物體的物理特性的聲電磁學(xué)研究的制作方法
【專利摘要】一種用于諸如人體組織或動(dòng)物組織等物體的成像系統(tǒng)，所述系統(tǒng)施加二維或三維地局部化的聲振動(dòng)，并且同時(shí)用照射電磁波照射物體。聲振動(dòng)中包含幅度由AM波形調(diào)制的載波。載波被選擇成提供聲振動(dòng)的局部化，而AM波形包含被選擇成提供具有比載波更大的幅度的物體振動(dòng)的頻率分量。為了對(duì)根據(jù)AM波形的所述頻率分量的頻率偏移的多普勒分量進(jìn)行檢測(cè)，信號(hào)處理裝置包含鎖定到EM頻率的鎖相環(huán)，它可以產(chǎn)生包括該組多普勒分量的頻率解調(diào)信號(hào)，以及鎖相放大器，其被配置成提取等于AM波形的頻率分量的頻率的基準(zhǔn)頻率處的信號(hào)。
【專利說(shuō)明】物體的物理特性的聲電磁學(xué)研究
[0001]本發(fā)明涉及對(duì)物體的物理特性的研究，可應(yīng)用于成像領(lǐng)域但不僅限于該領(lǐng)域。
[0002]眾所周知，對(duì)物體的物理特性進(jìn)行研究有許多種方法。比如廣泛應(yīng)用成像技術(shù)來(lái)產(chǎn)生表示物體的物理特性的圖像。再比如那些在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域建立和廣泛使用的成像方法，包括X射線攝片、計(jì)算機(jī)控制斷層掃描(CO、超聲成像、核磁共振成像(MRI)、正電子發(fā)射斷層掃描(PET)。
[0003]不同的成像技術(shù)基于不同的物理現(xiàn)象。例如，在X射線攝片和計(jì)算機(jī)控制斷層掃描(CT)中，我們用X射線來(lái)與物體相互作用，而在超聲成像中我們用超聲波來(lái)與物體相互作用，等等。因此，不同的成像技術(shù)會(huì)生成反映正被成像的物體的不同物理特性的圖像，而且不同成像技術(shù)具有不同的優(yōu)點(diǎn)和局限性。
[0004]我們會(huì)根據(jù)想要探尋的組織的性質(zhì)來(lái)選擇成像的方式，例如:X射線可能適用于很硬的和鈣化的組織，MRI適用于軟組織，而超聲成像則用以對(duì)機(jī)械性能的變化進(jìn)行成像。
[0005]以示例的方式，比較超聲成像和MRI這兩種常見(jiàn)的能提供相對(duì)高的分辨率的醫(yī)學(xué)成像方法，但是超聲成像提供聲學(xué)或機(jī)械特性的圖像，而MRI提供的是電磁特性的圖像。因?yàn)镸RI顯示出許多組織類型中存在的本質(zhì)上的電介質(zhì)差異，因此其提供了有用的對(duì)比機(jī)制，這種對(duì)比機(jī)制在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域中特別有用。但伴隨著高利用價(jià)值的同時(shí)，核磁共振成像也面臨著相對(duì)昂貴并且需要高能磁鐵的問(wèn)題。
[0006]另外，還有一些基于不同物理現(xiàn)象的光譜技術(shù)。這樣的光譜技術(shù)不一定產(chǎn)生圖像，但能夠提供有關(guān)一定頻率或波長(zhǎng)范圍的數(shù)據(jù)(例如電磁輻射技術(shù))。
[0007]在醫(yī)學(xué)上有一種成像系統(tǒng)領(lǐng)域在不斷地發(fā)展，其基于向臨床醫(yī)生提供通常結(jié)合超聲波和X射線來(lái)判斷組織類型的附加信息的電介質(zhì)對(duì)比來(lái)實(shí)現(xiàn)成像。所提出的一種方法就是自1998年以來(lái)人們一直在積極研究的微波成像法。
[0008]人們同樣也對(duì)超寬帶雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，以提供衰減與分辨率之間的平衡。這種類型的方法已經(jīng)被改變?yōu)楫a(chǎn)生高質(zhì)量的圖像了，但在最近才開(kāi)發(fā)出接近這種方法的潛在分辨率的圖像重組算法。
[0009]由于這些技術(shù)依據(jù)不同的物理現(xiàn)象，根據(jù)所感興趣的物體中的特征的性質(zhì)，這些不同的成像技術(shù)和光譜技術(shù)具有不同的應(yīng)用。
[0010]W0-2010/043851公布了另一種可以被稱之為聲電磁的成像類型，之所以稱之為聲電磁，是因?yàn)樗婕霸趯?duì)物體施加聲振動(dòng)的同時(shí)又對(duì)其進(jìn)行了照射電磁波的照射。
[0011]物體振動(dòng)對(duì)照射電磁波進(jìn)行散射和調(diào)制，從而產(chǎn)生散射電磁波，該散射電磁波包括從照射電磁波的頻率偏移了在聲振動(dòng)下的物體的振動(dòng)頻率及其倍數(shù)的多普勒分量。接收到的散射電磁波被接收，且表示多普勒分量特性(如幅度和相位)的數(shù)據(jù)被導(dǎo)出。所檢測(cè)到的特性依賴于產(chǎn)生與電磁波照射相互作用的物體的機(jī)械響應(yīng)和該物體的電磁特性。因此，所檢測(cè)到的特性能提供類似于MRI成像的相關(guān)電磁特性信息，但是這種技術(shù)不需要磁鐵。
[0012]不過(guò)，W0-2010/043851所公開(kāi)的方法采用局部化在物體的區(qū)域中的聲振動(dòng)，例如，使用與已知的超聲成像類似的技術(shù)。這就意味著這種方法只能提供來(lái)自該區(qū)域的信息，因?yàn)樯⑸涞亩嗥绽辗至渴怯稍搮^(qū)域產(chǎn)生的。因此，由該方法產(chǎn)生的成像分辨率與超聲波成像所產(chǎn)生的結(jié)果相似，其成像分辨率受限于在聲振動(dòng)的波長(zhǎng)的基礎(chǔ)上獲得的局部化。
[0013]提供關(guān)于電磁特性的信息與從聲振動(dòng)導(dǎo)出的分辨率的結(jié)合提供了可以提供在多個(gè)領(lǐng)域中的有效成像的優(yōu)點(diǎn)。
[0014]本發(fā)明的第一方面涉及聲振動(dòng)的選擇。
[0015]此選擇需要考慮如下成像特性。第一個(gè)因素是，頻率的選擇對(duì)所能獲得的成像分辨率有影響。這是因?yàn)檫@一方法涉及物體的區(qū)域中的聲振動(dòng)的局部化，散射多普勒分量就是從該區(qū)域產(chǎn)生的。第二個(gè)因素是，物體的聲振動(dòng)的幅度也取決于聲振動(dòng)的頻率。該效果僅僅來(lái)源于被研究物體的機(jī)械特性。對(duì)于某些物體，這兩個(gè)因素互相制約，為了使這兩個(gè)因素達(dá)到平衡，需要仔細(xì)選擇聲振動(dòng)的頻率。
[0016]本發(fā)明的第一方面涉及對(duì)聲振動(dòng)選擇的優(yōu)化。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提出一種用于研究物體的物理特性的方法，所述方法包括:
[0018]向物體施加二維或三維地局部化在物體的區(qū)域中的聲振動(dòng)，該聲振動(dòng)包含由AM波形幅度調(diào)制的載波，該載波被選擇成用于提供聲振動(dòng)的局部化，AM波形包括被選擇成用于提供幅度大于載波的物體振動(dòng)的頻率分量；
[0019]同時(shí)使用具有延伸至高達(dá)30THZ的范圍中的EM頻率的照射電磁波照射物體，聲振動(dòng)的振動(dòng)方向上含有平行于照射電磁波的傳播方向的分量，使得該區(qū)域中物體的聲振動(dòng)產(chǎn)生包括一組多普勒分量的散射電磁波，所述一組多普勒分量從照射電磁波的頻率偏移了聲振動(dòng)所引起的物體振動(dòng)的頻率及其倍數(shù)；以及
[0020]接收該區(qū)域中所產(chǎn)生的散射電磁波，
[0021]從接收到的散射電磁波中檢測(cè)從所述照射電磁波的頻率偏離了 AM波形的頻率分量的頻率的多普勒分量；以及
[0022]輸出表示所檢測(cè)到的多普勒分量的至少一個(gè)特征的信號(hào)。
[0023]本發(fā)明的第一方面還提供了一種能夠?qū)嵤╊愃品椒ǖ南到y(tǒng)。
[0024]本發(fā)明提供了一種用于研究物體的物理特性的方法，該方法使用了與前文提及的W0-2010/043851相似的聲電磁技術(shù)，涉及向物體施加二維或三維地局部化在物體的區(qū)域中的聲振動(dòng)，同時(shí)使用照射電磁波照射該物體。不過(guò)，本發(fā)明使用的是包括AM波形調(diào)制的載波波形的聲振動(dòng)的特殊形式。在成像過(guò)程中，此聲振動(dòng)被最優(yōu)化以提供優(yōu)勢(shì)。尤其在于，載波被選擇用以提供聲振動(dòng)的局部化，而AM波形被選擇來(lái)包括一個(gè)可以引起物體振動(dòng)的頻率分量。幅度調(diào)制的特性在于，相較于AM波形，載波具有更高的頻率。因此，AM波形可以被選擇成提供比載波幅度更大的物體的振動(dòng)。因此，本發(fā)明保證了在選擇聲波波形時(shí)，尤其是用于那些要求使用提供較低的機(jī)械響應(yīng)的頻率以獲得期望的分辨率的物體的選擇的靈活性。在該課題下，可根據(jù)圖像分辨率優(yōu)化的需要來(lái)選擇載波，同時(shí)，也可以獨(dú)立選擇AM波形以提供明顯的機(jī)械響應(yīng)。
[0025]AM波形有著多種多樣的形式。在它的最簡(jiǎn)式中，AM波形可以是單個(gè)頻率分量，SP給定頻率的正弦波形。不過(guò)，也可以使用具有基頻分量和諧波頻率分量的其他波形，并且在某些情況下還具有更容易產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)。例如，AM波形可以是方波，這種波形僅僅通過(guò)簡(jiǎn)單地載波波形的脈沖開(kāi)關(guān)就可以特別容易得實(shí)現(xiàn)。
[0026]在AM波形具有多個(gè)頻率分量的情況中，那么在原理上能檢測(cè)到從照射電磁波的頻率偏移(即AM波形的任何頻率分量的頻率)的多普勒分量。然而，其中最理想的是使用AM波形的基頻分量，因?yàn)榛l分量通常會(huì)提供最大幅值的頻率分量以及提供最大的響應(yīng)。而且，基頻分量是最容易分離的，因其具有與其他的多普勒分量相對(duì)較大的分離度。
[0027]所使用AM波形的頻率分量是已經(jīng)衡量了物體的相關(guān)機(jī)械性能而選擇的。為了優(yōu)化響應(yīng)，此頻率分量的周期最好與研究區(qū)域中的物體的聲學(xué)弛豫時(shí)間具有相同數(shù)量級(jí)大小。
[0028]本發(fā)明的第二方面是致力于提高使用聲電磁技術(shù)的方法中的散射電磁波中的多普勒分量檢測(cè)的靈敏度。這是人們所期望的，因?yàn)槎嗥绽辗至康姆敌∮谠撜丈潆姶挪?。由于聲振?dòng)的局部化，散射電磁波只在被研究的物體區(qū)域產(chǎn)生，因此多普勒分量來(lái)源的空間很小。多普勒分量的幅值小意味著它們將承受系統(tǒng)中的固有噪聲，因此它們會(huì)具有低的信噪比(SNR)。
[0029]本發(fā)明的第二方面提供了一種研究物體的物理特性的方法，所述方法包括:
[0030]向物體施加二維或三維地局部化在物體的區(qū)域中的聲振動(dòng)；
[0031]同時(shí)使用具有擴(kuò)展到上限為30THz的范圍中的EM頻率的照射電磁波照射該物體，所述聲振動(dòng)的振動(dòng)方向具有與照射電磁波的傳播方向平行的分量，使得該區(qū)域中物體的聲振動(dòng)產(chǎn)生包括一組多普勒分量的散射電磁波，所述一組多普勒分量從散射電磁波的頻率偏離了由聲振動(dòng)所引起的物體振動(dòng)頻率及其倍數(shù)；
[0032]接收該區(qū)域中產(chǎn)生的散射電磁波，
