專(zhuān)利名稱(chēng)：光聲成像設(shè)備、光聲成像方法和用于執(zhí)行光聲成像方法的程序的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光聲成像設(shè)備、光聲成像方法和用于執(zhí)行光聲成像方法的程序。
背景技術(shù)：
已經(jīng)積極地進(jìn)行了對(duì)通過(guò)允許從光源發(fā)射的光(諸如激光束)進(jìn)入和傳播通過(guò)被檢體來(lái)獲得關(guān)于被檢體的內(nèi)部的信息的光聲成像設(shè)備的研究。在PTL I中,提出了光聲層析成像術(shù)(PAT)作為這種光聲成像技術(shù)。PAT是通過(guò)利用從光源發(fā)射的脈沖光照射生物體(被檢體)、接收在已經(jīng)傳播和擴(kuò) 散通過(guò)被檢體的光被生物體的組織吸收時(shí)產(chǎn)生的聲波并且分析地處理接收的聲波來(lái)可視化與作為被檢體的生物體的內(nèi)部的光學(xué)特性有關(guān)的信息的技術(shù)。以這種方式，可以獲得關(guān)于生物信息(諸如被檢體中的光學(xué)特性值分布，并且特別是光能吸收密度分布)的信息。在PAT中，從被檢體內(nèi)的光吸收體產(chǎn)生的聲波的初始聲壓Ptl可以由以下表達(dá)式表
/Jn οP0= Γ · μ a · Φ (I)這里，Γ表示Griineisen系數(shù),并且通過(guò)將等壓的(isobaric)體膨脹系數(shù)β與音速c的平方的乘積除以等壓比熱Cp而獲得。已知Γ在被檢體被指定時(shí)是基本上恒定的值，其中μ a表示吸收體的光吸收系數(shù)，并且Φ表示局部區(qū)域中的光強(qiáng)(其是入射在吸收體上的光的強(qiáng)度并且也被稱(chēng)為光流量)。作為傳播通過(guò)被檢體的聲波的量的聲壓P的隨時(shí)間的變化被測(cè)量，并且根據(jù)測(cè)量的結(jié)果計(jì)算初始聲壓分布。通過(guò)將計(jì)算的初始聲壓分布除以Grilneisen系數(shù)Γ，可以獲得口3與Φ的乘積的分布(即，光能吸收密度分布)。如表達(dá)式I表示的，為了根據(jù)初始聲壓分布的分布獲得光吸收系數(shù)μ a的分布，需要確定被檢體內(nèi)的光強(qiáng)Φ的分布。在利用一樣的光量照射相對(duì)于被檢體的厚度足夠大的區(qū)域時(shí)，在光作為平面波傳播通過(guò)被檢體時(shí)可以通過(guò)以下表達(dá)式表現(xiàn)被檢體中的光強(qiáng)的分布Φ。Φ = Φ0 · exp (- μ eff · d) (2)這里，μ eff表示被檢體的平均有效衰減系數(shù)，并且Otl表示從光源入射在被檢體上的光量(在被檢體的表面處的光強(qiáng))。此外，d表不在利用從光源發(fā)射的光照射的被檢體的表面上的區(qū)域(光照射區(qū)域)與被檢體中的光吸收體之間的距離。通過(guò)使用由表達(dá)式2表示的光強(qiáng)分布Φ，可以根據(jù)表達(dá)式I的光能吸收密度分布(μ3φ)計(jì)算光吸收系數(shù)分布(μ a)。引文列表專(zhuān)利文獻(xiàn)PTL I 美國(guó)專(zhuān)利 No. 571335
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題然而，在被檢體的形狀不簡(jiǎn)單時(shí)和/或在從光源發(fā)射的入射在被檢體上的光的量不均勻時(shí)，被檢體的表面上的光照射區(qū)域的面積和照射光強(qiáng)分布是不均勻的。因此，被檢體中的光強(qiáng)在從被照射表面向內(nèi)的方向上是不均勻的。因此，不能使用表達(dá)式2。因此，為了精確確定被檢體中的光學(xué)特性值分布，需要考慮這種不均勻的特性。本發(fā)明高度精確地獲得光學(xué)特性值分布，諸如被檢體的內(nèi)部的吸收系數(shù)。問(wèn)題的解決方案本發(fā)明提供了一種光聲成像設(shè)備，其包括聲學(xué)轉(zhuǎn)換單元，被配置為接收通過(guò)利用從光源發(fā)射的光照射被檢體而產(chǎn)生的聲波并且將聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；以及處理單兀，被配置為基于入射在被檢體的表面上的光的照度分布或光強(qiáng)分布來(lái)確定被檢體內(nèi)的光強(qiáng)分布 ，并且基于電信號(hào)和確定的被檢體內(nèi)的光強(qiáng)分布來(lái)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，其包括以下步驟根據(jù)電信號(hào)來(lái)產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)，所述電信號(hào)是從在從光源發(fā)射的光入射在被檢體上時(shí)產(chǎn)生的聲波轉(zhuǎn)換而來(lái)的；確定從光源發(fā)射的光的入射在被檢體的表面處的照度分布或光強(qiáng)分布；基于在被檢體的表面處的照度分布或光強(qiáng)分布來(lái)確定被檢體內(nèi)的光強(qiáng)分布；以及基于電信號(hào)和被檢體內(nèi)的光強(qiáng)分布來(lái)產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)。本發(fā)明的有利效果 本發(fā)明高度精確地獲得光學(xué)特性分布，諸如被檢體的內(nèi)部的吸收系數(shù)。


