yù)先對(duì)被檢體背景設(shè)置的光學(xué)常數(shù)獲得的局部注量分布來(lái)估計(jì)被檢體背景的光學(xué)常數(shù)。
【專利說(shuō)明】光聲成像裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種通過(guò)使用光聲波來(lái)產(chǎn)生被檢體的光學(xué)特性值分布的被檢體信息 獲取裝置和用于該被檢體信息獲取裝置獲取被檢體信息的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中積極地進(jìn)行了對(duì)于將來(lái)自諸如激光器的光源的光發(fā)射到活體中并 且創(chuàng)建表示關(guān)于基于入射光而獲得的活體內(nèi)部的信息的圖像的光學(xué)成像裝置的研究。這種 光學(xué)成像技術(shù)中的一種技術(shù)是光聲成像（PAI)。在PAI中，活體被從光源生成的脈沖光照 射，從該活體的、吸收在該活體中傳播并漫射的脈沖光的能量的組織生成的聲波(典型地， 超聲波）被檢測(cè)，并且基于所檢測(cè)的信號(hào)來(lái)執(zhí)行成像（圖像的創(chuàng)建)，以使得所創(chuàng)建的圖像表 示活體信息。
[0003]也就是說(shuō)，通過(guò)利用諸如腫瘤的被檢體區(qū)域的光能吸收率與被檢體的其他組織的 光能吸收率之間的差異，當(dāng)被檢體區(qū)域吸收所接收的光能并即刻膨脹時(shí)所生成的彈性波被 作為檢測(cè)器的聲波探頭(也被稱為探頭或換能器）檢測(cè)。對(duì)所檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行分析，以使得 獲得表示光學(xué)特性值分布(諸如初始?jí)毫Ψ植肌⒐鈱W(xué)能量吸收密度分布或光學(xué)吸收系數(shù)分 布）的圖像。
[0004]通過(guò)借助于具有各種波長(zhǎng)的光對(duì)被檢體進(jìn)行測(cè)量，可以利用這些條圖像信息來(lái)對(duì) 被檢體中的特定物質(zhì)(諸如包括在血液中的血紅蛋白濃度或血液的氧飽和度）進(jìn)行量化測(cè)量。
[0005]最近，通過(guò)使用這種光聲成像，積極地進(jìn)行了對(duì)于小動(dòng)物的血管圖像的成像的臨 床前研究和對(duì)于這個(gè)原理的應(yīng)用的臨床研究以診斷例如乳腺癌、前列腺癌和頸動(dòng)脈斑塊。
[0006]在光聲成像中，關(guān)于由于光吸收而從吸收體生成的光聲波的初始聲壓（PJ可以用 以下方程表達(dá)。
[0007]【數(shù)學(xué)式1】
[0008]p0=r ? u a ? o--- (i)
[0009]這里，r表示通過(guò)將熱膨脹系數(shù)（@)和聲速（C)的平方的乘積除以恒壓比熱（cP) 而獲得的Grueneisen系數(shù)。符號(hào)U a表示吸收體的光學(xué)吸收系數(shù)，O表示照射吸收體的光 量(局部光學(xué)注量（fluence))。已知Grueneisen系數(shù)r對(duì)于相同組織具有基本上恒定的 值。因此，通過(guò)對(duì)多個(gè)位置中的作為聲波的幅度的聲壓P的變化進(jìn)行測(cè)量和分析，可以獲得 1^和O的乘積，即，光學(xué)能量吸收密度分布。
[0010]在光聲成像中，如從上述方程（1)可以理解的，為了從聲壓（P)的測(cè)量結(jié)果確定量 化成像所需的被檢體中的吸收系數(shù)（ya)分布，有必要以某種方式確定照射生成光聲波的 吸收體的光量（O)。然而，引入到被檢體(特別地，活體）內(nèi)部的光表現(xiàn)出諸如強(qiáng)漫射的行 為，使得難以估計(jì)照射吸收體的光量。
[0011]因此，當(dāng)沒(méi)有進(jìn)行具體測(cè)量時(shí)，光聲成像所具有的問(wèn)題在于，僅表示通過(guò)將光學(xué)能 量吸收密度分布乘以r而獲得的初始聲壓（匕）分布或光學(xué)能量吸收密度（yaxo)分布的圖像可以基于聲波的聲壓的測(cè)量結(jié)果而產(chǎn)生。例如，即使當(dāng)光吸收體由相同物質(zhì)組成并且具有相同的吸收系數(shù)時(shí)，這樣的光吸收體也根據(jù)活體中的局部注量分布(例如，離光源的距離)的影響以不同的對(duì)比度被顯示。
[0012]引文列表
[0013]非專利文獻(xiàn)