[0033]將所接收的散射電磁波提供給鎖定到EM頻率的鎖相環(huán)，以產(chǎn)生頻率解調(diào)信號(hào)，該頻率解調(diào)信號(hào)包含從EM頻率頻率解調(diào)的一組多普勒分量；
[0034]將所述頻率解調(diào)信號(hào)提供給鎖相放大器，其被配置成提取在與由聲振動(dòng)所產(chǎn)生的振動(dòng)的頻率分量的頻率相等的基準(zhǔn)頻率處的信號(hào)；以及
[0035]輸出表示所提取的信號(hào)的至少一個(gè)特性的信號(hào)。
[0036]本發(fā)明的第二方面還提供了一種系統(tǒng)，它能夠?qū)崿F(xiàn)類似的方法。
[0037]多普勒分量的檢測(cè)本質(zhì)上需要從散射電磁波分量中頻率解調(diào)出那些與照射電磁波相同頻率的多普勒分量。本發(fā)明的第二方面涉及使用鎖相環(huán)(PLL)與鎖相放大器的組合。鎖相環(huán)被鎖定到EM頻率，因此它產(chǎn)生包括從EM頻率頻率解調(diào)得出的所有所述一組多普勒分量的頻率解調(diào)信號(hào)。該頻率解調(diào)信號(hào)被提供給被配置成提取與所述物體的振動(dòng)頻率相等的基準(zhǔn)頻率處的信號(hào)的鎖相放大器。如果聲振動(dòng)包含單個(gè)頻率分量，則基準(zhǔn)頻率就是此頻率分量的頻率。相反，如果聲振動(dòng)包括AM波形幅度調(diào)制的載波，再根據(jù)本發(fā)明的第一方面，則基準(zhǔn)頻率就可能會(huì)是所使用的AM調(diào)制的頻率分量的頻率。因此，顯然本發(fā)明的第一方面和第二方面可以組合實(shí)施。從而，本發(fā)明的第一方面和第二方面的任何特征可以以任意結(jié)合形式組合實(shí)施。
[0038]這種鎖相環(huán)和鎖相放大器的組合能夠檢測(cè)到很微小的多普勒分量。例如，按照頻率調(diào)制術(shù)語(yǔ)，下文描述的實(shí)施例被布置為檢測(cè)IOppm量級(jí)或者更精確的調(diào)制指數(shù)。這使得聲電磁方法可以被用來(lái)研究具有較高靈敏度的物體的性質(zhì)，允許準(zhǔn)確辨別物體的不同特性。
[0039]以下說(shuō)明同樣適用于本發(fā)明的第一方面和第二方面。
[0040]本發(fā)明可以應(yīng)用于提供所述物體的成像。在這種情況下，聲振動(dòng)被同時(shí)或依次以局部化的方式施用于多個(gè)區(qū)域，并且施加于每個(gè)區(qū)域中的超聲激發(fā)具有不同的幅度調(diào)制，并且多個(gè)區(qū)域中的每一個(gè)產(chǎn)生的散射電磁波被接收并被用來(lái)導(dǎo)出數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)表示關(guān)于每個(gè)區(qū)域檢測(cè)到的多普勒分量的至少一個(gè)特性并被作為圖像數(shù)據(jù)。以這種方式可以產(chǎn)生多個(gè)區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)并由此構(gòu)建表示關(guān)于物體的物理特性信息的圖像。在聲振動(dòng)局部化在二維空間中的情況下，所述區(qū)域沿第三方向延伸從而得到二維圖像(或陰影圖像)。在聲振動(dòng)局部化在三維空間中的情況下，所述區(qū)域在第三方向上的延伸受到限制，從而可以獲得三維圖像。
[0041]聲振動(dòng)可以依次局部應(yīng)用在多個(gè)區(qū)域處。在這種情況下，聲振動(dòng)可以具有相同的頻率，這簡(jiǎn)化了方法的實(shí)現(xiàn)，但不是必要的。
[0042]可選擇地，所述聲振動(dòng)可以同時(shí)局部應(yīng)用在多個(gè)區(qū)域中，但是在每個(gè)區(qū)域使用不同的頻率分量。在這種情況下，施加到每個(gè)區(qū)域的頻率分量頻率不同，因此從每個(gè)區(qū)域散射的電磁波具有不同的頻率，使對(duì)應(yīng)于每個(gè)區(qū)域中同時(shí)產(chǎn)生的多普勒分量能被分離，并將用其導(dǎo)出圖像數(shù)據(jù)，該圖像數(shù)據(jù)表示對(duì)應(yīng)于每個(gè)區(qū)域的多普勒分量的至少一個(gè)特性。
[0043]原理上，本發(fā)明也可以僅僅將聲振動(dòng)施加到單個(gè)區(qū)域而不提供所述物體的成像。在這種情況下，得到的有關(guān)物體的物理特性的信息仍然有效，因?yàn)樗⒃谏鲜鑫锢憩F(xiàn)象的基礎(chǔ)之上。
[0044]這些特性意味著當(dāng)對(duì)人體或動(dòng)物組織成像時(shí)，本發(fā)明的成像能提供優(yōu)于現(xiàn)有的成像(包括但不限于醫(yī)學(xué)成像)方法的優(yōu)點(diǎn)。
[0045]為了更好地理解，下面結(jié)合附圖以非限制性實(shí)施例的方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，其中:
[0046]圖1是成像系統(tǒng)的框圖；
[0047]圖2和圖3是兩個(gè)聲振動(dòng)的可選波形的曲線圖；
[0048]圖4a至4c是聲振動(dòng)、照射電磁波和散射電磁波的頻譜的曲線圖；
[0049]圖5為成像系統(tǒng)的信號(hào)處理裝置的框圖；
[0050]圖6是信噪比(SNR)相對(duì)于用于信號(hào)處理裝置的一些具體結(jié)構(gòu)的調(diào)制指數(shù)的曲線圖；
[0051]圖7是成像系統(tǒng)的聲換能器裝置的透視圖；
[0052]圖8是聲換能器裝置的驅(qū)動(dòng)電路框圖；
[0053]圖9是驅(qū)動(dòng)電路的波束形成器電路的框圖；
[0054]圖10是聲換能器裝置的換能器的透視圖；
[0055]圖11是應(yīng)用于乳房X造影的成像系統(tǒng)的透視圖；
[0056]圖12是應(yīng)用為全身掃描儀的成像系統(tǒng)的透視圖；
[0057]圖13是使用手持聲換能器裝置的成像系統(tǒng)的透視圖；
[0058]圖14是由聚焦聲振動(dòng)引起的ARF受激區(qū)域的示意圖；
[0059]圖15是顯示了源場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的衍射平面的示意圖；
[0060]圖16是調(diào)制指數(shù)的減小系數(shù)相對(duì)于高斯激勵(lì)的位置的曲線圖；
[0061]圖17是多通道結(jié)構(gòu)中的成像系統(tǒng)的示意圖；
[0062]圖18是掃描時(shí)間相對(duì)于使用這種多通道結(jié)構(gòu)的通道的數(shù)目的曲線圖；
[0063]圖19是被配置成執(zhí)行第一試驗(yàn)性示例的成像系統(tǒng)的俯視原理視圖；[0064]圖20是第一試驗(yàn)性示例中的多普勒分量大小相對(duì)于ID切片圖像的位置的圖形；
[0065]圖21是第一試驗(yàn)性示例中的多普勒分量的峰值大小相對(duì)于不同剛度的瓊脂目標(biāo)的曲線；
[0066]圖22和23都是第二試驗(yàn)性示例中的羊腎臟的2D圖像集合。
[0067]如圖1所示，首先描述用于研究物體2的物理特性的系統(tǒng)I。物體2可以是生物學(xué)對(duì)象，例如人體或動(dòng)物組織，在這種情況下系統(tǒng)I可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域。然而，本發(fā)明并不局限于這一領(lǐng)域，也可以應(yīng)用于其他【技術(shù)領(lǐng)域】的一系列物體。
[0068]該系統(tǒng)I包括控制單元3，其用于控制該系統(tǒng)I的其它部件。所述控制單元3可以由運(yùn)行適當(dāng)程序的計(jì)算機(jī)裝置來(lái)實(shí)施。
[0069]該系統(tǒng)I包括一個(gè)由控制單元3控制操作的聲換能器裝置4。聲換能器裝置4運(yùn)行時(shí)可將聲振動(dòng)施加到物體2。
[0070]所述聲振動(dòng)的性質(zhì)如下。聲振動(dòng)包括由周期性的AM波形幅度調(diào)制的載波。
[0071]兩個(gè)具有合適的聲學(xué)波形的非限制性實(shí)例如圖2和圖3所示，其中，所述載波在兩種情況下的頻率都是fc。在圖2中，AM波形具有其最簡(jiǎn)單的形式，包括頻率fa的基頻分量。在圖3中，AM波形是周期為(Ι/fa)的方波，并且因此包括頻率fa的基頻分量和頻率fa的倍數(shù)的諧波頻率分量。
[0072]載波如果是如圖2和圖3所示的簡(jiǎn)單正弦波，則是最容易生產(chǎn)的，雖然一般來(lái)說(shuō)，載波可以是任何其他合適的波形。
[0073]在一般情況下，AM波形可以有多種形式，但例如在圖3的例子中使用的方波非常有利，因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)脈沖開(kāi)關(guān)載波很容易地產(chǎn)生。在圖3所示的例子中，AM波形是具有相等開(kāi)關(guān)持續(xù)時(shí)間的方波，但這不是必需的，也可以是具有不相等的打開(kāi)和關(guān)閉持續(xù)時(shí)間的方波。幅度調(diào)制的本質(zhì)就在于載波具有至少比AM波形的基頻分量的頻率要小的頻率，尤其要小于一個(gè)或者多個(gè)諧波頻率分量。在很多實(shí)際實(shí)施例中，載波具有比AM波形基頻分量的頻率至少要小一個(gè)或兩個(gè)數(shù)量級(jí)大小的頻率。
[0074]將聲振動(dòng)局部化在物體2內(nèi)的指定位置處的區(qū)域5中。載波被選擇成用于提供聲振動(dòng)的期望的局部化。局部化的程度由波長(zhǎng)決定，所以相應(yīng)地對(duì)載波頻率fc進(jìn)行選擇。
[0075]聲振動(dòng)引起區(qū)域5中的物體2的振動(dòng)。AM波形被選擇成用以提供物體2的振動(dòng)，所述AM波形比載波在所使用的AM波形的至少一個(gè)頻率分量(優(yōu)選的是基頻分量)的頻率上的幅值要大。因?yàn)檩d波被選擇成提供聲振動(dòng)的局部化以獲取所需的分辨率，根據(jù)物體2的性質(zhì)，物體2在載波頻率上的機(jī)械響應(yīng)可能不是最優(yōu)的。因此，AM波形被用來(lái)向物體2提供在比載波更低頻率上的振動(dòng)，在這一頻率上物體2的振動(dòng)幅度更大。
[0076]在一般情況下,該方法可以使用AM波形的任何頻率分量,但是有利地使用基頻分量，這是因?yàn)榛l分量通常具有比諧波頻率分量更大的幅度，并產(chǎn)生最容易從散射電磁波中分離的更大幅度的多普勒分量。
[0077]為了優(yōu)化物體的機(jī)械響應(yīng)，所使用的AM波形的頻率分量(比如在使用基頻分量的例子中的fa)可以被選擇成具有與物體2的區(qū)域5中的聲學(xué)弛豫時(shí)間同數(shù)量級(jí)大小的頻率。這樣的聲學(xué)弛豫時(shí)間可以在理論上針對(duì)所研究的物體2的類型來(lái)測(cè)量或?qū)С?。類似地，所使用的頻率分量可以被選擇成具有可以被選擇成具有提供了物體共振振動(dòng)的頻率的頻率。
[0078]對(duì)于某些類型的物體，AM波形可提供物體2的振動(dòng)，該振動(dòng)在所使用的AM波形的頻率分量的頻率、以大于載波一個(gè)或多個(gè)數(shù)量級(jí)大小的幅度產(chǎn)生。在這些情況下，物體2在載波頻率的振動(dòng)相比較則微弱，并且可以被忽略。