圖I是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例到第四實(shí)施例的光聲成像設(shè)備的示意圖。圖2是示出本發(fā)明要解決的問(wèn)題的示意圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的示出通過(guò)光聲成像設(shè)備執(zhí)行的處理的流程圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的包括在光聲成像設(shè)備內(nèi)的聲波產(chǎn)生部件的頂部示意圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的示出通過(guò)光聲成像設(shè)備執(zhí)行的處理的流程圖。圖6是示出作為圖5中的步驟21的確定表面處的照度分布的處理的示意圖。圖7是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的光聲成像設(shè)備的示意圖。圖8是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的示出通過(guò)光聲成像設(shè)備執(zhí)行的處理的流程圖。圖9是根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的示出通過(guò)光聲成像設(shè)備執(zhí)行的處理的流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參考附圖描述本發(fā)明。在本發(fā)明中，聲波包括音波、超聲波和光聲波，并且是通過(guò)利用光(電磁波)(諸如近紅外線(xiàn))照射被檢體而在被檢體內(nèi)產(chǎn)生的彈性波。根據(jù)本發(fā)明的光聲成像設(shè)備是通過(guò)獲得關(guān)于被檢體的內(nèi)部的生物信息來(lái)產(chǎn)生要在人類(lèi)和其它動(dòng)物中的惡性腫瘤和血管疾病的診斷以及化學(xué)治療中的跟蹤中使用的圖像數(shù)據(jù)的設(shè)備。被檢體可以是要診斷的人體或者動(dòng)物體中的區(qū)域，諸如胸部、手指或者肢干。被檢體內(nèi)的光吸收體是被檢體的具有相對(duì)高的吸收系數(shù)的一部分。在被檢體是人體的情況下，光吸收體是例如具有包含氧合的和/或還原的血紅蛋白的新血管或者許多血管的惡性腫瘤。第一實(shí)施例圖IA示出根據(jù)本實(shí)施例的光聲成像設(shè)備。根據(jù)本實(shí)施例的光聲成像設(shè)備包括聲學(xué)轉(zhuǎn)換單元I以及處理單元2。此外，在本實(shí)施例中，沿著被檢體6的面設(shè)置聲波產(chǎn)生部件10。聲波產(chǎn)生部件10具有與被檢體6不同的吸收系數(shù)。預(yù)先測(cè)量聲波產(chǎn)生部件10的厚度、光吸收系數(shù)和Grilneisen系數(shù)。從光源3發(fā)射的光束4經(jīng)由包括透鏡、反射鏡和光纖的光學(xué)系統(tǒng)5入射在作為例如生物體的被檢體6上。在傳播通過(guò)被檢體6的光的能量的部分被光吸收體7 (其是聲源)(諸如血液或者血管的內(nèi)部)吸收時(shí)，光吸收體7的熱膨脹產(chǎn)生聲波81 (其典型地是超聲波)。響應(yīng)于接收從光源3發(fā)射的光束4，在聲波產(chǎn)生部件10處產(chǎn)生聲波82。聲波81和82由聲學(xué)轉(zhuǎn)換單元I接收并且轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。然后，處理單元2基于從光源3發(fā)射的光入射在被檢體6的表面上的光強(qiáng)分布(在下文中稱(chēng)為“表面光強(qiáng)分布”)和電信號(hào)來(lái)產(chǎn)生被檢體6的圖像數(shù)據(jù)(諸如光學(xué)特性值分布)。具體地，由處理單元2基于表面光強(qiáng)分布來(lái)確定被檢體6中的光強(qiáng)分布(在下文中稱(chēng)為“內(nèi)部光強(qiáng)分布”)，并且基于電信號(hào)和內(nèi)部光強(qiáng)分布產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)。然后，圖像數(shù)據(jù)被顯示作為顯示裝置9(諸如液晶顯示 器)上的圖像。光聲成像設(shè)備可以包括用于固定被檢體6的固定部件11，諸如圖IB中示出的那些固定部件。固定部件11限定被檢體6的形狀的一部分。