[0014]NPLl^Photoacoustic imaging in biomedicine^, M.Xu, L.V.Wang, REVIEW OFSCIENTIFIC INSTURUMENT, 77，041101, 2006

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]技術(shù)問(wèn)題
[0016]如上所述，光聲成像所具有的問(wèn)題在于，難以精確地計(jì)算照射吸收體的局部注量分布(Φ)，結(jié)果，難以適當(dāng)?shù)赜?jì)算諸如吸收系數(shù)分布的光學(xué)特性值分布。
[0017]因此，本發(fā)明提供一種可以獲得其中照射吸收體的局部注量分布(Φ )的影響降低的光學(xué)特性值分布的被檢體信息獲取裝置和用于獲取被檢體信息的方法。
[0018]問(wèn)題的解決方案
[0019]為了克服上述問(wèn)題，提供一種包括光源、檢測(cè)器和信號(hào)處理裝置的被檢體信息獲取裝置。光源用光照射被檢體。檢測(cè)器檢測(cè)被檢體由于光而生成的聲波。信號(hào)處理裝置基于從檢測(cè)器獲得的檢測(cè)信號(hào)來(lái)產(chǎn)生被檢體的光學(xué)特性值分布。信號(hào)處理裝置包括區(qū)域提取單元和光學(xué)常數(shù)估計(jì)單元。區(qū)域提取單元從被檢體的光學(xué)特性值分布提取具有已知的吸收系數(shù)的兩個(gè)或更多個(gè)區(qū)域。光學(xué)常數(shù)估計(jì)單元`通過(guò)使用由區(qū)域提取單元提取的兩個(gè)或更多個(gè)區(qū)域的光學(xué)特性值和從預(yù)先針對(duì)被檢體背景設(shè)置的光學(xué)常數(shù)獲得的局部注量分布來(lái)估計(jì)被檢體背景的光學(xué)常數(shù)。
[0020]本發(fā)明的有益效果
[0021]本發(fā)明可以提供一種可以獲得其中照射吸收體的局部注量分布(Φ)的影響降低的光學(xué)特性值分布的被檢體信息獲取裝置和用于獲取被檢體信息的方法。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的被檢體信息獲取裝置的配置的示意圖。
[0023]圖2是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的對(duì)檢測(cè)信號(hào)的示例性處理的流程圖。
[0024]圖3A是示出示例性圖像的示圖，圖3B至3D是示出計(jì)算結(jié)果的曲線圖。
[0025]圖4是示出其中局部注量分布的影響降低的示例性圖像的示圖。
[0026]圖5是示出在第二實(shí)施例中描述的裝置配置的示意圖。
[0027]圖6A至6C是用于解釋從光學(xué)特性值分布提取兩個(gè)或更多個(gè)區(qū)域的例子的示圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0028]以下將參照附圖來(lái)更詳細(xì)地描述本發(fā)明。原則上，相同的組件用相同的標(biāo)號(hào)指定，并且將不作描述。
[0029]參照?qǐng)D1，將描述根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的被檢體信息獲取裝置的配置。根據(jù)實(shí)施例的被檢體信息獲取裝置是創(chuàng)建表示關(guān)于被檢體內(nèi)部的光學(xué)特性值信息的圖像的裝置。[0030]在本文中，光學(xué)特性值信息通常指示初始聲壓分布(Ptl)或光學(xué)能量吸收密度分布(μ a.Φ)或者從這些分布推導(dǎo)的光學(xué)吸收系數(shù)分布(μ a)。
[0031]基本配置
[0032]根據(jù)實(shí)施例的被檢體信息獲取裝置具有包括光源11、檢測(cè)器17和信號(hào)處理裝置19的基本硬件配置。從光源11發(fā)射的脈沖光12在被包括例如透鏡、反射鏡、光纖和漫射板的光學(xué)系統(tǒng)處理以被成形為所需形式的同時(shí)被引導(dǎo)，并進(jìn)入諸如活體的被檢體15。
[0033]當(dāng)光學(xué)能量的傳播通過(guò)被檢體15內(nèi)部的一部分被吸收到諸如血管的光吸收體14中時(shí)，由于光吸收體14的熱膨脹,生成聲波16,聲波16是彈性波。這些可以被稱為“光聲波”。