[0079]作為同時(shí)在圖1中不出的替代方案，聲振動(dòng)可被局部化于在被限制在垂直于聲振動(dòng)傳播方向但是沿著傳播方向延伸的范圍的區(qū)域5a (如短劃線虛線輪廓所示)內(nèi)的二維空間中，或者可以被局部化于被限制在同樣沿著傳播方向受限的區(qū)域5b (如點(diǎn)虛線輪廓所示)內(nèi)的三維空間中。聲振動(dòng)的局部化可以使用常規(guī)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，下面將做出更詳細(xì)的說(shuō)明。當(dāng)局部化在三維空間中時(shí)，沿著聲波傳播方向，聲振動(dòng)可能只在很短的時(shí)間里隨著聲波的傳播局部化。在許多實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域中(如醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域)，選用超聲波來(lái)作為振動(dòng)聲波。
[0080]在最簡(jiǎn)單的實(shí)施例中，在給定時(shí)間將聲振動(dòng)局部化在單個(gè)位置，并在該位置對(duì)物體2進(jìn)行掃描，使得之后就可連續(xù)地在多個(gè)不同的區(qū)域5向區(qū)域5施加聲振動(dòng)。這種掃描可以利用具有可控焦點(diǎn)或波束的聲換能器裝置4，或者通過(guò)物理移動(dòng)(例如使用機(jī)械傳送)具有固定焦點(diǎn)或波束的聲換能器裝置4來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種掃描可以在一維、二維或三維空間中進(jìn)行。
[0081]在更為復(fù)雜的實(shí)施例中，聲振動(dòng)被同時(shí)局部化在區(qū)域5中的多個(gè)位置，但在這種情況下，聲振動(dòng)的AM波形在不同位置是不同的，下文將進(jìn)一步討論。
[0082]系統(tǒng)I還包括發(fā)射器裝置，該發(fā)射器裝置包含發(fā)射器天線6，其被連接到射頻源7，該射頻源7由控制單元3控制，射頻源7為天線6提供輸出相應(yīng)電磁波的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。因此，在操作中，發(fā)射器布置采用照射電磁波照射物體2，通常具有射頻頻率，并具有理想地均勻的足夠?qū)挼牟ㄊ愿采w被研究的物體2的整個(gè)體積。期望的照射電磁波是連續(xù)波而不是脈沖。在這種情況下，照射電磁波具有固定幅度與頻率，至少在由接收散射多普勒分量監(jiān)控的與聲波相互作用的時(shí)間段上是固定的。
[0083]為了便于檢測(cè)，照射電磁波主要是單頻的，但是一般來(lái)說(shuō)照射電磁波能夠包括一段頻率。照射電磁波的頻率大于聲振動(dòng)的頻率，優(yōu)選大于至少一個(gè)數(shù)量級(jí)大小。
[0084]照射電磁波被物體2散射。在區(qū)域5內(nèi)，在由聲振動(dòng)引起振動(dòng)的物體2和照射電磁波之間存在相互作用，其引起在區(qū)域5中的物體2的聲振動(dòng)調(diào)制散射電磁波。特別地，產(chǎn)生的散射電磁波包括處于照射電磁波的頻率的分量和從照射電磁波的頻率偏離了物體振動(dòng)頻率及其倍數(shù)頻率的多普勒分量。這包括從照射電磁波的頻率偏離AM波形的頻率分量及其倍數(shù)的多普勒分量。幅度調(diào)制是用于根據(jù)上述方法提供在AM波形中的至少一個(gè)頻率分量的頻率上比在所述載波頻率上更大的振動(dòng)幅度，所以載波中出現(xiàn)的多普勒分量的幅度較低，并在許多情況下不重要且可以忽略不計(jì)。
[0085]這種情況被圖形化的具體展示在圖4a到4c中，這些圖分別是聲振動(dòng)、照射電磁波和散射電磁波頻譜的頻譜圖。在本例中，聲振動(dòng)包括如圖2所示的在頻率fc的載波和頻率fa的基頻分量。照射電磁波具有的單個(gè)EM頻率fe。
[0086]散射電磁波包括照射電磁波的EM頻率fe的中心分量。
[0087]散射電磁波還包括在頻率fe±nfa上的多普勒分量(邊帶)，其中η是整數(shù)，即，從照射電磁波的EM頻率fe偏移了 AM波形的基礎(chǔ)頻率分量的頻率fa及其整數(shù)倍的頻率。盡管圖4c示出了每側(cè)都只有三個(gè)多普勒分量的例子，但是一般來(lái)講多普勒分量的數(shù)目根據(jù)實(shí)際的相互作用可以為任何值。因?yàn)橛稍谳d波頻率fc的振動(dòng)而產(chǎn)生的多普勒分量不太重要，所以未在圖4c中示出。[0088]在AM波形也包括諧波頻率分量的情況中，還將包括從照射電磁波的EM頻率fe偏移了 AM波形的諧波頻率分量及其倍數(shù)的頻率的多普勒分量。然而這些另外的多普勒分量與圖4c中所示的二階或高于二階的多普勒分量重疊，并且因此難以分離。
[0089]產(chǎn)生包括多普勒分量的散射電磁波之后的物理現(xiàn)象，是由于具有例如導(dǎo)電性和介電系數(shù)等不同電學(xué)特性的物體2中的區(qū)域之間的邊界(或者更廣泛地指這些電學(xué)特性產(chǎn)生變化的區(qū)域)散射了照射電磁波并且這些邊界的振動(dòng)調(diào)制散射波所產(chǎn)生的。因此，可以認(rèn)為，具有照射電磁波的頻率的中心分量對(duì)應(yīng)于所述物體2靜止時(shí)的散射，而多普勒分量是由物體2的振動(dòng)所產(chǎn)生的。
[0090]實(shí)際上，這種用于一般的振動(dòng)物體的物理現(xiàn)象本身是眾所周知的，例如，在Lawrence等人在2006年7月的《美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)的天線與傳播學(xué)報(bào)》的第7期、第54卷、第2054-2061頁(yè)上的論文“來(lái)自使用通用類時(shí)變的片邊界條件的振動(dòng)可穿透物體的電磁散身寸(Electromagnetic Scattering from Vibrating Penetrable Objects Usinga General Class of Time-Varying Sheet Boundary Condition)，，中所公開(kāi)的。但是這篇文章僅考慮了被振動(dòng)的金屬體和介電體對(duì)電磁波的散射，并沒(méi)考慮振動(dòng)是如何產(chǎn)生的。與之對(duì)比，本發(fā)明將聲振動(dòng)局部化在區(qū)域5中施加，這意味著所檢測(cè)到的散射電磁波中的任何多普勒分量都被確知為是在區(qū)域5中產(chǎn)生的。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)I使用多普勒分量來(lái)提供關(guān)于在區(qū)域5的位置的物體2的信息。尤其是所檢測(cè)的多普勒分量依賴于在區(qū)域5的位置上的物體2對(duì)聲振動(dòng)的機(jī)械響應(yīng)(聲順)，也取決于區(qū)域5的位置上的物體2的電氣特性。通過(guò)在不同的位置對(duì)區(qū)域5施加聲振動(dòng)，可能構(gòu)建物體2的圖像。
[0091]對(duì)相互作用的詳細(xì)的數(shù)學(xué)分析在稍后給出。
[0092]系統(tǒng)I還包含接收器結(jié)構(gòu)，其包含由控制單元3控制的連接到信號(hào)處理裝置9的接收器天線8。接收器天線8被調(diào)諧至所述照射電磁波的頻率并且和測(cè)定介質(zhì)相匹配，即物體2和/或在物體2和接收器天線8之間的提供的任何介質(zhì)(如空氣或聲音匹配介質(zhì))。在操作中，接收器天線8接收散射波并把它提供給信號(hào)處理裝置9，信號(hào)處理裝置9分析散射波來(lái)檢測(cè)從所使用的該AM波形的頻率分量中產(chǎn)生的多普勒分量，并輸出表示該多普勒分量的相位和幅度，或多普勒分量的任何總體特性的信號(hào)。
[0093]在圖1中，聲換能器裝置4和發(fā)射器天線6被示出為彼此并排，使聲振動(dòng)和電磁波的傳播方向相同，但是這并不是重點(diǎn)所在，而是在下面描述了其他結(jié)構(gòu)。在一般情況下，該聲換能器裝置4和發(fā)射器天線6相對(duì)于彼此的位置的選擇，使聲振動(dòng)的振動(dòng)方向具有與照射電磁波的傳播方向平行的分量。上述內(nèi)容用于多普勒散射的產(chǎn)生。
[0094]散射多普勒分量的幅度在聲振動(dòng)方向與照射電磁波的傳播方向平行時(shí)達(dá)到最大。振動(dòng)方向平行于聲振動(dòng)的傳播方向，所以這對(duì)應(yīng)于使聲振動(dòng)和照射電磁波具有平行或反平行的方向。這是因?yàn)?，區(qū)域5的機(jī)械運(yùn)動(dòng)是沿著照射電磁波的傳播方向上的分量最大，從而使其在其他方向上由于零散材料的機(jī)械變形可能引發(fā)的第二運(yùn)動(dòng)可以被忽略。假設(shè)聲振動(dòng)的方向與照射電磁波的傳播方向之間有一個(gè)夾角α，則沿著照射電磁波的傳播方向上分解的聲振動(dòng)的速率將會(huì)隨著cos(a)成比例減小。這也有使散射的多普勒分量的幅度類似地隨著C0S(a)成比例減小的效果。實(shí)際上這表明，盡管多普勒分量仍然可以在較大的角度a時(shí)被觀察到，但該聲振動(dòng)的振動(dòng)方向不應(yīng)該垂直于照射電磁波的傳播方向，并且最好是與之平行的。[0095]聲換能器裝置4和發(fā)射器天線6可設(shè)置成彼此相鄰設(shè)置，使得照射電磁波的傳播方向平行于聲振動(dòng)的方向。精確的平行條件受到了聲換能器裝置4和發(fā)射器天線6的物理體積所產(chǎn)生的限制，但是為了達(dá)到使多普勒散射最大化的實(shí)際目的，它們可以被設(shè)置為足夠靠近以互相平行?？蛇x擇地，發(fā)射器天線6可以被布置在遠(yuǎn)離聲換能器4的物體2的相對(duì)側(cè)。
[0096]在一般情況下，接收器天線8可以位于相對(duì)于電磁波的傳播方向和所述聲振動(dòng)的振動(dòng)方向的任意角度。這是因?yàn)樯⑸涠嗥绽辗至吭瓌t上可以在任何方向散射。散射的方向取決于物體2在區(qū)域5中的物理特性。
[0097]所述散射電磁波的最優(yōu)方向是沿平行或反平行于照射電磁波的傳播方向進(jìn)行接收，因?yàn)樯⑸渫ǔＴ谶@些方向是最強(qiáng)的。沿著反平行于照射電磁波的傳播方向的線接收，可由被定位成靠在一起的發(fā)射器天線6和接收器天線8 (受它們的物理體積所產(chǎn)生的限制)，或者替換為連接至適當(dāng)?shù)碾娐?例如定向耦合器)的共用天線，所述適當(dāng)?shù)碾娐穼㈩l率源7與處理所檢測(cè)到的多普勒分量的電路隔離。
[0098]然而，散射電磁波可在其它方向上被接收。有利的是，所述散射電磁波在多個(gè)方向上被接收。這可以提供關(guān)于在區(qū)域5中的物體2的性質(zhì)的額外的信息，因?yàn)樯⑸涞姆较蛉Q于引起散射的物體2的物理特性。
[0099]現(xiàn)在將討論聲振動(dòng)和照射電磁波的選擇。
[0100]由于多普勒分量是由區(qū)域5中的聲振動(dòng)所產(chǎn)生的交互作用所引起的，圖像數(shù)據(jù)13的分辨率與由聲換能器裝置4取得的聲振動(dòng)的局部化程度所支配的區(qū)域5的大小相同。因此，分辨率取決于載波的頻率fc，這種方式與超聲成像類似。因此，本成像技術(shù)可以得到與超聲成像可以取得的類似的分辨率。舉例來(lái)說(shuō)，在非常高的超聲波聲學(xué)頻率下的分辨率可以小于I毫米(粗略地說(shuō)，I毫米分辨率與IMHz的頻率相對(duì)應(yīng)，100微米與IOMHz的頻率相對(duì)應(yīng)，I微米與IOOMHz的頻率相對(duì)應(yīng))。