雖然沒(méi)有特別提到，但是其它實(shí)施例也可以包括這種固定部件。在光能吸收密度分布和光學(xué)吸收系數(shù)分布的圖像中利用不同的亮度和顏色顯示具有相同的形狀、尺寸和吸收系數(shù)但是存在于被檢體6中的不同位置處的光吸收體7。這是因?yàn)榈竭_(dá)每個(gè)光吸收體7的光子的數(shù)量(S卩，被檢體6中的光的局部量)不同。被檢體6內(nèi)的光的局部量可以由于被檢體6的表面光強(qiáng)分布的影響而不同。圖2示出利用從發(fā)射相同強(qiáng)度的光的光源發(fā)射的光照射的被檢體6上的具有相同尺寸的兩個(gè)區(qū)域(A和B)。參考圖2，即使從光源發(fā)射的光的強(qiáng)度相同，被檢體6的表面上的區(qū)域A和B處的照度也不同，因?yàn)楣庹丈鋮^(qū)域的尺寸不同。在經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)5入射在被檢體6上的光束4或來(lái)自光源3的光有限地發(fā)散時(shí)并且在光強(qiáng)分布在發(fā)散方向上不均勻時(shí)，在光照射區(qū)域(區(qū)域C)內(nèi)照度根據(jù)位置而不同。在所發(fā)射的光的強(qiáng)度(表面照度分布)均勻時(shí)，表達(dá)式2可以適用。然而，諸如在上述的情況中，在光強(qiáng)不均勻時(shí)，表達(dá)式2不能適用。根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)使用從光源發(fā)射的光入射在被檢體上的表面照度分布來(lái)校正被檢體中的光強(qiáng)分布，具有相同形狀、尺寸和吸收系數(shù)的光吸收體可以利用基本上相同的亮度和/或顏色被顯示。接下來(lái)，將參考圖I和圖3描述根據(jù)本實(shí)施例的光聲成像設(shè)備的操作。利用來(lái)自光源3的光束4照射被檢體6，并且聲學(xué)轉(zhuǎn)換單元I接收在被檢體6中的光吸收體7處產(chǎn)生的聲波81以及在布置在被檢體6的表面上的聲波產(chǎn)生部件10處產(chǎn)生的聲波82 (SlO)0接收的聲波在聲學(xué)轉(zhuǎn)換單元I處被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(Sll)并且被發(fā)送給處理單元2。處理單元2對(duì)電信號(hào)執(zhí)行放大、A/D轉(zhuǎn)換和濾波(S12)，計(jì)算光吸收體7的位置和尺寸或生物信息(諸如初始聲壓分布)，并且產(chǎn)生第一圖像數(shù)據(jù)(S13)。處理單元2根據(jù)從電信號(hào)獲得的第一圖像數(shù)據(jù)來(lái)確定來(lái)自光源3的光入射在被檢體6上的表面照度分布(S14)。這在下面描述。響應(yīng)于傳播通過(guò)被檢體6并且在被檢體6內(nèi)衰減的光產(chǎn)生聲波81，而響應(yīng)于基本上未衰減的光在被檢體6的表面處產(chǎn)生聲波82。聲波產(chǎn)生部件10具有比被檢體6大的吸收系數(shù)。因此，在被檢體6的表面處產(chǎn)生的聲波82具有比在光吸收體7中產(chǎn)生的聲波81大的量。因此，可以從在步驟S13中獲得的第一圖像數(shù)據(jù)(初始聲壓分布Ptl)中提取具有比其它部分大的初始聲壓的部分。提取的部分對(duì)應(yīng)于在被檢體6與聲波產(chǎn)生部件10之間的線(xiàn)，即，被檢體6的表面。具體地，連接具有比預(yù)定的閾值大的初始聲壓的部分的線(xiàn)限定在被檢體6與聲波產(chǎn)生部件10之間的線(xiàn)。確定被檢體6的表面，并且可以獲得沿著該線(xiàn)的初始聲壓分布(Γ,μ,α^)。Γ\表示聲波產(chǎn)生部件10的Grilneisen系數(shù)并且μ b表示聲波產(chǎn)生部件10的吸收系數(shù)?？梢酝ㄟ^(guò)從沿著該線(xiàn)的初始聲壓分布(Γ,μ,Ο^)中除去系數(shù)rb和μ b來(lái)計(jì)算從光源3發(fā)射并且入射在被檢體6上的光的表面照度分布Φ”然后，基于表面照度分布Otl確定在被檢體6中的內(nèi)部光強(qiáng)分布Φ (S15)。具體地，使用在步驟S14中獲得的被檢體6的表面照度分布和被檢體6的表面的形狀，在數(shù)值空間中在被檢體6的表面上布置具有與表面照度分布Otl相同的光強(qiáng)分布的假想的光源，以便計(jì)算被檢體6中的內(nèi)部光強(qiáng)分布Φ。在這時(shí)候，使用擴(kuò)散方程和輸運(yùn)方程計(jì)算內(nèi)部光強(qiáng)分布。