[0034]聲波16被檢測(cè)器17檢測(cè)，并且被信號(hào)收集器18放大和轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。然后，關(guān)于被檢體15的光學(xué)特性值分布由信號(hào)處理裝置19產(chǎn)生，并作為圖像數(shù)據(jù)輸出。該圖像數(shù)據(jù)在顯示裝置20上顯示為圖像。
[0035]用于獲取被檢體信息的方法
[0036]將參照附圖來(lái)描述作為本發(fā)明的特征的、由信號(hào)處理裝置19執(zhí)行的用于獲取被檢體信息的不例性方法。該描述中的標(biāo)號(hào)均對(duì)應(yīng)于圖2中的處理中的對(duì)應(yīng)一個(gè)處理的編號(hào)。
[0037]在步驟S201中，產(chǎn)生光學(xué)特性值分布。在這個(gè)步驟中，使用接收信號(hào)來(lái)執(zhí)行圖像重構(gòu)，以使得產(chǎn)生關(guān)于被檢體的光學(xué)特性值分布(第一光學(xué)特性值分布)。這里，關(guān)于被檢體的光學(xué)特性值分布意指例如方程(I)所表達(dá)的、通過(guò)將吸收系數(shù)分布乘以局部注量分布而獲得的初始聲壓分布或光學(xué)能量吸收密度分布。這個(gè)第一光學(xué)特性值分布取決于局部注量分布。
[0038]例如，第一產(chǎn)生單元19a通過(guò)使用所接收的數(shù)字信號(hào)來(lái)產(chǎn)生第一光學(xué)特性值分布，所述所接收的數(shù)字信號(hào)為檢測(cè)信號(hào)并從信號(hào)收集器18獲得。
[0039]可以通過(guò)使用典型的光聲成像中所使用的各種圖像重構(gòu)處理來(lái)執(zhí)行這個(gè)處理。例如，斷層掃描技術(shù)中通常使用的時(shí)域背投方法和傅立葉變換方法可以用作圖像重構(gòu)算法。當(dāng)可以花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行重構(gòu)時(shí)，可以使用執(zhí)行大量矩陣運(yùn)算的圖像重構(gòu)技術(shù)，諸如基于模型的方法。用于PAI的典型的圖像重構(gòu)技術(shù)包括傅立葉變換方法、背投方法、時(shí)間反轉(zhuǎn)方法、解卷積方法和基于模型的方法。在本發(fā)明中，可以使用任何圖像重構(gòu)技術(shù)。
[0040]當(dāng)例如使用對(duì)有限觀測(cè)點(diǎn)執(zhí)行檢測(cè)的聚焦型檢測(cè)器并且從這樣的檢測(cè)器接收的信號(hào)最初與深度方向上的圖像成比例時(shí)，不需要執(zhí)行圖像重構(gòu)，并且可以直接將接收信號(hào)轉(zhuǎn)換為圖像數(shù)據(jù)。
[0041]在步驟S202中，從光學(xué)特性值分布提取兩個(gè)或更多個(gè)區(qū)域。在這個(gè)步驟中，從在步驟S201中產(chǎn)生的第一光學(xué)特性值分布提取具有已知的吸收系數(shù)的兩個(gè)或更多個(gè)區(qū)域。只要這兩個(gè)或更多個(gè)區(qū)域的吸收系數(shù)是已知的，這些區(qū)域的吸收系數(shù)就可以是相同的，或者可以不同。另外，只要將被提取的區(qū)域具有任何量化數(shù)據(jù)，這些區(qū)域就不一定是圖像數(shù)據(jù)。
[0042]圖6A示出用于提取區(qū)域的示例性方法。因?yàn)檎丈浔粰z體61的光60根據(jù)入射深度而衰減,所以照射期間的光量在血管62中的區(qū)域63和64中不同。因?yàn)閰^(qū)域63和64是同一血管的部分，所以這些區(qū)域的吸收系數(shù)相同。在這個(gè)步驟中，如上所述，可以從同一光吸收體提取兩個(gè)或更多個(gè)區(qū)域。
[0043]圖6B示出從不同的光吸收體提取兩個(gè)或更多個(gè)區(qū)域的例子。因此，在這個(gè)步驟中，只要區(qū)域65和66的吸收系數(shù)是已知的，就可以提取這些區(qū)域。例如，可以引入并利用具有事先已知的吸收系數(shù)的造影劑。
[0044]圖6C示出從被檢體61外部提供的光吸收體提取兩個(gè)或更多個(gè)區(qū)域的例子。因此，在這個(gè)步驟中，光吸收體67可以在被檢體61的外部提供，并且可以提取作為光吸收體67的部分的區(qū)域68和69。
[0045]所述裝置可以自動(dòng)地提取區(qū)域，或者使用所述裝置的操作者可以指定區(qū)域，以使得這些區(qū)域被提取。