[0101]聲波的頻率控制分辨率，因此被選擇為足夠高，以實(shí)現(xiàn)關(guān)于被成像的物體2中的感興趣的特征所需要的分辨率。聲波的頻率可能會(huì)受到那些類似于傳統(tǒng)的超聲成像中的實(shí)際限制，如由聲換能器裝置4中所產(chǎn)生的頻率，以及聲波在被成像的物體2中的穿透能力。
[0102]載波頻率fc被選擇成具有相關(guān)的期望分辨率，同時(shí)也具有在不同頻率下可達(dá)到的穿透深度。一般地，有必要再用類似超聲成像的方式平衡這兩個(gè)因素。通常情況下，載波頻率fc的范圍可以從IOkHz擴(kuò)展到IGHz。在該物體是生物學(xué)對(duì)象(如人體或動(dòng)物組織)的情況下，通常載波的頻率fc可以是從IMHz向上延伸，最優(yōu)的是從2MHz向上延伸，和/或至多延伸到50MHz，最好是高達(dá)IOMHz的范圍。雖然通常在可聽(tīng)范圍內(nèi)的聲頻原則上可以在一些應(yīng)用領(lǐng)域使用，但是上面的這些頻率是超聲波。
[0103]在對(duì)聲振動(dòng)的AM波形選擇時(shí)考慮到物體5的機(jī)械性能，以提供所需要的大小的振動(dòng)，以上面詳細(xì)討論的方式。通常該AM波形利用的頻率分量一般是AM波形的基頻，其具有在從IHz延伸到IOOMHz范圍內(nèi)的頻率。在該物體是生物學(xué)對(duì)象，如人體或動(dòng)物組織的情況下，則利用該頻率分量的頻率最好是在從IOkHz向上延伸的范圍，優(yōu)選從IOOkHz向上延伸的范圍，和/或至多延伸到IkHz。
[0104]照射電磁波的EM頻率的選擇如下。圖像的對(duì)比度機(jī)制不同于由聲振動(dòng)和照射電磁波之間的相互物理作用所決定的超聲成像，并且提供了關(guān)于物體2對(duì)聲振動(dòng)的機(jī)械響應(yīng)(聲順)和關(guān)于物體2的電學(xué)特性的信息，如上文所討論的，例如，可以提供MRI所提供的信息但是沒(méi)有對(duì)磁體的要求。因此,本成像技術(shù)可以作為一種替代其他成像方式的技術(shù)。加載在物體2中的照射電磁波的吸收程度隨著其頻率的增加而增加。因此，照射電磁波的頻率被選擇成足夠低，以保證物體2對(duì)它的吸收足夠低，從而允許對(duì)整個(gè)物體2進(jìn)行成像。
[0105]因此，為了提供關(guān)于物體2的有用信息，EM頻率在選擇的時(shí)候已經(jīng)考慮了物體2的電磁特性。一般情況下，照射電磁波是具有在擴(kuò)展到高達(dá)30THz范圍內(nèi)的EM頻率的無(wú)線電波，即在太赫茲波段或以下，達(dá)到300GHz，也就是EHF (極高頻)波段或以下，對(duì)應(yīng)于微波頻率及以下；或者在一些應(yīng)用領(lǐng)域中高達(dá)IOOGHz。物體2是生物學(xué)對(duì)象，例如人體或動(dòng)物組織時(shí)，有利的范圍擴(kuò)展至IOOGHz，最好擴(kuò)展至2GHz。這意味著，在物體2中的相互作用提供了關(guān)于物體2的類似于MRI的電磁特性的信息。
[0106]EM頻率的下限取決于如下所述的信號(hào)處理裝置9將EM頻率與多普勒分量分離的能力，而且需要注意的是，如在寬帶頻率調(diào)制領(lǐng)域中所知的，可被檢測(cè)的幅度調(diào)制產(chǎn)生的EM包絡(luò)有多寬在實(shí)踐中有限制條件。因此，照射電磁波通常會(huì)有從兩倍于所述的AM波形的頻率分量的數(shù)值向上擴(kuò)展的，優(yōu)選地是從10倍于所述AM波形頻率分量的數(shù)值向上擴(kuò)展的范圍中的EM頻率。
[0107]物體2可能具有在不同的頻率變化的響應(yīng)。因此，利用不同頻率的聲振動(dòng)和/或利用不同頻率的照射電磁波可以實(shí)現(xiàn)成像。通過(guò)重復(fù)系統(tǒng)I的操作，而對(duì)聲波頻率進(jìn)行調(diào)整，可以在不同的時(shí)間施加不同的頻率?？蛇x擇的是，不同的頻率可能會(huì)被同時(shí)施加到相同或者不同的區(qū)域5。不同頻率的激發(fā)也可以通過(guò)使用偽隨機(jī)脈沖序列(如最大長(zhǎng)度序列)或其它擴(kuò)頻技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。以這種方式，信息可以在相對(duì)于所述聲振動(dòng)和/或照射電磁波的不同頻率中獲得，因此這種方法是一種光譜技術(shù)。這使對(duì)物體2的性質(zhì)進(jìn)行更好地特征化成為可能。
[0108]所述信號(hào)處理裝置9包括放大器10，頻率調(diào)制(FM)解調(diào)器11和數(shù)字信號(hào)處理器12。
[0109]放大器10接收和放大由接收器天線8接收的信號(hào)。由于具有低信噪比，放大器10理想的是極低噪聲放大器。
[0110]放大后的信號(hào)由放大器10輸出后再提供給FM解調(diào)器11，其用于從所接收的散射電磁波中檢測(cè)按照所使用的AM波形的頻率分量的頻率偏離照射電磁波的頻率的多普勒分量，其通常為基頻分量。再由FM解調(diào)器11輸出表示多普勒分量的相位和幅度的信號(hào)。
[0111]FM解調(diào)器11可能具有如圖5所示的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，并且現(xiàn)在將對(duì)其進(jìn)行說(shuō)明。
[0112]FM解調(diào)器11包括鎖相環(huán)(PLL) 60，通過(guò)放大器10向其提供由接收器天線8接收的散射電磁波。鎖相環(huán)60包括相位檢測(cè)器61、低通濾波器62、增益級(jí)63、以及環(huán)路控制器65和連接在負(fù)反饋環(huán)路中的壓控振蕩器(VCO) 66。如下所述，PLL60被鎖定到EM的頻率，因此VC066輸出在該EM頻率的信號(hào)。VC066的輸出和散射電磁波，這兩個(gè)信號(hào)被提供給相位檢測(cè)器61。相位檢測(cè)器61輸出其兩個(gè)輸入信號(hào)之間的相位誤差，該相位誤差被提供通過(guò)低通濾波器62和增益級(jí)63，以形成輸出信號(hào)。該輸出信號(hào)因此也包含了含有從EM頻率頻率解調(diào)出的多普勒分量組的頻率解調(diào)信號(hào)。
[0113]該頻率解調(diào)信號(hào)也作為負(fù)反饋環(huán)路中的反饋信號(hào)被傳遞回環(huán)路控制器65。環(huán)路控制器65反相反饋信號(hào)，然后將其提供給上述VC066，以便控制VC066，以輸出具有與散射電磁波的主分量相同的EM頻率的信號(hào)。因此，環(huán)路控制器65被布置為類型I的固定增益控制器，因?yàn)檫@樣的設(shè)計(jì)有可能提供相對(duì)低的噪聲。環(huán)路控制器65還能改變?cè)摲答佇盘?hào)的大小以調(diào)整VC066輸出的中心頻率。
[0114]下面就是PLL60的兩個(gè)具體配置。
[0115]所述第一配置的目的是要與790MHz的EM頻率一起使用。在該第一配置中:
[0116]相位檢測(cè)器61 是 Minicircuit ZX05-10L+、IO-1OOOMhz、3dBm、Lo DBD 混頻器；
[0117]低通濾波器62是Minicircuit SLP-2.5+,2.5MHz截至、低通濾波器；
[0118]以及
[0119]VC060 是 Minicircuit ZX95-800C+、IkHz 的噪聲是 _97dbc/Hz 干擾、790MHz 的中
心頻率。
[0120]選擇這些組件是因?yàn)樗麄兊牡驮肼曁匦浴＠?，盡管具有非線性相位響應(yīng)，但是作為二極管混頻器的相位檢測(cè)器61卻產(chǎn)生可忽略數(shù)量的噪聲。
[0121]在該第一配置中，環(huán)路控制器65是負(fù)反饋結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)去耦的AD797運(yùn)算放大器。作為輸出噪聲和鎖定頻率范圍之間的折衷，環(huán)路增益被選擇為負(fù)100分貝，因?yàn)楦叩脑鲆鎸言肼曉黾拥捷^不理想的兩倍。
[0122]電壓偏移是通過(guò)將環(huán)路控制器65的非反相輸入?yún)⒄蘸艿驮肼暤碾妷涸?7 (例如由模擬設(shè)備ADR445所提供，其生產(chǎn)5V電壓，可以通過(guò)可能的分壓器減小電壓值)完成的。使用大的去耦電容器(未示出)對(duì)該參考電壓進(jìn)行去耦，從而最小化其輸出電平中的任何潛在的Ι/f噪聲。
[0123]環(huán)路控制器65的輸出通過(guò)低通濾波器68被供給VC066，低通濾波器68是由阻容電路構(gòu)成的單極點(diǎn)低通濾波器，以便減少失真和提高穩(wěn)定性。
[0124]在啟動(dòng)期間，電壓源67適合于改變環(huán)路控制器65的輸出電壓。特別地，當(dāng)環(huán)路控制器65穩(wěn)定時(shí)，電壓電平波動(dòng)。一種更方便的方法是輕微地改變輸入電壓(例如用5mV的數(shù)量級(jí))，其具有相同效果。操作直流點(diǎn)設(shè)置VC066的電壓，其需要在IOkHz之內(nèi)對(duì)應(yīng)于790MHz的EM頻率。
[0125]反饋增益已經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)測(cè)試，以得到已知的可接受的性能。另一種可能的改進(jìn)是在反饋環(huán)路中提供兩級(jí)放大器，而附加的放大器充當(dāng)了 DC偏移。這將允許DC偏移在啟動(dòng)時(shí)需要校正，雖然代價(jià)是噪聲水平的少量增加。
[0126]第二配置的目的是要與434MHz的EM頻率一起使用。在該第二配置中:
[0127]相位檢測(cè)器61 是 MinicircuitZX05-10L+、10-1000MHz、3dBm、Lo DBD 混頻器；
[0128]低通濾波器65是Minicircuit LPF_B0R3+、0.3MHz截止低通濾波器；以及
[0129]VC060 是 Crystek CVSS-940、在 IkHz 的噪聲是-110dbc/Hz、434MHz 的中心頻率。
[0130]在所述第二配置中，PLL60鎖相環(huán)基本保持了與第一配置中相同的構(gòu)造，不過(guò)VC066的電壓調(diào)節(jié)器除外。
[0131]在該第二配置中，其中的這些部件實(shí)質(zhì)上用來(lái)減少噪聲的引入。
[0132]在該配置中，VC066具有非常低的相位噪聲，它是基于高穩(wěn)定性晶體的振蕩器，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)此振蕩器是噪聲的重要來(lái)源。
[0133]該電路已經(jīng)分別測(cè)試過(guò)在到VC066的輸入有和沒(méi)有低通濾波器68的兩種情況。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，低通濾波器68上的大電容在較小程度上提高了信噪比，不過(guò)所取得的效果顯著，同時(shí)也減少了鎖定范圍。在該第二配置中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，0.03秒是最佳的時(shí)間常數(shù)。
[0134]PLL60的輸出被提供給鎖相放大器72，需經(jīng)過(guò)高通濾波器70和同時(shí)作為低通濾波器的增益級(jí)71，使高通濾波器70和增益級(jí)71 一起作為帶通濾波器。該鎖相放大器72使用的基準(zhǔn)頻率信號(hào)是基準(zhǔn)頻率等于AM波形使用的頻率分量的頻率的頻率信號(hào)，其典型的是AM波形的基頻分量。因此，基準(zhǔn)頻率被選擇為聲振動(dòng)所造成的物體2的振動(dòng)頻率。通過(guò)比較，如果所述聲振動(dòng)包括單個(gè)頻率分量(這不是按照本發(fā)明的第一個(gè)技術(shù)方案)，則基準(zhǔn)頻率將是該單個(gè)頻率分量的頻率。