處理單元2基于在步驟S13中獲得的第一圖像數(shù)據(jù)(初始聲壓分布P。)和在步驟S15中確定的內(nèi)部光強(qiáng)分布Φ來(lái)產(chǎn)生第二圖像數(shù)據(jù)(諸如吸收系數(shù)分布)(S16)。通過(guò)依據(jù)表達(dá)式I使用在S15中確定的內(nèi)部光強(qiáng)分布，可以計(jì)算吸收系數(shù)分布。基于以這種方式獲得的第二圖像數(shù)據(jù)的圖像被顯示在顯示裝置9上(S17)。接下來(lái)，下面將詳細(xì)描述根據(jù)本實(shí)施例的光聲成像設(shè)備的配置。聲學(xué)轉(zhuǎn)換單元I包括將聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的至少一個(gè)元件，使用壓電現(xiàn)象、光的諧振和/或電容變化的換能器?？梢允褂萌我忸?lèi)型的元件，只要它能夠?qū)⒙暡ㄞD(zhuǎn)換成電信號(hào)即可。通過(guò)一維地或二維地布置多個(gè)聲波接收元件，可以在不同地點(diǎn)處同時(shí)地接收光聲波。因此，可以減少接收時(shí)間，并且可以減少被檢體的振動(dòng)的影響。通過(guò)移動(dòng)元件之一，可以接收與在元件被一維地或二維地布置時(shí)接收的信號(hào)相同的信號(hào)。期望的是，在聲學(xué)轉(zhuǎn)換單元I與被檢體6之間施加聲學(xué)匹配材料(諸如凝膠)以便提高聲學(xué)匹配。工作臺(tái)(work station)典型地被用作處理單元2,并且使用預(yù)編程的軟件執(zhí)行圖像重建(圖像數(shù)據(jù)的產(chǎn)生)。例如，在工作臺(tái)處使用的軟件包括根據(jù)來(lái)自光聲成像設(shè)備或外部單元的電信號(hào)確定被檢體的表面上的照度分布或光強(qiáng)分布的處理以及用于噪聲減少的信號(hào)處理模塊。此外，在工作臺(tái)處使用的軟件包括用于圖像重建的圖像重建模塊。在PAT中，通常，作為圖像重建的預(yù)處理，對(duì)在不同地點(diǎn)處接收的信號(hào)執(zhí)行噪聲減少。期望的是通過(guò)信號(hào)處理模塊執(zhí)行這種預(yù)處理。圖像重建模塊通過(guò)圖像重建形成圖像數(shù)據(jù)，并且作為圖像重建算法，例如，應(yīng)用典型地在層析成像技術(shù)中使用的時(shí)域或傅里葉域中的后投影(backprojection)。圖像數(shù)據(jù)是關(guān)于生物信息的二維數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)。二維數(shù)據(jù)由像素?cái)?shù)據(jù)的多個(gè)數(shù)據(jù)集構(gòu)成，并且三維數(shù)據(jù)由體元數(shù)據(jù)的多個(gè)數(shù)據(jù)集構(gòu)成。通過(guò)在多個(gè)地點(diǎn)處獲得的聲波的圖像重建獲得像素?cái)?shù)據(jù)和體元數(shù)據(jù)。下面將描述三維圖像數(shù)據(jù)。然而，本發(fā)明也可以被應(yīng)用于二維圖像數(shù)據(jù)。光源3發(fā)射具有被構(gòu)成生物體的預(yù)定組分(例如，血紅蛋白)吸收的預(yù)定波長(zhǎng)的光。具體地，光的波長(zhǎng)優(yōu)選地為500nm或更大且1200nm或更小。這是因?yàn)椋谙旅婷枋龅奶幚碇?，易于將在被檢體的表面處(例如，在皮膚處)產(chǎn)生的聲波與在被檢體內(nèi)的光吸收體(例如，血紅蛋白)處產(chǎn)生的聲波區(qū)分開(kāi)。設(shè)置能夠產(chǎn)生5到50ns之間的脈沖光的至少一個(gè)光源3。期望具有較大功率的激光器作為光源3。然而，作為激光器的替代，可以使用發(fā)光二極管?？梢允褂酶鞣N不同類(lèi)型的激光器，諸如固態(tài)激光器、氣體激光器、染料激光器和半導(dǎo)體激光器?？梢詮穆晫W(xué)轉(zhuǎn)換單兀I那側(cè)發(fā)射或者從相對(duì)一側(cè)發(fā)射光。此外，可以從被檢體6的兩側(cè)發(fā)射光。光學(xué)系統(tǒng)5包括反射光的反射鏡以及使光會(huì)聚、發(fā)散和改變光的形狀的透鏡。光學(xué)系統(tǒng)5除了反射鏡和透鏡之外還可以包括光波導(dǎo)，并且具有任意配置，只要從光源3發(fā)射的光以期望的形狀入射在被檢體6上即可。期望的是通過(guò)透鏡使光會(huì)聚以便照射預(yù)定的區(qū)域。還期望的是用光照射的被檢體6上的區(qū)域是可移動(dòng)的。換句話(huà)說(shuō)，期望的是，從光源3發(fā)射的光在被檢體6上是可移動(dòng)的?？梢苿?dòng)的光允許利用光照射更大區(qū)域。更加期望的是，用光照射的被檢體6上的區(qū)域與聲學(xué)轉(zhuǎn)換單元I同步地移動(dòng)。移動(dòng)用光照射的被檢體6上的區(qū)域的方法包括使用可移動(dòng)的反射鏡的方法以及機(jī)械地移動(dòng)光源3的方法。聲波產(chǎn)生部件10具有預(yù)定的吸收系數(shù)，被布置在被檢體6的表面上，并且具有已知的厚度、光吸收系數(shù)和Griineisen系數(shù)。聲波產(chǎn)生部件10通過(guò)吸收從光源3發(fā)射的光產(chǎn) 生聲波，并且能夠計(jì)算被檢體6的表面光強(qiáng)分布和表面形狀。聲波產(chǎn)生部件10由產(chǎn)生聲波的光的吸收系數(shù)比被檢體6的平均吸收系數(shù)大的材料制成。