[0046]例如，區(qū)域提取單兀19b從表不由第一產(chǎn)生單兀19a獲得的第一光學(xué)特性值分布的圖像提取例如具有相同吸收系數(shù)的圖像數(shù)據(jù)區(qū)域。也就是說(shuō)，從至少一個(gè)光吸收體的圖像數(shù)據(jù)指定所述至少一個(gè)光吸收體中吸收系數(shù)相同的位置。
[0047]圖3A示出通過(guò)在步驟S201中執(zhí)行的處理而獲得的第一光學(xué)特性值分布的例子。在圖3A中，標(biāo)示字符A、B和C所表示的區(qū)域表示已經(jīng)受了成像的光吸收體。每個(gè)區(qū)域的對(duì)比度(顏色強(qiáng)度)表示例如光學(xué)能量吸收密度或初始聲壓的幅度。盡管與圖3A中的標(biāo)示字符A、B和C對(duì)應(yīng)的光吸收體的吸收系數(shù)相同，但是對(duì)比度不同。
[0048]在步驟S203中，對(duì)被檢體背景的光學(xué)常數(shù)進(jìn)行估計(jì)。在這個(gè)步驟中，通過(guò)使用在步驟S202中提取的兩個(gè)或更多個(gè)區(qū)域的光學(xué)特性值(諸如初始聲壓或光學(xué)能量吸收密度)和預(yù)先針對(duì)被檢體背景設(shè)置的光學(xué)常數(shù)來(lái)估計(jì)被檢體背景的光學(xué)常數(shù)。
[0049]在這個(gè)步驟中將被估計(jì)的被檢體背景的光學(xué)常數(shù)包括例如被檢體背景的吸收系數(shù)(μ ab)、散射系數(shù)(μ sb)和各向異性參數(shù)(gb)。散射系數(shù)(μ sb)和各向異性參數(shù)(gb)包括在優(yōu)化散射系數(shù)(reduced scattering coefficient) ( μ s’b)中，并且吸收系數(shù)(μ ab)和優(yōu)化散射系數(shù)(μ s’b)可以被獲得作為被檢體背景的光學(xué)常數(shù)。此外，吸收系數(shù)(P ab)和優(yōu)化散射系數(shù)(μ s’ b)包括在有效衰減系數(shù)(μ beff)中，并且有效衰減系數(shù)(μ \ff )可以被獲得作為被檢體背景的光學(xué)常數(shù)。
[0050]例如，光學(xué)常數(shù)估計(jì)單元19c從所提取的具有相同吸收系數(shù)的多條圖像數(shù)據(jù)估計(jì)被檢體背景的光學(xué)常數(shù)。在以下描述中，將吸收系數(shù)和優(yōu)化散射系數(shù)作為被檢體背景的光學(xué)常數(shù)的例子進(jìn)行估計(jì)。
[0051]在被檢體是活體的情況下，當(dāng)發(fā)射的光是500至900nm的近紅外光時(shí)，活體中的主要光吸收體是氧合/脫氧血紅蛋白。換句話講，主要?jiǎng)?chuàng)建具有大量血紅蛋白的血管的圖像。這里，假設(shè)位于任何位置中的血管中的血液的吸收系數(shù)是相同的。
[0052]在這個(gè)假設(shè)下，方程(I)中的吸收系數(shù)(μ a)和Grueneisen系數(shù)0- )的值在血管圖像中是恒定的。也就是說(shuō)，伽馬和μ 3是常數(shù)，以使得PciOO是僅取決于局部注量分布Φ (r)的函數(shù)。當(dāng)被檢體的光學(xué)常數(shù)、形狀、光照射分布(光源分布)被確定時(shí)，可以通過(guò)計(jì)算來(lái)獲得局部注量分布Φ (r)。
[0053]將使用方程來(lái)進(jìn)行具體描述。假設(shè)初始聲壓分布Ptl (r)被獲得作為第一光學(xué)特性值分布。另外，假設(shè)光吸收體的位置r處的光量由被檢體背景的吸收系數(shù)(μ ab)和優(yōu)化散射系數(shù)(ys’b)確定。方程(I)將是以下方程。
[0054]【數(shù)學(xué)式2】[0055]
【權(quán)利要求】
1.一種被檢體信息獲取裝置，包括: 光源，所述光源被配置為用光照射被檢體； 檢測(cè)器，所述檢測(cè)器被配置為檢測(cè)被檢體由于光而生成的聲波；以及信號(hào)處理裝置，所述信號(hào)處理裝置被配置為基于從檢測(cè)器獲得的檢測(cè)信號(hào)來(lái)產(chǎn)生被檢體的光學(xué)特性值分布， 其中，所述信號(hào)處理裝置包括: 區(qū)域提取單元，所述區(qū)域提取單元被配置為從被檢體的光學(xué)特性值分布提取具有已知的吸收系數(shù)的兩個(gè)或更多個(gè)區(qū)域，以及 