[0135]如上所述，所使用的頻率分量可以是任何AM波形及其諧波的頻率分量，但通常是AM波形的基頻分量fa。用于PLL60的基準(zhǔn)頻率可以從頻率源導(dǎo)出，所述頻率源也被用來(lái)導(dǎo)出AM波形(如在下面進(jìn)一步描述的)，并且輸出頻率fa的信號(hào)。因此，聲換能器裝置4可以如圖1中所示的被連接到FM解調(diào)器11，以從頻率源向鎖相放大器72提供AM波形或頻率fa的信號(hào)。
[0136]該鎖相放大器72被設(shè)置成從提供給它的頻率解調(diào)信號(hào)中提取在基準(zhǔn)頻率的信號(hào)。因此，該鎖相放大器72提取所需的多普勒分量。該鎖相放大器72還被設(shè)置成產(chǎn)生所提取的信號(hào)的幅度和相位，盡管它同樣可以被設(shè)置為生成其中的其他特性。
[0137]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種結(jié)合PLL60和鎖相放大器72的FM解調(diào)器11的配置，已經(jīng)能夠提供非常靈敏的多普勒分量的檢測(cè)，盡管這種多普勒分量是其中相對(duì)水平較低的信號(hào)。用頻率調(diào)制術(shù)語(yǔ)表示，F(xiàn)M解調(diào)器11的實(shí)施例已被證明能夠檢測(cè)IOppm的調(diào)制指數(shù)。這種高靈敏度是通過(guò)PLL60和鎖相放大器72的組合實(shí)現(xiàn)的，其中PLL60有效地提取整組多普勒分量，隨后鎖相放大器72在通常為基頻分量的頻率fa上提取想要的多普勒分量中的一個(gè)。通過(guò)舉例的方式，圖6示出了第一配置(790MHz的EM頻率)和第二配置(434MHz的EM的頻率)具有和不具有在所述低通濾波器68使用的電容器(以下在圖6中表示成“C”)的性能，并使用單獨(dú)的具有I秒鎖定時(shí)間常數(shù)的去耦電容器(在圖6中表示成“去耦”)。例如，這表明第二配置可以實(shí)現(xiàn)大約17000的靈敏度指數(shù)k(SNR/MI)。
[0138]為方便調(diào)頻解調(diào)，向FM解調(diào)器11提供了來(lái)自頻率源7的照射電磁波的信號(hào)和來(lái)自聲換能器裝置4的所使用的聲波的調(diào)幅波形的頻率分量的信號(hào)。
[0139]放大器10和FM解調(diào)器11可以通過(guò)模擬電路來(lái)形成，但數(shù)字電路也可以可替代地用于放大器10和FM解調(diào)器11的任何部分。例如，鎖相放大器72的數(shù)字實(shí)現(xiàn)在多個(gè)區(qū)域5被同時(shí)成像時(shí)特別有利，現(xiàn)討論如下。
[0140]表示由FM解調(diào)器11產(chǎn)生的多普勒分量的相位和幅度，特別是由鎖相放大器72輸出的信號(hào)被提供給處理多普勒分量的那些特性的數(shù)字信號(hào)處理器12。因?yàn)镕M解調(diào)器11檢測(cè)多普勒分量的特征，所述多普勒分量的頻率從照射電磁波的頻率偏移了 AM波形的頻率分量和其倍數(shù)的頻率分量的頻率，所以這些特性已經(jīng)從物體2的區(qū)域5在當(dāng)前位置的聲振動(dòng)導(dǎo)出而變?yōu)橐阎?。?shù)字信號(hào)處理器12由識(shí)別所述聲振動(dòng)的當(dāng)前位置的控制單元3提供信息。數(shù)字信號(hào)處理器12存儲(chǔ)表示關(guān)于在該位置對(duì)物體2進(jìn)行掃描的每個(gè)位置檢測(cè)到的那些特性的圖像數(shù)據(jù)13。圖像數(shù)據(jù)13可以被信號(hào)處理裝置9儲(chǔ)存、顯示和/或輸出。
[0141]數(shù)字信號(hào)處理器12可只存儲(chǔ)相位和幅度或其他特征的實(shí)際導(dǎo)出值。這些值根據(jù)如上面所討論的不同位置處的物體2的特性變化，因而即使沒(méi)有進(jìn)一步的處理，也能提供有用的圖像。[0142]可選地，數(shù)字信號(hào)處理器12可以在聲振動(dòng)和照射電磁波之間的相互作用的模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步處理相位和幅度或其他特征的實(shí)際導(dǎo)出值，以得到表示物體2的特殊的物理特性的特征，其也被存儲(chǔ)為圖像數(shù)據(jù)13。該處理可以提供比相位和幅度自身更有用的關(guān)于物體2的特性的信息。例如在醫(yī)學(xué)成像時(shí)，該處理可以被用來(lái)表征具有已知的電磁響應(yīng)的代謝物種類。
[0143]數(shù)字信號(hào)處理器12可通過(guò)執(zhí)行適當(dāng)程序的計(jì)算機(jī)裝置實(shí)現(xiàn)，可選的是作為等同于控制單元3的計(jì)算機(jī)裝置實(shí)現(xiàn)。
[0144]在FM解調(diào)器11具有圖5中示出的結(jié)構(gòu)的例子中，在圖1中示出的從射頻源7到FM解調(diào)器11的連接可以被省略。然而，在FM解調(diào)器11的可選擇的結(jié)構(gòu)中，其中的PLL60被替換成相干檢測(cè)器，那么上述連接用來(lái)向相干檢測(cè)器提供由具有EM頻率的照射電磁波的射頻源7輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在這個(gè)可選擇方案中，相干檢測(cè)器使用該信號(hào)檢測(cè)在EM頻率的信號(hào)，并且從而產(chǎn)生類似于PLL60的形式的輸出信號(hào)。
[0145]如前所述，聲換能器裝置4在給定時(shí)間提供被局限在區(qū)域5內(nèi)的聲振動(dòng)，其被局部化在傳播方向上擴(kuò)展的二維空間區(qū)域5a中或被局部化在被限制在傳播方向上的三維空間區(qū)域5b中。這可以利用可以提供可控制的焦點(diǎn)或固定焦點(diǎn)的常規(guī)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0146]圖7示出可能的布置，其中所述聲換能器裝置4包括換能器陣列20，它提供在區(qū)域5的電器可控制的焦點(diǎn)。在這種情況下，由換能器陣列20輸出的聲波可能是傳播波束。正如我們所知的，在超聲成像領(lǐng)域，這種波束使得在需要的位置形成高能量集中。在本方法中，這意味著大多數(shù)散射電磁波包含有關(guān)集中的區(qū)域5的信息。
[0147]為了提供兩維空間中的局部化，換能器陣列20可以施加連續(xù)波束的聲振動(dòng)，使得聲振動(dòng)局部化在垂直于傳播方向的兩維空間中的傳播波束內(nèi)的空間中。為了提供三維空間中的集中，換能器陣列20可能仍然需要施加不連續(xù)的沿著傳播方向中的第三維的波束的聲振動(dòng)，聲振動(dòng)隨著聲波的傳播而瞬間局部化。傳播波束可以是在給定時(shí)間局部化在單個(gè)區(qū)域5中的脈沖，該脈沖隨著時(shí)間在區(qū)域5中穿過(guò)物體2?？蛇x擇地，傳播波束可以具有可變頻率的AM波形，使得不同頻率同時(shí)局部化在不同的區(qū)域5中。因此，用控制單元3向數(shù)字信號(hào)處理器12提供的信息表示傳播波束的定時(shí)，從而標(biāo)識(shí)聲振動(dòng)的當(dāng)前位置。
[0148]在該傳播的波束具有可變頻率的AM波形的情況下，一種選擇是，該信號(hào)處理裝置9被配置為執(zhí)行所接收的時(shí)域中的散射信號(hào)的傅立葉變換，或其它變換。由于不同頻率的聲振動(dòng)的同時(shí)局部化在不同的區(qū)域5中，這樣的變換就產(chǎn)生了關(guān)于每個(gè)不同區(qū)域5的不同特性。在這種方式中，圖像作為時(shí)間的函數(shù)，就像一部“電影”一樣，可以以極高的時(shí)間/空間分辨率顯示。
[0149]為了形成傳播波束，聲換能器裝置4包括驅(qū)動(dòng)電路21，它提供了到每個(gè)換能器20的單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這些驅(qū)動(dòng)信號(hào)在幅度和/或相位和/或延遲上變化以在期望的區(qū)域5上形成焦點(diǎn)。這種在換能器陣列上形成波束的方式，在例如超聲成像等領(lǐng)域?yàn)槿藗兯熘?br> [0150]如圖8所示，驅(qū)動(dòng)電路21包括波形發(fā)生器22，其生成具有對(duì)應(yīng)于所期望的波形的波形振蕩信號(hào)并將其提供給波束形成器電路23。波束形成器電路23可以用模擬或數(shù)字方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。波形發(fā)生器22包括載頻源90，其輸出具有載波頻率為頻率fc的信號(hào)，和AM波形源91，其輸出AM波形，在最簡(jiǎn)單的情況可以包括頻率為fa的基頻分量。波形發(fā)生器22還包括混頻器92，用以混合由載波頻率源90和AM波形源91輸出的兩個(gè)信號(hào)以得到振蕩信號(hào)。
[0151]波束形成器電路23根據(jù)以各自的大小來(lái)修改振蕩信號(hào)的幅度和/或相位和/或延遲來(lái)導(dǎo)出用于每個(gè)換能器20的信號(hào)，上述各自的大小用于成形從聲換能器裝置4輸出的全部聲振動(dòng)以產(chǎn)生波束。波束形成器電路23在控制單元3的控制下操作，以在目標(biāo)區(qū)域5上產(chǎn)生焦點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)電路21還包括放大器24，用于放大由波束形成電路23輸出的用于每個(gè)換能器20的信號(hào)，以產(chǎn)生隨后被提供給各個(gè)換能器20的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0152]波束形成器電路23可包括可編程放大器(或衰減器)和/或移相器和/或延遲來(lái)修改所述振蕩信號(hào)。例如，波束形成器電路23可以采用如圖9所示的對(duì)應(yīng)于每個(gè)換能器的正交結(jié)構(gòu)。這種正交結(jié)構(gòu)包括由來(lái)自波形發(fā)生器22的震蕩信號(hào)所分別提供的1-通道25和Q-通道26。I通道包括π/2的相位延遲27，用于相位延遲振蕩的振蕩信號(hào)，以使I通道25和Q通道26上的信號(hào)是正交的。I通道25和Q通道26包括各自的衰減器27和28，它們的輸出被提供給相加器30，然后將衰減的正交信號(hào)相加。由每個(gè)衰減器27和28所提供的各自的衰減程度可以被控制，從而改變由相加器30所輸出的信號(hào)的幅度和相位。由相加器30所輸出的信號(hào)可以被可選地提供給可變延遲電路31，其可以被改變以控制所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)的延遲。
[0153]驅(qū)動(dòng)電路21可以由模擬電路來(lái)形成，但數(shù)字電路也可以可替代地用于其中的任何部分。