具體地，期望的是光吸收系數(shù)為O. 005mm_1或更大并且O. IOOmnT1或更小。在吸收系數(shù)大于O. IOOmnT1時(shí)，進(jìn)入被檢體6的光量減少，并且因此，被檢體6內(nèi)產(chǎn)生的聲波較小。與此對(duì)比，在吸收系數(shù)小于O. 005mm1時(shí)，這小于被檢體6的內(nèi)部的平均吸收系數(shù)；因此，難以將來(lái)自被檢體6的表面和內(nèi)部的聲波區(qū)分開(kāi)，并且因此難以計(jì)算被檢體6的表面形狀。期望的是光吸收系數(shù)為O. OlOmm 1或更大并且O. OSOmnT1或更小。期望的是使用具有大于或等于O. 8并且小于或等于I. 5的Griineisen系數(shù)的材料。被檢體6的平均Grilneisen系數(shù)為大約O. 5。聲波產(chǎn)生部件10包括如圖4A中所示出的作為斑點(diǎn)狀膜布置的具有已知的吸收系數(shù)的吸收體粒子，或者可以包括如圖4B中所示出的以網(wǎng)格方式布置的吸收體。作為替代，聲波產(chǎn)生部件10可以包括布置作為均勻的膜的吸收體微粒?？梢允褂镁哂幸阎奈障禂?shù)的聲學(xué)匹配材料(諸如凝膠)作為聲波產(chǎn)生部件10。第二實(shí)施例根據(jù)本實(shí)施例的光聲成像設(shè)備與根據(jù)第一實(shí)施例的光聲成像設(shè)備的不同之處在于，未設(shè)置聲波產(chǎn)生部件10。在本實(shí)施例中，使用由于被檢體6與周?chē)h(huán)境的光學(xué)特性(例如，吸收系數(shù))的不連續(xù)而產(chǎn)生的聲波來(lái)計(jì)算表面形狀。然后，基于從光源3發(fā)射的光的強(qiáng)度分布和表面形狀的計(jì)算結(jié)果來(lái)計(jì)算在被檢體6的表面處的照度分布(在下文中稱(chēng)為“表面照度分布”)。下面將描述其中空氣包圍被檢體6的示例，但是本實(shí)施例不限于此?？諝夂捅粰z體6的Griineisen系數(shù)和吸收系數(shù)是不連續(xù)的。因此，在其之間的表面(即，被檢體6的表面)處吸收光,并且，結(jié)果，在被檢體6的表面處產(chǎn)生聲波82。聲學(xué)轉(zhuǎn)換單元I接收在光吸收體7處產(chǎn)生的聲波81和聲波82并且將這些聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。接下來(lái)，將參考圖5描述根據(jù)本實(shí)施例的光聲成像設(shè)備的操作。由聲學(xué)轉(zhuǎn)換單元I接收作為利用光學(xué)系統(tǒng)5照射被檢體6的結(jié)果的在被檢體6內(nèi)部的光吸收體7處產(chǎn)生的聲波81和在被檢體6的表面處產(chǎn)生的聲波82(S10)。接收的聲波81在聲學(xué)轉(zhuǎn)換單元I處被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(Sll)并且被處理單元2接收。在對(duì)電信號(hào)執(zhí)行濾波(S12)之后，處理單元2計(jì)算諸如生物信息或者光吸收體7的位置和尺寸之類(lèi)的生物信息(諸如初始聲壓分布)，以便產(chǎn)生第一圖像數(shù)據(jù)(S13)。處理單元2基于根據(jù)電信號(hào)獲得的第一圖像數(shù)據(jù)來(lái)確定被檢體6的形狀(S20)。這在下面描述。由于通過(guò)接收基本上未衰減的光來(lái)產(chǎn)生在被檢體6的表面處產(chǎn)生的聲波82，因此聲波82比在光吸收體7處產(chǎn)生的聲波81大。因此，可以從在步驟S13中獲得的第一圖像數(shù)據(jù)(初始聲壓分布Ptl)中提取具有比其它部分大的初始聲壓的部分。提取的部分對(duì)應(yīng)于在被檢體6與聲波產(chǎn)生部件10之間的界線(xiàn)，即，被檢體6的表面。具體地，通過(guò)連接具有比預(yù)定的閾值大的初始聲壓的部分獲得的線(xiàn)限定在被檢體6與聲波產(chǎn)生部件10之間的界線(xiàn)。在被檢體6和空氣(被檢體6的周?chē)h(huán)境)之間的界線(xiàn)處的吸收(吸收系數(shù))已知時(shí)，與第一實(shí)施例類(lèi)似，可以根據(jù)在界線(xiàn)處的初始聲壓分布來(lái)計(jì)算從光源3發(fā)射的入射在被檢體6上的光的表面照度分布。