光學(xué)常數(shù)估計(jì)單元，所述光學(xué)常數(shù)估計(jì)單元被配置為通過(guò)使用由區(qū)域提取單元提取的所述兩個(gè)或更多個(gè)區(qū)域的光學(xué)特性值和從預(yù)先對(duì)被檢體背景設(shè)置的光學(xué)常數(shù)獲得的局部注量分布來(lái)估計(jì)被檢體背景的光學(xué)常數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的被檢體信息獲取裝置，其中，所述光學(xué)特性值是初始聲壓分布或光學(xué)能量吸收密度分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的被檢體信息獲取裝置，其中，所述被檢體背景的光學(xué)常數(shù)是吸收系數(shù)、散射系數(shù)、各向異性參數(shù)、優(yōu)化散射系數(shù)和有效衰減系數(shù)中的任何一個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的被檢體信息獲取裝置，其中，光吸收體是血管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的被檢體信息獲取裝置，其中，光吸收體在被檢體外部提供，并且其中，所述兩個(gè)或更多個(gè)區(qū)域是被檢體外部的區(qū)域。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的被檢體信息獲取裝置，其中，所述光吸收體是被檢體中提供的造影劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的被檢體信息獲取裝置，其中，所述光學(xué)常數(shù)估計(jì)單元通過(guò)使基于所述兩個(gè)或更多個(gè)區(qū)域的初始聲壓分布和預(yù)先設(shè)置的光學(xué)常數(shù)而定義的目標(biāo)函數(shù)最小來(lái)估計(jì)被檢體背景的光學(xué)常數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的被檢體信息獲取裝置，其中，所述信號(hào)處理裝置還包括產(chǎn)生單元，所述產(chǎn)生單元被配置為通過(guò)使用由光學(xué)常數(shù)估計(jì)單元估計(jì)的被檢體背景的光學(xué)常數(shù)來(lái)計(jì)算被檢體的局部注量分布，并基于局部注量分布來(lái)產(chǎn)生被檢體的光學(xué)特性值分布。
9.一種用于被檢體信息獲取裝置的方法，所述方法包括以下步驟: 檢測(cè)被檢體由于照射所述被檢體的光而生成的聲波； 基于在檢測(cè)步驟中獲得的檢測(cè)信號(hào)來(lái)產(chǎn)生被檢體的光學(xué)特性值分布； 從被檢體的光學(xué)特性值分布提取具有已知的吸收系數(shù)的兩個(gè)或更多個(gè)區(qū)域；以及通過(guò)使用所述兩個(gè)或更多個(gè)區(qū)域的光學(xué)特性值和從預(yù)先對(duì)被檢體背景設(shè)置的光學(xué)常數(shù)獲得的局部注量分布來(lái)估計(jì)被檢體背景的光學(xué)常數(shù)。
10.一種使計(jì)算機(jī)執(zhí)行以下步驟的程序: 基于檢測(cè)信號(hào)來(lái)產(chǎn)生被檢體的光學(xué)特性值分布，所述檢測(cè)信號(hào)通過(guò)檢測(cè)被檢體由于照射所述被檢體的光而生成的聲波而獲得； 從被檢體的光學(xué)特性值分布提取具有已知的吸收系數(shù)的兩個(gè)或更多個(gè)區(qū)域；以及通過(guò)使用所述兩個(gè)或更多個(gè)區(qū)域的光學(xué)特性值和從預(yù)先對(duì)被檢體背景設(shè)置的光學(xué)常數(shù)獲得的局部注量分布來(lái)估計(jì)被檢體背景的光學(xué)常數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01N21/17GK103492871SQ201280019002
【公開(kāi)日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2012年4月5日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月18日
【發(fā)明者】福谷和彥 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社