[0154]如圖10所示，每個(gè)換能器20可以由壓電材料(或其他電活性材料)元件43構(gòu)成。由驅(qū)動(dòng)電路21所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，被用以穿過(guò)壓電材料元件43并在其中引發(fā)響應(yīng)，由此產(chǎn)生聲波。所示的壓電材料元件43為圓柱形，但是它可以為了引導(dǎo)產(chǎn)生的聲波而塑造成其他形狀。
[0155]如圖7所示，換能器20的陣列被顯示為二維的平面陣列，但通常來(lái)講，可以替代使用任意陣列形式，例如一維線性或共形陣列，彎曲的或共形的二維陣列、三維陣列或物體2的不同側(cè)的多個(gè)陣列。
[0156]作為形成波束的替代選項(xiàng)，該聲換能器裝置4包括換能器20的陣列，這樣就可以將聲振動(dòng)應(yīng)用為連續(xù)地定位在三維空間內(nèi)的點(diǎn)。
[0157]通過(guò)這種包括換能器陣列20的聲換能器裝置4，可以在電子控制下，對(duì)在其中聲振動(dòng)被集中的區(qū)域5的位置對(duì)物體2進(jìn)行掃描，以導(dǎo)出在不同區(qū)域5的信息，并由此建立物體2的圖像。
[0158]在聲振動(dòng)局部化在二維空間中時(shí)，那么所產(chǎn)生的圖像就是二維圖像(或陰影圖像)，它的像素包含來(lái)自沿著聲振動(dòng)的傳播方向延伸穿過(guò)物體2的區(qū)域5a的整體信息。在這種情況下，三維圖像可以通過(guò)繞著被檢查的物體2移動(dòng)聲換能器裝置4和發(fā)射器天線6，并拍攝一系列具有不同入射角的圖像來(lái)構(gòu)建。然后一系列的圖像可使用與那些常規(guī)的其它成像類型(例如計(jì)算機(jī)斷層攝影(CT)掃描)相似的變換來(lái)變換成三維圖像。
[0159]在這種聲振動(dòng)局部化在三維空間中的情況下，通過(guò)對(duì)區(qū)域5b的三維掃描就可以得到三維的圖像。
[0160]這樣的掃描也可以通過(guò)聲換能器裝置4來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槁晸Q能器4有固定的焦點(diǎn)，所以要通過(guò)物理移動(dòng)聲換能器裝置4來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0161]如前文所述，在最簡(jiǎn)單的實(shí)施方式中，聲振動(dòng)在給定時(shí)間內(nèi)定位在單個(gè)區(qū)域5中，該聲振動(dòng)先后被施加到區(qū)域5上的多個(gè)不同的位置。
[0162]而在更為復(fù)雜的實(shí)施方式中，聲振動(dòng)在同一時(shí)間被施加到區(qū)域5的不同位置。在這種情況下，聲振動(dòng)有包含所使用的頻率分量(通常是基頻分量)的AM波形，在不同區(qū)域5具有不同的頻率。
[0163]一種選擇是使用前文所提到的含有換能器陣列20的聲換能器裝置4，但是此裝置在修改后可以同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)具有不同頻率的AM波形的傳播波束。這可以通過(guò)復(fù)制如上所述并且如圖8所示的驅(qū)動(dòng)電路21的電路，其中每個(gè)復(fù)制的電路對(duì)應(yīng)所使用的各個(gè)不同頻率。對(duì)應(yīng)于各個(gè)頻率的驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以相加并被加載到各自的換能器20上。
[0164]雖然這將有可能復(fù)制上述驅(qū)動(dòng)電路21的整個(gè)電路，但是，僅僅復(fù)制如圖8中的虛線輪廓所示的波形發(fā)生器22將會(huì)更加方便。相同或不同的載波頻率fc可以被用于提供各個(gè)區(qū)域5中的局部化，但是應(yīng)用相同載波頻率fc時(shí)，相同的載波頻率源應(yīng)為90。在該波形發(fā)生器22被復(fù)制的情況下，波束形成電路23執(zhí)行兩種功能。首先，對(duì)于每個(gè)波形發(fā)生器22，波束形成器電路23導(dǎo)出用于每個(gè)換能器20的信號(hào)，以將振蕩信號(hào)的幅度和/或相位、和/或延遲修改成適合產(chǎn)生指向各自區(qū)域的波束。其次，波束形成器23將關(guān)于每個(gè)換能器20導(dǎo)出的信號(hào)相加，以產(chǎn)生提供給相對(duì)應(yīng)的放大器24的相加信號(hào)。由于聲振動(dòng)在不同區(qū)域5上有著不同的頻率，所以散射電磁波在不同的區(qū)域5上產(chǎn)生不同頻率的多普勒分量，每個(gè)多普勒分量都經(jīng)過(guò)頻率偏移，此頻率偏移是根據(jù)聲振動(dòng)的AM波形頻率分量的不同頻率(及其倍數(shù))從照射電磁波的頻率偏移產(chǎn)生的頻率。因此，設(shè)置信號(hào)處理裝置9，以探測(cè)和導(dǎo)出已知的已產(chǎn)生于區(qū)域5的不同位置的不同多普勒分量的特征。這可以通過(guò)如上布置的信號(hào)處理裝置9來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是需要在FM解調(diào)器11內(nèi)對(duì)于所使用的每個(gè)聲波頻率復(fù)制鎖相放大器72。這將在下文中作進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明。
[0165]在這種方式下，可以同時(shí)導(dǎo)出關(guān)于多個(gè)區(qū)域5的多普勒分量的特征以及圖像數(shù)據(jù)13。大量的區(qū)域5可以利用這種方式被同時(shí)成像。這種方法受到信號(hào)處理裝置9對(duì)于不同頻率的多普勒分量的鑒別能力的限制。
[0166]在一些配置中，多個(gè)區(qū)域5被同時(shí)成像，并且允許在不對(duì)區(qū)域5進(jìn)行掃描的情況下導(dǎo)出圖像。在其他配置中，在對(duì)多個(gè)區(qū)域5同時(shí)成像，隨后還需要對(duì)區(qū)域5進(jìn)行掃描以對(duì)物體2的其他區(qū)域進(jìn)行成像。例如，一個(gè)特定實(shí)施例可以采用布置在ID (或2D)陣列中的多個(gè)傳播波束來(lái)同時(shí)成像ID(或2D)切片，所述傳播波束傳播通過(guò)物體2，允許進(jìn)行切片成像，從而以類似于傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)超聲成像的方式建立一個(gè)2D (或3D)圖像(例如在產(chǎn)科中采用的超聲檢查)。因此，在對(duì)圖像的掃描過(guò)程中，應(yīng)用多個(gè)區(qū)域5要比應(yīng)用單個(gè)區(qū)域5快的多，從而縮短了圖像的采集周期。特別地，在對(duì)有生命物體成像的情況下，因?yàn)槲矬w需要保持靜止，所以減少成像的時(shí)間就格外有用。
[0167]可選擇地，系統(tǒng)I可以被實(shí)現(xiàn)成對(duì)單個(gè)區(qū)域5中的物體2的屬性進(jìn)行研究，而不用提供遍布物體2的成像。在這種情況下，聲振動(dòng)僅僅被應(yīng)用到單個(gè)區(qū)域5。這可以用上文所述的系統(tǒng)I實(shí)現(xiàn)，但是修改控制單元3所執(zhí)行的控制行為。可選則地，系統(tǒng)I可以被簡(jiǎn)化，例如，用具有固定焦點(diǎn)的聲換能器裝置4就可以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)椴恍枰M(jìn)行掃描。
[0168]在對(duì)單個(gè)區(qū)域5中的物體2進(jìn)行屬性研究時(shí)，利用上面所提到的不同頻率的聲振動(dòng)和/或利用不同頻率的照射電磁波，是非常有利的。不同的頻率可能會(huì)在不同的或相同的時(shí)間被利用。在相同的時(shí)間被利用時(shí)，可以調(diào)整系統(tǒng)I來(lái)同時(shí)研究較寬的頻率范圍，而不需要利用不同頻率去獲得關(guān)于在不同位置的區(qū)域5的信息，而這在一些成像實(shí)現(xiàn)方式中是非常必要的。
[0169]系統(tǒng)I的尺寸和詳細(xì)的結(jié)構(gòu)將取決于應(yīng)用的領(lǐng)域。例如，在醫(yī)學(xué)成像中使用時(shí)，系統(tǒng)I可能被實(shí)現(xiàn)為其中的聲換能器裝置4類似于傳統(tǒng)超聲成像裝置的超聲波探頭的專用設(shè)備。在這種情況下，發(fā)射器天線6和接收器天線8可以被集成到同一個(gè)超聲波探頭上。
[0170]任選地，系統(tǒng)I已可以附加地包括與聲換能器裝置相連接的聲學(xué)系統(tǒng)14，并將其設(shè)置為接收從每個(gè)區(qū)域5反射的聲波，從而利用由信號(hào)處理裝置9導(dǎo)出的圖像數(shù)據(jù)13來(lái)導(dǎo)出聲波圖像數(shù)據(jù)15。聲學(xué)系統(tǒng)14可以被設(shè)置在傳統(tǒng)的超聲成像設(shè)備中，從而使得本發(fā)明的方法能夠與傳統(tǒng)的超聲成像法相結(jié)合。聲波圖像數(shù)據(jù)15和圖像數(shù)據(jù)13可以在時(shí)間或者空間上彼此配準(zhǔn)，例如，利用傳統(tǒng)的圖像配準(zhǔn)技術(shù)，可以使系統(tǒng)I同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)不同類型的圖像。這在許多領(lǐng)域內(nèi)，例如進(jìn)行動(dòng)態(tài)診斷和監(jiān)控的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，都是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
[0171]同樣地，系統(tǒng)I也可以與超聲治療系統(tǒng)相結(jié)合，從而可以監(jiān)控物體2在治療過(guò)程中的狀態(tài)。
[0172]系統(tǒng)I的一些實(shí)施實(shí)例被應(yīng)用在當(dāng)物體2是人體組織時(shí)的醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域中的不同應(yīng)用中，如圖7至圖9所示。在每種情況下，發(fā)射器天線6和接收器天線8，被通過(guò)定向耦合器17連接到射頻源7和信號(hào)處置裝置9的共用天線16所代替，定向耦合器17對(duì)發(fā)送和接收的信號(hào)進(jìn)行隔離。
[0173]圖11所示的是系統(tǒng)I在乳房的X光檢查中的應(yīng)用，其中物體2是乳房。聲換能器裝置4和共用天線16布置在乳房的相對(duì)側(cè)，在乳房和聲換能器裝置4之間的最好加入匹配介質(zhì)，例如油、匹配凝膠或柔性隔膜。聲換能器裝置4產(chǎn)生局部化在二維或三維空間中的窄的聲振動(dòng)波束。如圖所示，聲換能器裝置4和共用天線16沿箭頭A所指方向一起旋轉(zhuǎn)，從不同方向獲得信息，這些信息可能會(huì)被結(jié)合起來(lái)從而推導(dǎo)出二維圖像切片。通過(guò)將聲換能器裝置4和共用天線16如圖中箭頭B所示方向上下移動(dòng)，可以得到許多這樣的圖像切片。