在被檢體6和空氣(被檢體6的周?chē)h(huán)境)之間的界線(xiàn)處的吸收(吸收系數(shù))未知時(shí)，不能根據(jù)在界線(xiàn)處的初始聲壓分布來(lái)計(jì)算從光源3發(fā)射的入射在被檢體6上的光的表面照度分布；因此，執(zhí)行以下處理。處理單元2基于從光源3發(fā)射的光束4的強(qiáng)度分布和被檢體6的形狀來(lái)確定從光源3發(fā)射的入射在被檢體6上的光束4的表面照度分布(S21)。這在下面描述。預(yù)先測(cè)量從光源3發(fā)射的光束4的強(qiáng)度分布，其是在與被檢體6的深度方向正交的向內(nèi)方向上的光強(qiáng)分布。這在下面參考圖6描述。參考圖6，被檢體6的形狀由在被檢體6的深度方向上的位置z、在與被檢體6的深度方向正交的向內(nèi)方向上的位置X以及與表面的傾斜度(Θ (X))表示。在與被檢體6的深度方向正交的向內(nèi)方向上的光束4的光強(qiáng)分布由AU)表示。假定在被檢體6外光直線(xiàn)地行進(jìn)。可以參考根據(jù)被檢體6的表面形狀計(jì)算的法線(xiàn)方向來(lái)計(jì)算用光照射的被檢體6的表面上的光束4的傾斜度分布θ (X)。通過(guò)在各位置X和z處將光強(qiáng)分布A(X)與cos Θ (X)相乘,可以計(jì)算被檢體6的表面照度分布。在上面描述的示例中，假定在被檢體6外光直線(xiàn)地行進(jìn)。然而，還可以確定表面照度分布，通過(guò)使用用于光傳播的蒙特卡羅仿真或者光輸運(yùn)方程確定被檢體6外部的光束4的到被檢體6的表面的傳播。基于表面照度分布，確定被檢體6中的內(nèi)部光強(qiáng)分布(S15)。具體地，使用在步驟S21中獲得的被檢體6的表面照度分布和在步驟S20中獲得的被檢體6的表面的形狀，在數(shù)值空間中在被檢體6的表面上布置具有與表面照度分布相同的光強(qiáng)分布的假想的光源，以便計(jì)算內(nèi)部光強(qiáng)分布。在這時(shí)候，使用用于光傳播的蒙特卡羅仿真、光擴(kuò)散方程或者輸運(yùn)方程來(lái)計(jì)算內(nèi)部光強(qiáng)分布。處理單元2基于在步驟S13中獲得的第一圖像數(shù)據(jù)和在步驟S15中確定的內(nèi)部光強(qiáng)分布來(lái)產(chǎn)生第二圖像數(shù)據(jù)(諸如吸收系數(shù)分布)(Sie)0通過(guò)依據(jù)表達(dá)式I使用在si5中確定的內(nèi)部光強(qiáng)分布，可以計(jì)算吸收系數(shù)分布?；谝赃@種方式獲得的第二圖像數(shù)據(jù)的圖像被顯示在顯示裝置9上(S17)。第三實(shí)施例圖7示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的光聲成像設(shè)備。本實(shí)施例與第二實(shí)施例的不同之處在于設(shè)置了測(cè)量單元30。其它配置與第二實(shí)施例相同。測(cè)量單元30測(cè)量被檢體6的形狀。
作為測(cè)量單元30，可以使用圖像拾取裝置，諸如CXD照相機(jī)。在這種情況下，處理單元2通過(guò)根據(jù)拍攝的圖像計(jì)算被檢體6的厚度和外部的形狀來(lái)確定被檢體6的形狀。作為替代，測(cè)量單元30可以是發(fā)送與接收聲波的聲波轉(zhuǎn)換單元(所謂的超聲波-回波聲學(xué)轉(zhuǎn)換單元)。聲學(xué)轉(zhuǎn)換單元I可以用作測(cè)量單元30，或者可以分開(kāi)地設(shè)置測(cè)量單元30。接下來(lái)，參考圖8，將描述根據(jù)本發(fā)明的本實(shí)施例的光聲成像設(shè)備的操作。在第二實(shí)施例中，根據(jù)電信號(hào)(第一圖像數(shù)據(jù))確定被檢體6的形狀(S20)。根據(jù)本實(shí)施例的光聲成像設(shè)備的操作的不同之處在于，根據(jù)通過(guò)測(cè)量單元30獲得的被檢體6的圖像來(lái)確定被檢體6的形狀(S30)。其它操作與第二實(shí)施例相同。第四實(shí)施例
將參考圖I描述根據(jù)本實(shí)施例的光聲成像設(shè)備。根據(jù)本實(shí)施例的光聲成像設(shè)備包括限定被檢體6的形狀的容器40,而不是在根據(jù)第一實(shí)施例的光聲成像設(shè)備中的聲波產(chǎn)生部件10。其它配置與第一實(shí)施例相同。在本實(shí)施例中，由于唯一地確定被檢體6的形狀，因此唯一地確定從光源3發(fā)射的入射在被檢體6的表面上的光束4的表面照度分布。具體地，從具有不同形狀和尺寸的多個(gè)容器中選擇適合于被檢體6的容器40，并且隨后把被檢體6放入容器40中以便執(zhí)行PAT測(cè)量。對(duì)于每個(gè)容器的入射在被檢體6的表面上的光的表面照度分布預(yù)先被確定，并且被存儲(chǔ)在處理單元2中作為包含對(duì)于每個(gè)容器的被檢體6的表面照度分布數(shù)據(jù)的表面照度分布數(shù)據(jù)表。數(shù)據(jù)表被準(zhǔn)備為使得在選擇了容器時(shí)，取回對(duì)于所選容器的被檢體6的對(duì)應(yīng)的表面照度分布數(shù)據(jù)。作為設(shè)置多個(gè)容器的替代，可以設(shè)置其容量、尺寸和/或形狀可變的單個(gè)容器。在這種情況下，可以預(yù)先確定在以各種方式改變?nèi)萜鞯某叽绾?或形狀時(shí)的入射在被檢體6的表面上的光的表面照度分布,并且可以將包含對(duì)于容器的尺寸和/或形狀改變時(shí)的表面照度分布數(shù)據(jù)的表面照度分布數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)在處理單元2中。接下來(lái)，將參考圖9描述根據(jù)本實(shí)施例的光聲成像設(shè)備的操作。首先，基于被檢體6的尺寸和形狀從多個(gè)容器中選擇容器40，并且把被檢體6放入容器40中。然后，用從光源3發(fā)射的光束4照射被檢體6，并且聲學(xué)轉(zhuǎn)換單元I接收在被檢體6內(nèi)部的光吸收體7處產(chǎn)生的聲波81 (SlO)0接收的聲波81在聲學(xué)轉(zhuǎn)換單元I處被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(Sll)并且被處理單元2接收。在對(duì)電信號(hào)執(zhí)行濾波(S12)之后，處理單元2計(jì)算光吸收體7的位置和尺寸或者生物信息(諸如初始聲壓分布)，以便產(chǎn)生第一圖像數(shù)據(jù)(圖像重建，S13)。處理單元2從存儲(chǔ)在處理單元2中的表面照度分布數(shù)據(jù)表中選擇和讀取與所選的容器40對(duì)應(yīng)的表面照度分布數(shù)據(jù)(S40)，并且確定從光源3發(fā)射的光束4入射在被檢體6上的表面照度分布(S21)?；诒砻嬲斩确植?，確定被檢體6中的內(nèi)部光強(qiáng)分布(S15)。具體地，使用在步驟S21中獲得的被檢體6的表面照度分布和由容器40限定的被檢體6的形狀，在數(shù)值空間中在被檢體6的表面上布置具有與表面照度分布相同的光強(qiáng)分布的假想的光源，以便計(jì)算內(nèi)部光強(qiáng)分布。在這時(shí)候，使用用于光傳播的蒙特卡羅仿真、光擴(kuò)散方程或者輸運(yùn)方程來(lái)計(jì)算內(nèi)部光強(qiáng)分布。處理單元2基于在步驟S13中獲得的第一圖像數(shù)據(jù)和在步驟S15中確定的內(nèi)部光強(qiáng)分布來(lái)產(chǎn)生第二圖像數(shù)據(jù)(諸如吸收系數(shù)分布)(Sie)0通過(guò)依據(jù)表達(dá)式I使用在si5中確定的內(nèi)部光強(qiáng)分布，可以計(jì)算吸收系數(shù)分布?；谝赃@種方式獲得的第二圖像數(shù)據(jù)的圖像被顯示在顯示裝置9上(S17)。在可以預(yù)測(cè)被檢體6內(nèi)的光擴(kuò)散時(shí)，可以使用與被檢體6的內(nèi)部對(duì)應(yīng)的內(nèi)部光強(qiáng)分布數(shù)據(jù)表來(lái)替代表面照度分布數(shù)據(jù)表。在這種情況下，在步驟S40中，讀取內(nèi)部光強(qiáng)分布數(shù)據(jù)而不是表面照度分布數(shù)據(jù)，并且步驟S21可以與步驟S40結(jié)合。第五實(shí)施例還可以通過(guò)以下處理實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。實(shí)現(xiàn)上述的第一實(shí)施例到第四實(shí)施例的功能的軟件(程序)經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)或者各種存儲(chǔ)介質(zhì)被應(yīng)用于系統(tǒng)或者設(shè)備，并且通過(guò)設(shè)備的計(jì)算機(jī)(CPU或者M(jìn)PU)或者系統(tǒng)讀出程序。
雖然已經(jīng)參考示例性實(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(kāi)的示例性實(shí)施例。以下權(quán)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(jié)構(gòu)與功能。本申請(qǐng)要求2010年3月29日提交的日本專(zhuān)利申請(qǐng)No. 2010-075662的權(quán)益，該日本專(zhuān)利申請(qǐng)的整體通過(guò)參考被并入于此。附圖標(biāo)記列表I聲學(xué)轉(zhuǎn)換單元2處理單元3 光源4從光源發(fā)射的光束6被檢體81，82 聲波
權(quán)利要求
1.ー種光聲成像設(shè)備，包括 聲學(xué)轉(zhuǎn)換單元，被配置為接收通過(guò)利用從光源發(fā)射的光照射被檢體而產(chǎn)生的聲波并且將聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；以及 處理單元，被配置為基于入射在被檢體的表面上的光的照度分布或光強(qiáng)分布來(lái)確定被檢體內(nèi)的光強(qiáng)分布，并且基于電信號(hào)和確定的被檢體內(nèi)的光強(qiáng)分布來(lái)產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光聲成像設(shè)備，其中入射在被檢體的表面上的光的確定的光強(qiáng)分布是根據(jù)電信號(hào)而確定的。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光聲成像設(shè)備，其中入射在被檢體的表面上的光的照度分布是基于被檢體的形狀而確定的。