[0174]圖12所示的是系統(tǒng)I是作為全身掃描儀時(shí)的應(yīng)用，其中物體2是受試人的身體。系統(tǒng)I包括床50，床50包括介質(zhì)池52、橫跨在介質(zhì)池52上方的被支撐的柔性隔膜51、介質(zhì)池52含有的匹配介質(zhì)53。受試者躺在位于匹配介質(zhì)53平面下的柔性隔膜51上。聲換能器裝置4和共用天線16被支撐在可旋轉(zhuǎn)的臺(tái)架54上，其繞著介質(zhì)池52延伸，使得聲換能器裝置4和共用天線在受試人的相對(duì)側(cè)上。臺(tái)架54按照?qǐng)D示的箭頭C方向旋轉(zhuǎn)，以獲得不同方向的信息，將這些信息結(jié)合就有可能推導(dǎo)出二維圖像切片。通過(guò)按照?qǐng)D示箭頭B方向移動(dòng)臺(tái)架54，可以得到多個(gè)這樣的圖像切片。
[0175]圖13所示的是系統(tǒng)I中的聲換能器裝置4作為常規(guī)手持設(shè)備對(duì)例如在懷孕期的受試者進(jìn)行掃描。在這種情況下，共用天線16被簡(jiǎn)單地布置在受試者的下面(例如在受試者所躺的床的下面)，聲換能器裝置4用傳統(tǒng)的方式同時(shí)獲得與本發(fā)明一致的圖像和傳統(tǒng)的聲學(xué)圖像。
[0176]現(xiàn)在給出激發(fā)散射電磁波的相互作用的詳細(xì)數(shù)學(xué)分析。給出該解釋是為了說(shuō)明由聲振動(dòng)所引起的聲輻射力(ARF)。
[0177]ARF自從在理論上被Rayleigh (瑞利)和Langevin (朗之萬(wàn))發(fā)現(xiàn)后已經(jīng)被廣泛的研究?？偟膩?lái)說(shuō)，ARF是由聲波傳播通過(guò)波矢量的方向上有差異聲阻抗的邊界而產(chǎn)生的。ARF通常與集中的超聲波相聯(lián)系，并已用于臨床的聲輻射力成像(ARFI)，用來(lái)測(cè)量組織剛度。
[0178]ARF是由兩個(gè)壓力之和產(chǎn)生的=Rayleigh輻射壓力，其定義為存在和不存在聲波引起的移動(dòng)時(shí)的平均壓力之間的差值；以及Langevin輻射壓力，其定義為阻抗邊界的吸收與反射引起的平均壓力之間的差值。在此應(yīng)用中，由于我們尋找的是組織間的邊界移動(dòng)，所以Langevin輻射壓力是我們需要主要關(guān)注的壓力。
[0179]使用下面的公式可以計(jì)算來(lái)自平面波的Langevin ARF:
[0180]F =2al/c
[0181]其中，I是峰值時(shí)間平均強(qiáng)度，α是組織之間的邊界處的衰減系數(shù)，c是聲波的速度。在存在聲振動(dòng)情況下，I是載波的峰值時(shí)間平均強(qiáng)度。由于調(diào)幅的原因，該平均強(qiáng)度和由此引起的力隨著AM波形而變化。該力引起由AM波形的頻率分量所產(chǎn)生的物體2中的運(yùn)動(dòng)，以與ARFI中同樣的方式，這引起了對(duì)任何照射電磁輻射的頻率調(diào)制。通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇AM波形的頻率，由此在物體2上產(chǎn)生的振動(dòng)的幅度可以比在載波頻率處的振動(dòng)幅度顯著地增大。從數(shù)值模擬和其他發(fā)表的結(jié)果來(lái)看，在物體是生物樣品的情況下，峰值位移預(yù)期為10微米的數(shù)量級(jí)。
[0182]當(dāng)無(wú)限大的電介質(zhì)薄片邊界以平面電磁波振動(dòng)時(shí)，在邊界處的反散射場(chǎng)可以近似假定為準(zhǔn)靜態(tài)運(yùn)動(dòng)邊界條件和非相對(duì)效應(yīng):
[0183]U = pU0e [ω?+2usin(ωot)]
[0184]其中，k = ωo/c是電磁波的波數(shù)目，A是邊界振動(dòng)的幅度。依照經(jīng)驗(yàn)，將反散射波經(jīng)
歷的周期性相位調(diào)制具有±2kA的弧度最大偏移。最大偏移被重寫(xiě)為:
[0185]β =2kA
[0186]其中，β稱為調(diào)制指數(shù)。它與振動(dòng)幅度成正比，同時(shí)也正比于目標(biāo)邊界的剛度。在推薦的系統(tǒng)中，ARF用于激發(fā)電介質(zhì)邊界的小區(qū)域，從而導(dǎo)致多普勒偏移。聲振動(dòng)可以在空間掃描，以獲得目標(biāo)的光柵掃描。這種光柵掃描方法還允許在超聲脈沖回波成像的自動(dòng)配準(zhǔn)以及EMA的數(shù)據(jù)的自動(dòng)配準(zhǔn)，這用在下面描述的羔羊腎臟的二維測(cè)量中。
[0187]由于該區(qū)域比EM波的波長(zhǎng)小，需要全衍射計(jì)算來(lái)查看激活和非激活區(qū)域之間的相互作用的效果，從而使這兩個(gè)階段的貢獻(xiàn)同時(shí)被考慮。衍射效應(yīng)初步為任何循環(huán)對(duì)稱函數(shù)導(dǎo)出，然后專門(mén)為圓形介電盤(pán)內(nèi)均勻激活的圓形區(qū)域?qū)С?，最終得到高斯分布的激勵(lì)的情況。
[0188]參考圖14，這是由聚焦聲波102引起的在電介質(zhì)邊界的ARF激活區(qū)域100的示意圖，而圖15是示出了左側(cè)由ARF激活區(qū)域產(chǎn)生的源電場(chǎng)100和右側(cè)的遠(yuǎn)場(chǎng)的衍射平面的示意圖。對(duì)兩個(gè)平面考慮圓柱坐標(biāo)系，一個(gè)是在激活區(qū)域100所置于“源”平面101，而另一個(gè)是接收器天線8所處的“觀察者”平面103，其中，U(p，0，t)是在“源”平面101的圓形對(duì)稱的電場(chǎng)分布，而U(r，z, t)是在z米以外的“觀察者”平面103的衍射場(chǎng)。在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下，
可能使用Fraunhofer逼近衍射方程，只要遠(yuǎn)場(chǎng)條件z＞2D2/λ 被滿足，D為散射區(qū)域的特征尺
寸，即電介質(zhì)的最大范圍，而λ是電磁波的波長(zhǎng)。使用這種近似，圓形對(duì)稱的衍射方程變?yōu)閇6]:
【權(quán)利要求】
1.一種研究物體的物理特性的方法，所述方法包括: 向所述物體施加二維或三維地局部化在所述物體的區(qū)域中的聲振動(dòng)，所述聲振動(dòng)包含由AM波形幅度調(diào)制的載波，所述載波被選擇成提供所述聲振動(dòng)的局部化，并且所述AM波形包含頻率分量，該頻率分量被選擇成提供的所述物體的振動(dòng)的幅度比所述載波提供的所述物體的振動(dòng)的幅度大； 同時(shí)地，用具有向上擴(kuò)展到30THz的范圍中的EM頻率的照射電磁波照射所述物體，所述聲振動(dòng)的振動(dòng)方向具有與所述照射電磁波的傳播方向平行的分量，使得所述區(qū)域中的所述物體的聲振動(dòng)產(chǎn)生包括一組多普勒分量的散射電磁波，該組多普勒分量從所述照射電磁波的頻率偏移了由所述聲振動(dòng)引起的所述物體的振動(dòng)的頻率及其倍數(shù)；以及 接收所述區(qū)域中產(chǎn)生的所述散射電磁波； 從所接收到的散射電磁波中檢測(cè)從所述照射電磁波的頻率偏移了所述AM波形的所述頻率分量的頻率的多普勒分量；以及 輸出表示檢測(cè)到的多普勒分量的至少一個(gè)特征的信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述AM波形具有基頻分量，所述AM波形的所述頻率分量為所述基頻分量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述AM波形還包括其他的頻率分量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述AM波形為方波。
5.根據(jù)在前權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的方法，其中，所述AM波形的所述頻率分量具有與所述物體的所述區(qū)域的聲學(xué)弛豫時(shí)間相同數(shù)量級(jí)大小的周期?！?br> 6.根據(jù)在前權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的方法，其中，所述AM波形的所述頻率分量被選擇成提供所述物體的共振。
7.根據(jù)在前權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的方法，其中，所述載波具有從IOkHz到IGHz范圍內(nèi)的頻率。
8.根據(jù)在前權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的方法，其中，所述AM波形的所述頻率分量處于從IHz到IOOMHz的范圍。
9.根據(jù)在前權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的方法，其中，所述照射電磁波具有從兩倍于所述AM波形的所述頻率分量的數(shù)值向上擴(kuò)展的范圍中的EM頻率，優(yōu)選的是從十倍于所述AM波形的所述頻率分量的數(shù)值向上擴(kuò)展的范圍中的EM頻率。
10.根據(jù)在前權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的方法，其中，所述物體是生物學(xué)對(duì)象。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述生物學(xué)對(duì)象是人體組織或動(dòng)物組織。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，其中，所述載波具有從IMHz向上擴(kuò)展和/或最大擴(kuò)展到50MHz范圍中的頻率。
13.根據(jù)權(quán)利要求8-10中的任何一項(xiàng)所述的方法，其中，所述AM波形的所述頻率分量處于從IOkHz向上擴(kuò)展和/或最大擴(kuò)展到IkHz的范圍。
14.根據(jù)權(quán)利要求8-11中的任何一項(xiàng)所述的方法，其中，所述照射電磁波具有最大擴(kuò)展到2GHz范圍內(nèi)的頻率。
15.根據(jù)在前權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的方法，其中，檢測(cè)多普勒分量的步驟包括: 將接收到的散射電磁波提供給鎖定到所述EM頻率的鎖相環(huán)，以產(chǎn)生包含從EM頻率頻率解調(diào)出的所述一組多普勒分量的頻率解調(diào)信號(hào)；以及將所述頻率解調(diào)信號(hào)提供給鎖相放大器，所述鎖相放大器被配置成提取與所述AM波形的所述頻率分量的頻率相等的基準(zhǔn)頻率處的信號(hào)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述鎖相放大器被配置成產(chǎn)生提取的信號(hào)的幅度和/或相位，即所述所檢測(cè)到的多普勒分量的所述至少一個(gè)特征。
17.根據(jù)在前權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的方法，還包括: 與提到的所述第一聲振動(dòng)同時(shí)施加二維或三維地局部化在所述物體的另一個(gè)區(qū)域中的第二聲振動(dòng)，所述第二聲振動(dòng)包含由第二 AM波形幅度調(diào)制的載波，所述載波被選擇成提供另一個(gè)聲振動(dòng)的局部化，且所述第二 AM波形包含頻率與所述第一聲振動(dòng)的首次提到的波形不同的頻率分量，且被選擇成提供的所述物體的振動(dòng)的幅度大于所述載波提供的所述物體的振動(dòng)的幅度； 從接收到的散射電磁波中檢測(cè)第二多普勒分量，所述第二多普勒分量從所述照射電磁波的頻率偏移了所述第二 AM波形的所述頻率分量的頻率；以及 輸出表示檢測(cè)到的第二多普勒分量的至少一個(gè)特征的信號(hào)。