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光聲成像設(shè)備，其中入射在被檢體的表面上的光的照度分布是通過(guò)從光源發(fā)射的光的強(qiáng)度分布和被檢體的形狀而確定的。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光聲成像設(shè)備，其中被檢體的形狀是根據(jù)電信號(hào)而確定的。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光聲成像設(shè)備，其中處理單元保持入射在被檢體的表面上的光的照度分布的多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，基于被檢體的形狀選擇數(shù)據(jù)項(xiàng)中的ー個(gè)，并且確定入射在被檢體的表面上的光的照度分布。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光聲成像設(shè)備，還包括 測(cè)量單元，被配置為測(cè)量被檢體的形狀， 其中被檢體的形狀是通過(guò)測(cè)量單元測(cè)量的。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的光聲成像設(shè)備，還包括沿著被檢體的形狀布置在被檢體的表面上的聲波產(chǎn)生部件。
9.ー種光聲成像方法，包括以下步驟 根據(jù)電信號(hào)來(lái)產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)，所述電信號(hào)是從在從光源發(fā)射的光入射在被檢體上時(shí)產(chǎn)生的聲波轉(zhuǎn)換而來(lái)的； 確定從光源發(fā)射的光的入射在被檢體的表面上的從光源發(fā)射的光的照度分布或光強(qiáng)分布； 基于在被檢體的表面處的照度分布或光強(qiáng)分布來(lái)確定被檢體內(nèi)的光強(qiáng)分布；以及 基于電信號(hào)和被檢體內(nèi)的光強(qiáng)分布來(lái)產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光聲成像方法,其中根據(jù)電信號(hào)確定被檢體內(nèi)的光強(qiáng)分布。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光聲成像方法，其中基于被檢體的形狀確定被檢體的表面處的照度分布。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光聲成像方法，其中通過(guò)從光源發(fā)射的光的強(qiáng)度分布和被檢體的形狀確定在被檢體的表面處的照度分布。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的光聲成像方法，其中根據(jù)電信號(hào)確定被檢體的形狀。
14.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的光聲成像方法，其中從預(yù)先存儲(chǔ)的被檢體的表面處的照度分布的多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)中選擇被檢體的表面處的照度分布。
15.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的光聲成像方法，還包含以下步驟 測(cè)量被檢體的形狀， 其中被檢體的形狀是在測(cè)量步驟中被測(cè)量的。
16.ー種程序，被配置為指示計(jì)算機(jī)執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求9到15中的一個(gè)所述的光聲成像方法中的步驟。
全文摘要
高度精確地獲得光學(xué)特性分布，諸如被檢體的內(nèi)部的吸收系數(shù)。一種光聲成像設(shè)備包括聲學(xué)轉(zhuǎn)換單元，被配置為接收通過(guò)利用發(fā)射的光照射被檢體而產(chǎn)生的聲波并且將聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；以及處理單元，被配置為基于入射在被檢體的表面上的光的照度分布或光強(qiáng)分布來(lái)確定被檢體內(nèi)的光強(qiáng)分布，并且基于電信號(hào)和確定的被檢體內(nèi)的光強(qiáng)分布來(lái)產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)A61B5/00GK102843960SQ20118001603
公開(kāi)日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2011年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月29日
發(fā)明者宮里卓郎 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社