18.根據(jù)在前權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的方法，所述方法是物體成像方法，其中: 施加聲振動(dòng)的步驟包括，依次或同時(shí)施加局部化在多個(gè)區(qū)域中的聲振動(dòng)，但AM波形在每個(gè)區(qū)域中具有不同頻率的頻率分量； 接收所述散射電磁波的步驟包括，接收在所述多個(gè)區(qū)域中的每一個(gè)中生成的散射電磁波； 檢測(cè)多普勒分量的步驟包括，檢測(cè)關(guān)于每個(gè)區(qū)域的多普勒分量；` 輸出信號(hào)的步驟包括，輸出表示關(guān)于每個(gè)區(qū)域中檢測(cè)到的多普勒分量的至少一個(gè)特征的信號(hào)；以及 所述方法還包括將表示關(guān)于每個(gè)區(qū)域中檢測(cè)到的多普勒分量的所述至少一個(gè)特征的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為圖像數(shù)據(jù)。
19.一種用于研究物體的物理特性的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 聲換能器裝置，其被布置成向所述物體施加二維或三維地局部化在所述物體的區(qū)域中的聲振動(dòng)，所述聲振動(dòng)包含由AM波形幅度調(diào)制的載波； 發(fā)射器裝置，其被布置成，在施加所述聲振動(dòng)的同時(shí)，用具有從30THz向下擴(kuò)展的范圍內(nèi)的頻率的照射電磁波照射所述物體，所述聲振動(dòng)的振動(dòng)方向具有與所述照射電磁波的傳播方向平行的分量，使得所述區(qū)域中由所述聲振動(dòng)引起的所述物體的振動(dòng)產(chǎn)生包含一組多普勒分量的散射電磁波，該組多普勒分量從所述照射電磁波的頻率偏移了由所述聲振動(dòng)引起的所述物體振動(dòng)的頻率及其倍數(shù)；以及 接收器裝置，其被布置成接收所述區(qū)域中產(chǎn)生的所述散射電磁波；以及 信號(hào)處理裝置，其被布置成從接收到的散射電磁波中檢測(cè)從所述照射電磁波的頻率偏移了所述AM波形的頻率分量的頻率的多普勒分量，并且被布置成輸出表示檢測(cè)到的多普勒分量的至少一個(gè)特性的信號(hào)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其中，所述AM波形具有基頻分量，所述AM波形的所述頻率分量即為所述基頻分量。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中，所述AM波形還包含其他頻率分量。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，其中，所述AM波形為方波。
23.根據(jù)權(quán)利要求19-22中的任何一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述AM波形的所述頻率分量具有與所述物體的所述區(qū)域的聲學(xué)弛豫時(shí)間相同數(shù)量級(jí)的大小的周期。
24.根據(jù)權(quán)利要求19-23中的任何一項(xiàng)所述的方法，其中，所述AM波形的所述頻率分量被選擇成提供所述物體的共振。
25.根據(jù)權(quán)利要求19-24中的任何一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述載波具有從IOkHz到IGHz范圍內(nèi)的頻率。
26.根據(jù)權(quán)利要求19-25中的任何一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述AM波形的所述頻率分量處于從IHz到IOOMHz的范圍。
27.根據(jù)權(quán)利要求19-26中的任何一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述照射電磁波具有從兩倍于所述AM波形的所述頻率分量的數(shù)值向上擴(kuò)展的范圍中的EM頻率，優(yōu)選的是從十倍于所述AM波形的所述頻率分量的數(shù)值向上擴(kuò)展的范圍中的EM頻率。
28.根據(jù)權(quán)利要求19-27中的任何一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述物體是生物學(xué)對(duì)象。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其中，所述生物學(xué)對(duì)象是人體組織或動(dòng)物組織。
30.根據(jù)權(quán)利要求28或29所述的裝置，其中，所述載波具有從IMHz向上擴(kuò)展和/或最大擴(kuò)展到50MHz范圍中的頻率。
31.根據(jù)權(quán)利要求28-30中的任何一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述AM波形的所述頻率分量處于從IOkHz向上擴(kuò)展和/或最高擴(kuò)展至IkHz的范圍。
32.根據(jù)權(quán)利要求28-31中的任何一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述照射電磁波具有最高擴(kuò)展至2GHz范圍內(nèi)的頻率。·
33.根據(jù)權(quán)利要求19-32中的任何一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述信號(hào)處理裝置包括: 鎖相環(huán)，其被提供了所述接收到的散射電磁波，所述鎖相環(huán)被鎖定到所述EM頻率，并且被布置成產(chǎn)生包括從EM頻率頻率解調(diào)出的所述一組多普勒分量的頻率解調(diào)信號(hào)；以及鎖相放大器，其被提供了所述頻率解調(diào)信號(hào)，并且被配置成提取與所述AM波形的所述頻率分量的頻率相等的基準(zhǔn)頻率處的信號(hào)。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的裝置，其中，所述鎖相放大器被配置為產(chǎn)生提取的信號(hào)的幅度和/或相位，即所述檢測(cè)到的多普勒分量的所述至少一個(gè)特征。
35.根據(jù)權(quán)利要求19-34中的任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中: 所述聲換能器裝置被布置成與提到的所述第一聲振動(dòng)同時(shí)施加二維或三維地局部化在所述物體的另一個(gè)區(qū)域中的第二聲振動(dòng)，所述第二聲振動(dòng)包含由第二 AM波形幅度調(diào)制的載波， 所述信號(hào)處理裝置還被布置成從所接收到的散射電磁波中檢測(cè)從所述照射電磁波的頻率偏移了所述第二 AM波形的所述頻率分量的頻率的第二多普勒分量，并且輸出表示檢測(cè)到的第二多普勒分量的至少一個(gè)特征的第二信號(hào)。
36.根據(jù)權(quán)利要求19-35中的任何一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)為成像系統(tǒng)，其中: 所述聲換能器裝置被布置成依次或同時(shí)施加局部化在多個(gè)區(qū)域中的聲振動(dòng)，但AM波形在每個(gè)區(qū)域中具有不同頻率的頻率分量； 所述接收器被布置成接收在所述多個(gè)區(qū)域中的每一個(gè)中生成的散射電磁波； 所述信號(hào)處理裝置被布置成檢測(cè)關(guān)于每個(gè)區(qū)域的多普勒分量，輸出表示關(guān)于每個(gè)區(qū)域中檢測(cè)到的多普勒分量的至少一個(gè)特征的信號(hào)，并將表示關(guān)于每個(gè)區(qū)域中檢測(cè)到的多普勒分量的所述至少一個(gè)特征的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為圖像數(shù)據(jù)。
37.一種研究物體的物理特性的方法，所述方法包括: 向所述物體施加二維或三維地局部化在所述物體的區(qū)域中的聲振動(dòng)； 同時(shí)地，用具有擴(kuò)展到最高達(dá)到30THz的范圍內(nèi)的EM頻率的照射電磁波照射所述物體，所述聲振動(dòng)的振動(dòng)方向具有與所述照射電磁波的傳播方向平行的分量，使得所述區(qū)域中的所述物體的聲振動(dòng)產(chǎn)生包括一組多普勒分量的散射電磁波，該組多普勒分量從所述照射電磁波的頻率偏移了由所述聲振動(dòng)引起的所述物體振動(dòng)的頻率及其倍數(shù)；以及接收所述區(qū)域中產(chǎn)生的所述散射電磁波； 將接收到的散射電磁波提供給鎖定到所述EM頻率的鎖相環(huán)，以產(chǎn)生包含從EM頻率頻率解調(diào)出的所述一組多普勒分量的頻率解調(diào)信號(hào)； 將所述頻率解調(diào)信號(hào)提供給鎖相放大器，所述鎖相放大器被配置成提取與由所述聲振動(dòng)引起的所述物體的振動(dòng)的頻率分量的頻率相等的基準(zhǔn)頻率處的信號(hào)；以及輸出表示提取的信號(hào)的至少一個(gè)特征的信號(hào)。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其中，所述鎖相放大器被配置成產(chǎn)生提取的信號(hào)的幅度和/或相位，即檢測(cè)到的多普勒分量的所述至少一個(gè)特征。
39.一種用于研究物體的物理特性的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 聲換能器裝置，其被布置成向所述物體施加二維或三維地局部化在所述物體的區(qū)域中的聲振動(dòng)； 發(fā)射器裝置，其被布置成，在施加所述聲振動(dòng)的同時(shí)，用具有從30THz向下擴(kuò)展的范圍內(nèi)的頻率的照射電磁波照射所述物體，所述`聲振動(dòng)的振動(dòng)方向具有與所述照射電磁波的傳播方向平行的分量，使得所述區(qū)域中的所述物體的聲振動(dòng)產(chǎn)生包括一組多普勒分量的散射電磁波，該組多普勒分量從所述照射電磁波的頻率偏移了由所述聲振動(dòng)引起的所述物體振動(dòng)的頻率及其倍數(shù)；以及 接收器裝置，其被布置成接收所述區(qū)域中產(chǎn)生的所述散射電磁波；以及鎖相環(huán)，其被提供了所述接收到的散射電磁波，所述鎖相環(huán)被鎖定到EM頻率，并且被布置成產(chǎn)生包括從EM頻率頻率解調(diào)出的所述一組多普勒分量的頻率解調(diào)信號(hào)；以及 鎖相放大器，其被提供了所述頻率解調(diào)信號(hào)，并且被配置成提取與由所述聲振動(dòng)引起的所述物體的振動(dòng)的頻率分量的頻率相等的基準(zhǔn)頻率處的信號(hào)。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中，所述鎖相放大器被配置成產(chǎn)生提取的信號(hào)的幅度和/或相位，即檢測(cè)到的多普勒分量的所述至少一個(gè)特征。
【文檔編號(hào)】G01N21/17GK103858021SQ201280046507
【公開(kāi)日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2012年9月19日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月23日
【發(fā)明者】大衛(wèi)·約翰·愛(ài)德華茲, 皮塔瓦特·瓦切利蒙 申請(qǐng)人:埃西斯創(chuàng)新有限公司